淺談功率半導(dǎo)體的技術(shù)與未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展(二)
國內(nèi)有眾多廠商在生產(chǎn)硅基功率BJT,如深圳深愛、華潤華晶、吉林華微等,廣泛應(yīng)用于綠色照明、充電器等領(lǐng)域,在國際功率BJT領(lǐng)域占據(jù)較大份額。
2.功率MOSFET
功率MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,是中小功率領(lǐng)域內(nèi)主流的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件,是DC-DC轉(zhuǎn)換的核心電子器件,占據(jù)著功率半導(dǎo)體市場單類產(chǎn)品的最大份額(2010年市場銷售65億美元,占整個功率半導(dǎo)體市場份額21%)。
功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET(VerticalV-grooveMOSFET:VVMOS),在VVMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以VDMOS為代表的多子導(dǎo)電的功率MOSFET顯著地減小了開關(guān)時間,同時利用了硅片自身的特性實現(xiàn)了縱向耐壓,沖破了電力電子系統(tǒng)中20kHz這一長期被認(rèn)為不可逾越的障礙。
功率MOSFET是一種功率場效應(yīng)器件,通常由多個MOSFET元胞(Cell)組成。目前功率MOSFET主要包括中高壓領(lǐng)域傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)平面柵功率MOS器件(VDMOS),中低壓領(lǐng)域高密度槽柵功率MOS,和近幾年發(fā)展迅速的超結(jié)(SJ:SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF,電子科技大學(xué)陳星弼院士的專利中稱其為復(fù)合緩沖層:CompositeBufferLayer)功率MOS。
功率MOS是低壓
此外,在低壓功率MOS器件領(lǐng)域,美國TI公司結(jié)合RFLDMOS結(jié)構(gòu)的低柵電荷、電荷平衡機(jī)理的低導(dǎo)通電阻以及引入N+Sinker所具有的雙面冷卻所研發(fā)的NextFETTM獲得了好的市場效果。
為開發(fā)高壓低功耗功率MOS,德國Infineon公司在1998年推出了基于超結(jié)的CoolMOS。由于采用新的耐壓層結(jié)構(gòu),CoolMOS在保持功率MOS優(yōu)點的同時,有著極低的導(dǎo)通損耗。目前國際上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我國華虹NEC等多家公司采用該結(jié)構(gòu)生產(chǎn)600V-900V低功耗功率MOS。
除硅基功率MOS外,新材料也不斷應(yīng)用于功率MOS的發(fā)展中,多種基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美國DARPA高功率電子器件應(yīng)用計劃-HPE的目標(biāo)之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月,繼日本Rohm公司首次在市場上推出SiC功率MOS以后,美國Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET產(chǎn)品。內(nèi)置SiC-SBD與SiC-MOSFET的“全SiC”功率模塊(額定1200V/100A)也首次由日本Rohm公司量產(chǎn)。
國內(nèi)從1980年代即開始功率MOS研發(fā),但直到2003年才由紹興華越開始VDMOS量產(chǎn),和由華虹NEC為境外客戶代工槽柵功率MOS。近年來,國內(nèi)功率MOS產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展,已開始逐漸取代國外產(chǎn)品,江蘇東光、深圳深愛、吉林華微、華潤華晶、華潤上華、杭州士蘭微(600460,股吧)、重慶渝德、華虹NEC、上海宏力等一大批4-8英寸生產(chǎn)線均在批量生產(chǎn)功率MOS芯片,也產(chǎn)生了南方芯源、無錫新潔能、成都方舟等一批以功率MOS為主營業(yè)務(wù)的專業(yè)設(shè)計公司。但國內(nèi)功率MOS的主流產(chǎn)品還是以平面柵功率MOS(VDMOS)為主,在專利保護(hù)眾多、市場競爭激烈、市場份額最大的低壓槽柵功率MOS領(lǐng)域,國內(nèi)雖有涉足,但多以代工為主,缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的高端產(chǎn)品。
國內(nèi)針對SJ結(jié)構(gòu)的設(shè)計和國際同步,電子科技大學(xué)等單位對SJ結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量而卓有成效的研究。SJ結(jié)構(gòu)國際學(xué)術(shù)界認(rèn)同的原始專利來源之一是我國的陳星弼院士,但是受限于工藝條件,國內(nèi)在SJ結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和器件開發(fā)上長期未獲進(jìn)展。2009年底,上海華虹NEC和電子科技大學(xué)合作,采用深槽刻蝕和外延填充技術(shù)成功實現(xiàn)了SJ功率MOSFET,擊穿電壓達(dá)到750V,部分動態(tài)參數(shù)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。該成果打破了國內(nèi)在SJ結(jié)構(gòu)的制備和SJ器件的實用化研究方面的空白,同時也成為國際上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平臺。目前上海華虹NEC的SJ功率MOSFET平臺已基本成熟,已有國內(nèi)外十余家企業(yè)在其平臺上逐步量產(chǎn)產(chǎn)品。
3.IGBT
IGBT自1980年代發(fā)明后很快走入市場并取得巨大成功。IGBT電壓應(yīng)用領(lǐng)域從370V到6500V,是中高功率應(yīng)用的主流開關(guān)器件。2010年全球IGBT市場銷售額較2009年增長56%,達(dá)到32億美元,占整個功率半導(dǎo)體市場份額10%。
隨著研發(fā)人員對IGBT器件物理的深入理解和微電子工藝的進(jìn)步,IGBT正向?qū)〞r漂移區(qū)非平衡載流子濃度分布控制以及關(guān)斷時快速抽取的所謂“集電極工程”、表面電子濃度增強的“柵工程”、IGBT芯
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