汽車功率元器件市場前景廣闊

　　汽車功率電子產(chǎn)品正成為半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一。這些電子產(chǎn)品包括功率元器件，是支撐新型電動汽車?yán)m(xù)航里程達(dá)到至少200英里的核心部件。

　　雖然智能手機(jī)的出貨量遠(yuǎn)高于汽車(2015年為14億部[1]，汽車銷量為8,800萬輛[2])，但汽車的半導(dǎo)體零件含量卻高得多。汽車功率IC穩(wěn)健增長，2015-2020年該行業(yè)的年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)將達(dá)8%[3]。尤其是電池驅(qū)動的電動汽車在該行業(yè)成為強(qiáng)勁增長推動力，2015年5月Teardown.com針對寶馬i3電動車的報(bào)告顯示，該車型物料清單中包含100多個(gè)電源相關(guān)芯片。

　　與遵循摩爾定律不斷縮小尺寸的先進(jìn)邏輯晶體管不同，功率元器件FET通常運(yùn)用更老的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，使用200毫米(和更小的)硅片。然而，功率元器件在過去的幾十年中不斷發(fā)展和升級。例如，較厚的PVD鋁鍍層(3-10微米)必須沉積在功率元器件的正面，以實(shí)現(xiàn)散熱并提高電學(xué)性能。如果沒有正確沉積，厚鋁層容易出現(xiàn)晶須和錯(cuò)位，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。應(yīng)用材料公司的EnduraPVDHDR高速沉積鋁反應(yīng)腔器可確保盡可能減少此類缺陷，并使沉積速率較其他與之競爭的技術(shù)高50%以上。

　　此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，進(jìn)行復(fù)雜的摻雜以后，能夠?qū)崿F(xiàn)低電阻(Rds)、較高的關(guān)斷電阻(Roff)和更快的開關(guān)速度。

　　與傳統(tǒng)外延反應(yīng)腔相比，應(yīng)用材料公司新推出的CenturaPronto?ATMepi外延反應(yīng)腔可提高生長速度30%以上，化學(xué)品消耗量減少25%，縮短了清潔時(shí)間，降低了設(shè)備的擁有成本。該系統(tǒng)表現(xiàn)出卓越的晶片內(nèi)均勻性和電阻率，可滿足先進(jìn)功率元器件需求。

　　半導(dǎo)體薄膜堆層的結(jié)構(gòu)變化，例如將柵極結(jié)構(gòu)從平面(橫向器件)轉(zhuǎn)換成溝道結(jié)構(gòu)(垂直器件)，使得絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能夠以更低的損耗率實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度。類似地，從多層外延技術(shù)轉(zhuǎn)向深溝槽填充工藝亦能大幅提升超結(jié)MOSFET(SJM)的性能。

　　蝕刻工藝需要一些改進(jìn)和調(diào)整，以適應(yīng)這些方案，其中包括更高的深寬比結(jié)構(gòu)。經(jīng)改進(jìn)后的外延硅膜和注入摻雜分布也能增強(qiáng)產(chǎn)品性能。

　　功率元器件制造商不斷精益求精。公開資料顯示日立的高導(dǎo)電性IGBT采用單獨(dú)的浮動P層，以提高柵極可控性和接通電壓。ABB半導(dǎo)體在溝槽柵下構(gòu)建P型柱狀注入，以產(chǎn)生超結(jié)效應(yīng)，從而達(dá)到更快的開關(guān)速度。

　　通過減薄晶片厚度，可有效減少高速開關(guān)的存儲電荷。富士電機(jī)最近研發(fā)出漂移層更薄、溝槽間距更小、電場終止層更強(qiáng)的第七代IGBT。

　　然而，專家們紛紛意識到，硅基器件的各項(xiàng)性能已接近極限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升僅能帶來些許改進(jìn)。

　　寬禁帶功率元器件

　　功率IC產(chǎn)業(yè)在尋找新的寬禁帶(WBG)材料，使半導(dǎo)體性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是當(dāng)前的首選材料，兩者均有一定的優(yōu)勢及劣勢。作為半導(dǎo)體復(fù)合材料，他們具有更大的禁帶寬度和擊穿場強(qiáng)，制成的功率元器件具有硅材料無法匹敵的性能。他們被廣泛認(rèn)為將引領(lǐng)下一代功率元器件，開啟半導(dǎo)體時(shí)代大變革。圖1顯示了SiC和GaN在終端市場應(yīng)用的一般電壓范圍。