淺談功率半導體的技術(shù)與未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展（二）

三、功率半導體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況

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　　功率二極管是功率半導體器件的重要分支，占據(jù)9%的功率半導體市場份額（2011年數(shù)據(jù)）。

　　目前商業(yè)化的功率二極管以PiN功率二極管和肖特基勢壘功率二極管（SBD）為主。前者有著耐高壓、大電流、低泄漏電流和低導通損耗的優(yōu)點，但電導調(diào)制效應(yīng)在漂移區(qū)中產(chǎn)生的大量少數(shù)載流子降低了關(guān)斷速度，限制了電力電子系統(tǒng)向高頻化方向發(fā)展。具有多數(shù)載流子特性的SBD有著極高的開關(guān)頻率，但其串聯(lián)的漂移區(qū)電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關(guān)系，阻礙了SBD的高壓大電流應(yīng)用，加之SBD極差的高溫特性、大的泄漏電流和軟擊穿特性，使得硅SBD通常只工作在250伏以下的電壓范圍內(nèi)。

　　為了獲取高壓、高頻、低損耗功率二極管，研究人員正在兩個方向進行探索。一是沿用成熟的硅基器件（超大規(guī)模集成電路）工藝，通過新理論、新結(jié)構(gòu)來改善高壓二極管中導通損耗與開關(guān)頻率間的矛盾關(guān)系，二是采用新材料研制功率二極管。

　　在硅基功率二極管方面，結(jié)合PN結(jié)低導通損耗、優(yōu)良阻斷特性和SBD高頻特性兩者優(yōu)點于一體的新器件正逐漸走向成熟并進入市場，如美國Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列產(chǎn)品，美國PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二極管產(chǎn)品等。

　　此外，為開發(fā)具有良好高頻特性和優(yōu)良導通特性的高壓快恢復二極管，通過控制正向?qū)〞r漂移區(qū)少數(shù)載流子濃度與分布的新結(jié)構(gòu)器件也不斷出現(xiàn)并成功應(yīng)用于高性能IGBT模塊中，如英飛凌公司的EmCon二級管、ABB公司的SPT＋二極管和日本富士電機的SASFWD等。臺灣Diode公司充分利用MOS控制二極管理論和VLSI工藝研制的超勢壘二極管（SuperBarrierRectifier）已經(jīng)在市場上多處替代SBD。

　　隨著半導體工藝技術(shù)的發(fā)展，微處理器、通訊用二次電源等都需要低電壓大電流功率變換器。隨著功率變換器輸出電壓的降低，整流損耗成為變換器的主要損耗。為使變換器效率達到90%以上，一種利用功率MOS器件低導通電阻特點的同步整流器（SR：SynchronousRectifier）及同步整流技術(shù)應(yīng)運而生，低導通損耗功率MOS器件的迅速發(fā)展為高性能同步整流器奠定了強大的發(fā)展基礎(chǔ)。

　　砷化鎵（GaAs）SBD雖然已獲應(yīng)用，但GaAs材料1.42eV的禁帶寬度和僅1.5倍于硅材料的臨界擊穿電場，使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的電壓范圍內(nèi)，遠遠不能滿足現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展需要。SiC材料以其3倍硅的禁帶寬度、10倍硅的臨界擊穿電場、2倍硅的飽和漂移速度和3倍硅的熱導率等優(yōu)良特性而得到迅速發(fā)展。SiCSBD是第一個商業(yè)化的SiC電力電子器件，目前Cree、Rohm、Infineon等十余家廠商已經(jīng)將SiCSBD產(chǎn)品添加在其產(chǎn)品系列中。Cree公司已量產(chǎn)600-1700V/1-50A的系列SiCSBD產(chǎn)品，2010年所銷售的SiCSBD超過了700億伏安（VA）。

　　SiC基PiN二極管比Si基PiN二極管具有更高的阻斷電壓（》10kV）和更高的開關(guān)速度（》10倍）。2012年，日本京都大學報道了耐壓21.7kV的SiCPiN二極管，Cree公司于2006年報道了在1.5cm？1.5cm的4H-SiC芯片上，單管輸出電流達180A的4.5kVPiN二極管。在3英寸N型4H-SiC晶圓上，Cree公司制作的10kV/20APiN二極管合格率已經(jīng)達到40%。

　　國內(nèi)近幾年在功率二極管領(lǐng)域發(fā)展迅速，芯片加工線已從3-4英寸向5-6英寸，甚至8英寸發(fā)展，并有江蘇宏微、深圳芯微等設(shè)計公司涉足，在快恢復二極管（FRD）方面，國產(chǎn)器件已占據(jù)國內(nèi)80%以上市場份額。

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　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一個商業(yè)化的功率晶體管，雖然存在二次擊穿、安全工作區(qū)受各項參數(shù)影響而變化大、熱容量小、過流能力低等缺點，學術(shù)界也一直有功率BJT將被功率MOS和IGBT所取代的觀點，但由于其成熟的加工工藝、極高的成品率和低廉的成本，使功率BJT仍然在功率開關(guān)器件里占有一席之地（2010年占整個功率半導體市場5%份額）。

　　與Si基BJT相比，SiC基BJT具有低20～50倍的開關(guān)損