广西大学商学院 广西南宁 530004
摘要：随着我国经济的不断发展和电子信息技术的普及，电力电子技术受到了社会各界的广泛关注，功率集成与电力半导体器件的完美结合，形成了有鲜明时代特征的电力电子技术，本文分析了功率半导体器件和功率集成技术的发展现状和前景。
关键词：功率半导体器件；功率集成技术；发展现状；展望
前 言：功率集成是电力电子技术应用的前沿领域。在功率集成电路的综合控制下，电力电子技术的效率得到了很大的提高，功率半导体在功率集成电路中的应用，大大提高功率集成系统的性能，有效降低工人的工作条件，集成系统，降低应用程序和应用程序的成本。
1 功率半导体器件及功率集成技术的发展趋势
1.1 电力半导体器件的发展趋势
功率半导体器件包括功率二极管、晶闸管、功率MOSFET、功率栅极双极晶体管和功率半导体器件宽禁带。（1）功率MOSFET应用领域广阔，广泛应用于中小型功率领域的主要功率半导体开关器件。功率MOSFET来自20世纪70年代的垂直V型槽MOSFET(VVMOS)。VVMOS发展基础上，MOSFET双垂直(VDMOS传导力量数MOSFET)，大大降低了开关的开关时间和损耗，冲破了电力电子系统中20 kHz这一长期被认为不可逾越的障碍。目前主要有平面型功率MOS器件、管道栅极和过功率MOS器件。电场和功率效应装置是一种多细胞自动机，其功率和温度系数为正，并联以获得更大的电流。为了降低功率信号的传导阻力，除了优化器件结构(或研究开发新结构)外，一种有效的方法是增加单位面积的细胞数，即增加细胞密度。因此，制造了高密度半导体和高性能关键技术。然而，对于传统的扁平VDMOS，元胞大小减小受到相邻VDMOS结构的元胞间效应的限制，这导致了低压低功耗功率槽栅MOSFET的快速发展，由于功率槽栅结构没有平面栅功固有的JFTS电阻，功率槽栅单元密度随着特征尺寸的减小快速提高。（2）电力绝缘栅双极型晶体管的优点是功率MOSFET和双极功率晶体管，具有更高的电流密度，更高的功率容量，开关频率和较双极型功率晶体管更高的开关频率、更宽的安全工作区.这些优势使IGBT在600 V以上中等电压范围内成为主流的功率半导体器件，且正逐渐向高压大电流领域发展，挤占传统SCR、GTO的市场份额。与设备的研发人员更好地理解物理，微电子技术的进步，对IGBT漂移区浓度和非平衡的所谓“集电极工程”表面电子浓度增强的“栅工程”，IGBT芯片嵌入流函数的二极管反向传导式IGBT(反向进行进展在IGBT，rc-igbt)，短路安全工作区和抽筋封装。瑞典ABB已经引入了一个新的RC-IGBT，基于新设备与电源模块的输出电流能力达到2250A/3300V。由于平坦的加固技术，载波控制技术和软穿透技术，IGBT在未来将继续精细图形，槽栅的结构，载体注入增强，薄片加工工艺发展，其中薄片加工工艺极具挑战(Infenion公司展示了其8英寸、40µm厚的IGBT芯片)。同时，电网应用如压力焊接式IGBT，更加集成化是IGBT的发展方向，如从低到高功率到RC-IGBT的发展。（3）宽禁带半导体器件(SiC和GaN)技术是一项具有极高军事和民用价值的战略性高科技技术。 它得到了国内外许多半导体公司和研究机构的广泛关注和深入研究，已成为世界新材料、微电子、光电子等领域的研究热点。近年来，随着SiC单晶生长技术的成熟和GaN异质结外延技术的不断成熟，宽禁带功率半导体器件的开发和使用得到了迅速发展。（4）电力半导体器件的开发。提高功率密度和减少损耗一直是功率半导体器件发展的重点，该工艺平台的持续优化和各种特定工艺技术的开发，包括深槽工艺、超薄圆片、背面扩散、多层连接技术等。属于宽禁带材料有二极管、MOSFET等宽禁带功率半导体器件，但原材料的缺陷密度仍需进一步降低。SiC工艺平台和GaN工艺平台(特别是硅基GaN工艺)已经成熟。Diamond也将是一个潜在的电力半导体材料。在这两者中间还有一种混合平台，严格地说该平台不是一种器件制造平台，而是一种功率模块制造平台，主要是用特殊封装技术制备宽禁带材料功率器件及硅基功率器件的集成功率模块，可以大幅提升功率模块的整体性能，目前最常见的应用是硅基IGBT和SiC二极管的集成模块，预计此种混合工艺平台在2035年前会一直被广泛使用。
1.2 功率集成技术的开发
