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

　　目前，基于GaN的功率開關(guān)器件主要包括AlGaN/GaNHEMT（HFET）、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等結(jié)構(gòu)。其中，AlGaN/GaNHEMT具有工藝簡單、技術(shù)成熟、優(yōu)良的正向?qū)ㄌ匦院透叩墓ぷ黝l率等優(yōu)點(diǎn)，成為GaN功率開關(guān)器件中最受關(guān)注的結(jié)構(gòu)。

　　眾所周知，基于AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的晶體管是耗盡型（常開型）器件，而具有正閾值電壓的增強(qiáng)型（常關(guān)型）功率開關(guān)器件能夠確保功率電子系統(tǒng)的安全性、降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性等，是功率系統(tǒng)中的首選器件。因此，對于AlGaN/GaNHEMT器件而言，增強(qiáng)型HEMT器件實(shí)現(xiàn)技術(shù)也是研究者們極其關(guān)注的問題。目前國際上多采用超薄AlGaN層、凹槽柵、P型柵和氟離子注入等方法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型導(dǎo)電溝道。

　　目前基于6英寸硅基GaN平臺，IR公司和EPC公司分別推出了30V和100V/200V的GaN場效應(yīng)電力電子器件，600V-900VGaN器件在近期也將推向市場。以歐洲微電子研究中心為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)正開展8英寸硅基GaN電力電子器件研究。

　　（三）晶閘管類器件

　　在半導(dǎo)體功率開關(guān)器件中，晶閘管是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件，其最大電流額定值達(dá)到10kA，電壓額定值可達(dá)12kV。ABB公司和株洲南車時代公司已分別在150mm直徑的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)8.5kV/4kA和7.2kV/4.5kA的晶閘管。

　　晶閘管改變了整流管“不可控”的整流特性，為方便地調(diào)節(jié)輸出電壓提供了條件。但其控制極（門極）僅有控制晶閘管導(dǎo)通的作用，不能使業(yè)已導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，只有借助將陽極電流減小至維持電流以下或陰、陽極間電壓反向來關(guān)斷晶閘管。在整流電路中，交流電源的負(fù)半周自然會關(guān)斷晶閘管，但在直流電路中，要想關(guān)斷晶閘管必須設(shè)置能給其施加反向電壓的換向電路才行，這給應(yīng)用帶來很大麻煩。一種通過門極控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的晶閘管？門極關(guān)斷晶閘管GTO在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生并得到發(fā)展，目前已有包括日本三菱電機(jī)公司、瑞典ABB等多家廠商能在6英寸硅片上生產(chǎn)6kV/6kA，頻率1kHz的GTO，研制水平已達(dá)8kV/8kA。但GTO仍然有著復(fù)雜的門極驅(qū)動電路、低耐量的di/dt和dV/dt，小的安全工作區(qū)（SafeOperatingArea—SOA），以及在工作時需要一個龐大的吸收（Snubber）電路等缺點(diǎn)。針對GTO的上述缺陷，在充分發(fā)揮GTO高壓大電流下單芯片工作和低導(dǎo)通損耗特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，多種MOS柵控制且具有硬關(guān)斷（HardSwitching）能力的新型大功率半導(dǎo)體器件在上世紀(jì)九十年代相繼問世并陸續(xù)走向市場。所謂硬關(guān)斷晶閘管即是在關(guān)斷時能在一個很短的時間內(nèi)（如1？s）完成全部陽極電流向門（柵）極的轉(zhuǎn)移，此時的晶閘管關(guān)斷變成了一個pnp晶體管關(guān)斷模式，因而無需設(shè)置龐大、笨重且昂貴的吸收電路。硬關(guān)斷晶閘管的代表性產(chǎn)品包括瑞典ABB公司研制的集成柵換流晶閘管IGCT、美國硅功率公司提出的MOS關(guān)斷晶閘管MTO和由美國AlexHuang提出的發(fā)射極關(guān)斷晶閘管ETO。在硬關(guān)斷晶閘管中，IGCT應(yīng)用較為廣泛。IGCT是集成門極驅(qū)動電路和門極換流晶閘管（GCT）的總稱，其中GCT部分是在GTO基礎(chǔ)上做重大改進(jìn)而形成，是一種較理想的兆瓦（MW）級中高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件。我國株洲南車時代公司也量產(chǎn)有4.5kV/4kA的IGCT。

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　　PIC出現(xiàn)于七十年代后期，由于單芯片集成，PIC減少了系統(tǒng)中的元件數(shù)、互連數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，而且減少了系統(tǒng)的功耗、體積、重量和成本。但由于當(dāng)時的功率器件主要為雙極型晶體管、GTO等，功率器件所需的驅(qū)動電流大，驅(qū)動和保護(hù)電路復(fù)雜，PIC的研究并未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直至八十年代，由MOS柵控制、具有高輸入阻抗、低驅(qū)動功耗、容易保護(hù)等特點(diǎn)的新型MOS類功率器件如功率MOS器件、IGBT等的出現(xiàn)，使得驅(qū)動電路簡單且容易與功率器件集成，才迅速帶動了PIC的發(fā)展，但復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計和昂貴的工藝成本限制了PIC的應(yīng)用。進(jìn)入九十年代后，PIC的設(shè)計與工藝水平不斷提高，性能價格比不斷改進(jìn)，PIC逐步進(jìn)入了實(shí)用階段。迄今已有系列PIC產(chǎn)品問世，包括功率MOS智能開關(guān)，電源管理電路、半橋或全橋逆變器、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、三相無刷電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)單相斬波器、PWM專用PIC、線性集成穩(wěn)壓器、開關(guān)集成穩(wěn)壓器等。一些著名國際公司在功率集成技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，如德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、仙童半導(dǎo)體（Fairchild）、國際整流器（IR）、安森美（On-Semi）、PowerIntegration（PI）等世界著名的半導(dǎo)體公司，它們已將功率集成電路產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

　　近幾年隨著移動通信、數(shù)字消費(fèi)電子和計算機(jī)等產(chǎn)品制造業(yè)的強(qiáng)勁增長，以電壓調(diào)整器為代表的電源管理集成電路得到迅速發(fā)展。有人認(rèn)為功率集成電路重在高低壓兼容的功率集成（PowerIntegration），而電源管理集成電路重在功率管理（PowerManagement），故應(yīng)獨(dú)立于功率集成電路之外。筆者認(rèn)為功率集成電路即是進(jìn)行功率處理的集成電路，電源管理集成電路應(yīng)置于功率集成電路的范圍之內(nèi)。

　　SOI集成電路具有高速、高集成度、低功耗和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，SOI技術(shù)已成為先進(jìn)硅集成技術(shù)的主流技術(shù)之一。由于SOI具有易于隔離的特性，使其在功率半導(dǎo)體技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。日本東芝已利用SOI技術(shù)研制成功500V/1A的三相DC無刷馬達(dá)驅(qū)動電路并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，SOI高壓集成電路已廣泛用于等離子體顯示平板（PDP）驅(qū)動電路和高性能IGBT大功率模塊的柵驅(qū)動中。

　　BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技術(shù)是指將Bipolar模擬電路、CMOS邏輯電路和DMOS基高壓功率器件集成在同一塊芯片上的工藝集成技術(shù)，BCD已成為功率集成電路的主流工藝技術(shù)。<