半导体科学与技术-功率半导体器件的研究与发展.pdf

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1功率半导体器件与功率集成电路功率半导体器件与功率集成电路张波，李肇基电子科技大学微电子与固体电子学院，四川，成都，610054功率半导体器件（PowerSemiconductorDevices）在国内又常被称为电力电子器件，这是因为早期的功率半导体器件如大功率二极管、晶闸管等主要应用于工业和电力系统。

而随着以功率MOS器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展，目前以计算机、通讯、消费类产品和汽车电子为代表的4C市场占据了三分之二以上的功率半导体应用市场，功率管理集成电路（PowerManagementIC，也称为电源管理IC）成为目前功率半导体器件的热点与快速发展领域。

因此采用“功率半导体器件”这样一个术语较“电力电子器件”更准确并更具时代意义。

一、功率半导体器件的定义与发展简史一、功率半导体器件的定义与发展简史功率半导体器件可定义为进行功率处理的半导体器件。

典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。

图1给出了功率半导体器件的分类。

功率半导体器件包括功率（分立）器件（DiscretePowerDevices）和功率集成电路。

功率（分立）器件由功率二极管（Power功率半导体器件功率半导体器件功率（分立）器件功率集成电路功率（分立）器件功率集成电路功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率功率MOS器件绝缘栅双极晶体管器件绝缘栅双极晶体管IGBT功率双极晶体管功率双极晶体管功率开关器件功率半导体器件功率开关器件功率半导体器件功率（分立）器件功率集成电路功率（分立）器件功率集成电路功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率功率MOS器件绝缘栅双极晶体管器件绝缘栅双极晶体管IGBT功率双极晶体管功率双极晶体管功率开关器件功率开关器件图1功率半导体器件分类2Rectifiers）、功率晶体管（PowerTransistors）和晶闸管类器件（Thyristors）组成，其中常见的功率晶体管包括以VDMOS（VerticalDouble-DiffusionMOSFET）为代表的功率MOS器件（PowerMOSFETs）、绝缘栅双极晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistors）和功率双极晶体管（PowerBipolarTransistors或PowerBJT：

PowerBipolarJunctionTransistors）。

功率晶体管和晶闸管又可统称为功率开关器件（PowerSwitches）。

功率集成电路（PIC：

PowerIC）在国际上又常被称为智能功率集成电路（SPIC：

SmartPowerIC，国内又有人称之为灵巧功率集成电路）或高压集成电路（HVIC：

HighVoltageIC）。

从应用的角度出发，美国CREDITSUISSEFIRSTBOSTONCORPORATION将功率集成电路分为运动控制IC（MotionControlICs）、电源管理IC（PowerManagementICs）和智能功率IC（SmartPowerICs）三类。

其中运动控制IC主要用于电机设备的驱动和控制；电源管理IC主要用于电源的转换和调节；智能功率IC则是除上述两种应用之外，集功率晶体管、控制电路和保护电路于一体的功率集成电路。

二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器（SCR）和功率双极晶体管。

除功率双极晶体管中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外，其余的功率半导体器件都是低频器件，一般工作在几十至几百赫兹，少数可达几千赫兹。

然而，功率电路在更高频率下工作时将凸显许多优点，例如高效、节能、减小设备体积与重量，节约原材料等。

因此在二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”，即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。

这时传统的功率半导体器件如SCR和GTR（巨型晶体管或称为电力晶体管）等因速度慢、功耗大而不再适用，以VDMOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。

新一代功率半导体器件除具有高频（相对于传统功率器件而言）工作的特点外还都是电压控制器件，因而使驱动电路简单，逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向，在国际上被称为现代功率半导体器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。

3现代功率半导体器件的制造技术与超大规模集成电路一样都是以微细加工和MOS工艺为基础，因而为功率半导体的集成化、智能化和单片系统化提供了可能，进而促进了将功率半导体器件与其驱动和控制电路、过压、过流、过温等传感与保护电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。

1955年，Philips研究室的Lely首先在实验室用升华法成功制备了SiC单晶，SiC功率器件从二十世纪七十年代开始得到发展，得益于八十年代SiC单晶质量和制造工艺的改善，各种SiC功率器件在二十世纪九十年代得到快速发展，特别是九十年代后半期以来，伴随着SiC材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，以SiC器件为代表的宽带半导体器件与Si基功率器件共同成为目前功率半导体器件的重要发展领域1。

下面依据图1的分类，分别就各种功率半导体器件的发展做介绍。

二、功率半导体器件的研究与发展二、功率半导体器件的研究与发展1、功率二极管功率二极管功率二极管是功率半导体器件的重要分支。

目前商业化的功率二极管主要是PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管（SBD）2。

前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了电力电子系统向高频化方向发展。

具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2.5次方的矛盾关系，阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200伏以下的电压范围内。