（1）在二十世纪八十年代中期以前，集成电路的功率是双极工艺制成，主要应用领域是音频放大和电机控制，但随着对逻辑控制部分功能要求的不断提高，功耗和面积越来越大.对于双极工艺，由于工艺线面积的减小而产生的小芯片是非常有限的。及极低功耗CMOS器件和工艺线宽减小芯片可按比例减小，因此逻辑部分用CMOS电路来替代双极型电路成为必然，另外DMOS功率器件可以提供大功率且不需要直流驱动，在高速开关应用中具有优势。BCD(双极-CMOSDMOS)集成技术也应运而生，BCD集成过程就是将双极晶体管、低压CMOS器件、高压DMOS器件和电阻、电容等无源器件放在同一个技术平台上集成技术。BCD技术可以充分利用三种有源器件集成的优势:低噪声、高精度、高电流密度的双极器件等;CMOS器件集成度高，使用方便逻辑控制，低功耗;DMOS器件具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等优点，使BCD工艺在电源管理中得到广泛应用，如DC-DC变换器、LCD驱动、LED驱动、PDP显示驱动和全/半桥驱动等。系统电压、功率集成电路基于BCD工艺可分为三类:100 V以下，100∼300 V及300 V以上。100伏以下的产品种类最多，应用最广，包括dc-dc转换、LCD显示驱动、背光LED显示驱动等。100-300v产品主要有PDP显示驱动、100-200v电机驱动等。300多V产品主要有半桥/全桥驱动、交直流功率转换、高压照明、LED驱动等。BCD集成技术:1代，含线宽4µm，基于双极技术。BCD技术始于1980年代中期，第一代BCD电力设备的集成硅自对准门垂直VDMOS，同时还包括垂直和水平PNP、NPN型设备和CMOS设备等，主要设备部分如图1所示，(包括最小线宽为4µm，采用PN结隔离，基于双极技术的发展，最大工作电压60 V，100 V，250 V系列。主要用于电桥驱动和音频放大领域。BCD60技术制造的第一个商用产品是ST公司于1985年推出的输出电流高达1.5A的半桥式电机驱动芯片。性能优于同类型的双极性半桥驱动。
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图1第1代BCD集成工艺集成的器件示意图
（2）BCD集成技术:2代(含线宽1.2µm，集成EPROM/EEPROM.1992年，）集成了非易失性存储器包括可擦除可编程只读存储器，电可擦除可编程只读存储器的第2代BCD工艺开发成功，从而使得以系统为导向的功率集成电路成为现实.该工艺的最小线宽为1.2µm。集成CMOS逻辑器件、双极器件、电源器件和存储器件等第二代BCD工艺，先得到设计人员使用现有的CMOS工艺块库，EEPROM，实现了电源的可编程芯片。为了满足目前逻辑器件和功率器件的能力要求，该工艺采用三种不同厚度的金属层，顶部金属层较厚用于功率器件的互连，金属1、2层较薄，用于高密度CMOS器件的互连。这个流程平台对于同时需要小尺寸和低功耗的应用程序具有很大的优势。（3）5代BCD集成技术:线宽0.18µm，进入深亚微米，大大提高了集成性能。经过十几年的发展，BCD集成工艺完成了第3、第4代的开发，现第5代BCD集成工艺开发成功.过程是基于CMOS技术平台0.18µm，包含高密度SRAM、EEPROM和LDMOS 7-12v、20v 32v 40v，MOS器件有1.8 V和5 V，采用不同厚度的栅氧化层和浅槽STI(shallowtrench isolation)隔离，采用Cobalt salicide进一步降低器件接触电阻。使用水合钴进一步降低了仪器的接触强度。4-5层金属互连层，顶层金属为铜，利用氮化硅技术，提高了EEPROM的读写可靠性。采用3T结构提高了EEPROM的存储容量和集成。（4）6代BCD集成技术:线宽0.13µm，当前最先进的BCD工艺.100 V以下的应用要求BCD工艺线宽不断缩小，当前BCD工艺的最小线宽为0.13µm，基于SOI和体硅的0.13µm的第6代BCD现均已开发成功。先进的CMOS技术平台的应用系统集成、高性能存储模块(EPROM、EEPROM、Flash和SRAM)、降低表面金属互连的六个层次和日益复杂的过程。开发硅基板(包括0.13µm BCD技术)，用于低压、高频直流电源管理、音频功率放大、汽车电子、LED控制等。模块的设备的技术平台，器件包括5 V、6 V、18 V、25 V、40 V和60 V，以及硅衬底上5至18用P型。硅衬底上的扩展，25~60 V p型和N层时，隔离电阻、沟深V N通道40 LDMOSΩ。（5）BCD集成技术发展。BCD工艺在100v以下的应用中应用最广泛，也是Fab的 优先选择。这意味着更大的线路宽度，更低的能源消耗和更大的智能。100伏以上的BCD工艺不断优化和开发，以满足不同应用领域的需求，减少损耗，保证高可靠性。
2 未来技术发展的若干问题
2.1 功率半导体器件技术发展相关的几个问题
(1)IGBT或IGBT智能电源模块(IPM)的开发，具有高能效、高断路电压(3300~6500 V)、高电流密度、高可靠性。主要用电网、高铁、工业变频、舰船等频率降低策略领域的行业等。为优化器件设计的开关装置，使其能承受正常的通态压降，抵抗高压之间的关键特性参数的折衷。解决问题包括:提高收集器侧注效率的效率、EMI浓度控制、高效热IPM等，在制造槽栅、薄片等图形设备时，应予以紧急处理。（2）SiC功率半导体器件和全SiC功率模块的研制.由于SiC功率整流器结构相对简单，特别是SiC SBD器件已经比较成熟，笔者认为应优先向sci(包SBD JBS PiN)、耐压机制设计和快速分析，寻找快速跟进国外同类器件性能的有效途径，加快生产过程低反型层沟道迁移率栅氧可靠性，同时应加快工艺研究，为未来SiC MOSFET和IGBT器件发展打好基础，关键问题是薄栅氧工艺装置的可靠性。（3）半导体功率和功率模块及故障机制分析。随着功率半导体器件应用领域的不断扩大，以及功率半导体器件工作模式的特殊性，功率半导体器件需要具有高的可靠性。而功率半导体器件发展的模块化和系统化趋势也要求模块或系统具有高的可靠性。其关键问题在于设计的模块或系统具有良好的热系统、良好的绝缘性、良好的电流浪涌能力、良好的抗宇宙射线能力，可能的解决途径是:在宇宙射线强度内创新、优化器件结构的工艺制程，或采用新材料。
2.2 功率集成技术发展若干问题
（1）100 V集成BCD工艺加上小线宽，密度高，可靠性高，关键问题是:如何将亚微米CMOS工艺集成到无丝束压力机的电力平台中，同时实现高性能器件的高智能。当前BCD工艺的最小线宽已达到0.13µm，开始朝90 nm，65 nm发展，借助于先进的CMOS工艺平台，高性能功率器件及高度智能化成为电源管理等应用的BCD工艺所面临的一个挑战，采用如super junction的功率器件来降低功耗可能是一个不错的技术，与此同时还需要进一步集成高性能CPU、快速存储器等模块，实现高度智能化(PSoC)，主要应用于汽车电子BCD工艺、汽车电子在严格低温、湿度、振动和零故障环境中的应用。这使得HCL、SOA、HTRB等集成设备的可靠性相对较高达到了6层、集成设备类型的增多，越来越复杂，越来越便宜，性能保持不变的前提下，如何在保持性能不变的前提下降低成本是100 V以下的高密度BCD工艺面临的另一个挑战，复用性水平提升、工艺流程和设备的折中优化。（2）100-300 V的应用领域BCD集成技术主要是PDP驱动芯片和半桥驱动芯片，和它的整体发展趋势是小型化和高功率，SOI BCD工艺仍是未来一段时间内的主流工艺，采用更小尺寸是其发展的必然趋势，关键的问题是:在保证功率输出不受影响的前提下缩小芯片区域，但在电流密度达到IGBT的极限后，如果还有其他更好的结构或材料性能，是一个研究方向，另一个问题是，芯片散热问题，SOI材料的散热问题是当前可靠性研究的一个重点方向。此外，还有诸如高、低电压串扰、高温抗故障等问题，高温反偏(HTRB)失效等问题都是这一电压区间BCD工艺必须解决的关键技术问题。(3)300~1200 V高压高压BCD主工艺是交直流、高压LED驱动、桥式驱动和IPM模块市场，促使BCD技术向高压方向发展，关键问题是:高、低电压之间的隔离模块、桥式驱动电路高压侧水平转变驱动电压从0~600 V之间浮动，这需要完整的高和低侧电路之间的隔离，避免latch-up是外延工艺的高压BCD工艺需要解决的一个关键问题。隔震结构的高压互连导致隔震结构的压力下降，因此隔震结构需要创新。高压设备在高压BCD工艺一般作为最终输出功率水平，其能耗直接影响整个芯片的效率，大多数当前的过程采用双Resurf和场板技术满足电压电阻要求电力设备，如何在给定的耐压下降低高压器件的导通电阻，提高电流输出能力并降低功耗是高压BCD急需解决的问题 ，采用新型三维高压器件可能是一个很好的发展方向。
结束语：
从发展趋势看功率半导体器件和集成技术，功率半导体器件的研究提供更高效、更高的工作频率和较高的耐压力以及器件、更综合的技术，更智能、更可靠的功率半导体集成目前是主要的技术问题和研究热点。
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