为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，研究人员正在两个方向进行探索。

一是沿用成熟的硅基器件（超大规模集成电路）工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系，二是采用新材料研制功率二4极管。

在硅基功率二极管方面，结合PN结低导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频特性两者优点于一体的JBS3、MPS4、TMBS5、TMPS6等新器件正逐渐走向成熟。

此外，为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管，许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构如SSD7、SPEED8、SFD9、ESD10、BJD11等也不断出现。

美国北卡州立大学Q.Huang提出的MOS控制二极管（MOSControlledDiodeMCD），通过单片集成的MOSFET控制PiN二极管的注入效率，使MCD正向导通时既能有PiN二极管的大注入效应，在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态，从一个全新的角度提出了改善高压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法12。

随着VDSM（超深亚微米）工艺的发展，微处理器、通讯用二次电源等都需要低电压大电流功率变换器。

随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。

为使变换器效率达到90以上，传统的肖特基势垒整流器已不再适用，一种利用功率MOS器件低导通电阻特点的同步整流器（SynchronousRectifier）及同步整流技术应运而生13，低导通损耗功率MOS器件的迅速发展为高性能同步整流器奠定了强大的发展基础。

砷化镓（GaAs）肖特基势垒功率二极管虽然已经获得应用，但GaAs材料1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场，使得GaAs肖特基势垒功率二极管只能工作在600伏以下的电压范围内，远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。

碳化硅（SiC）材料以其宽禁带宽度（2.2-3.2eV）、高临界击穿电场（2-4106V/cm）、高饱和漂移速度（2107cm/s）、高热导率（4.9W/cm.K）、高硬度、强抗化学腐蚀性和可与Si相比较的迁移率特性而得到迅速发展。

随着SiC材料制备工艺和器件制造技术的不断完善，SiC功率器件成为目前发展最快的宽带半导体器件和功率半导体器件的研究热点。

在由美国海军资助的MURI项目中，普渡（Purdue）大学研制成功4.9kV的SiC肖特基势垒功率二极管，2004年美国Rutgers大学研制成功耐压为10.8kV、5比导通电阻为97m.cm2的SiC肖特基势垒功率二极管。

目前，商业化的SiC肖特基势垒功率二极管已经面市，Cree、IXYS、Microsemi和Infineon等许多厂商已经将SiC肖特基势垒功率二极管产品添加在其产品系列中。

Cree公司已有10A/600V和10A/1200V的SiC肖特基势垒功率二极管产品，并推出了用两个SiCSBD芯片并联封装的20A/1200VSiCSBD产品。

SiC基PiN二极管比Si基PiN二极管具有更高的阻断电压（10kV）和更高的开关速度（10倍）。

2000年5月，美国CREE公司与日本关西电力公司（KEPCO）联合研制成功世界上第一只超过12kV的SiC二极管，其正向压降仅为4.9V，目前，CREE与KEPCO研制的SiC二极管耐压已高达19.2kV,电流密度为100A/cm2时其正向压降为7.5V。

在2006年的ISPSD（InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs）会议上，Cree公司报道了在1.5cm1.5cm的4H-SiC芯片上，单管输出电流达180A的4.5kVPiN二极管14。

2、半导体功率开关器件半导体功率开关器件?

双极型器件双极型器件在半导体功率开关器件中，晶闸管（Thyristor,也可称为可控硅-SCR）是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流额定值达到8kA，电压额定值可达12kV。

国外目前已能在100mm直径的硅片上工业化生产8kV/4kA的晶闸管。

晶闸管改变了整流管“不可控”的整流特性，为方便地调节输出电压提供了条件。

但其控制极（门极）仅有控制晶闸管导通的作用，不能使业已导通的晶闸管恢复阻断状态，只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。

在整流电路中，交流电源的负半周自然会关断晶闸管，但在直6流电路中，要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行，这给应用带来很大麻烦。

一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管门极关断晶闸管GTO（GateTurn-Off）在这种情况下应运而生并得到迅速发展，目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典ABB等多家厂商能在6英寸硅片上生产6kV/6kA，频率1kHz的GTO，研制水平已达8kV/8kA。

但GTO仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的di/dt和dV/dt，小的安全工作区（SafeOperatingAreaSOA），以及在工作时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路等缺点。

针对GTO的上述缺陷，在充分发挥GTO高压大电流下单芯片工作和低导通损耗特点的基础上，多种MOS栅控制且具有硬关断（HardSwitching）能力的新型大功率半导体器件在上世纪九十年代相继问世并陆续走向市场。

所谓硬关断晶闸管即是在关断时能在一个很短的时间内（如1s）完成全部阳极电流向门（栅）极的转移，此时的晶闸管关断变成了一个pnp晶体管关断模式，因而无需设置庞大、笨重且昂贵的吸收电路。

硬关断晶闸管的代表性产品