本文根據(jù)電子科技大學張波教授《功率半導體技術》公開課聽寫整理而成，對IGBT等器件、GaN等材料及BCD工藝進行了詳細闡述。了解更多半導體及半導體封裝相關內容，敬請關注本周六晚八點CEIA天空沙龍直播課，中美頂尖專家震撼開講，不容錯過！
大家好，下面由我來介紹節(jié)能減排的關鍵技術，功率半導體技術。本節(jié)課分為以下三個方面的內容，第一方面是功率半導體器件的定義，第二部分功率半導體的技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，第三部分是我們國家功率半導體的情況。
首先我們來看什么是功率半導體？功率半導體我們可以定義成進行功率管理的半導體器件。那么何為功率管理？包括功率的放大、電能的管理、電壓的變化也就是升壓和降壓，電流的變化和頻率的變化。功率半導體器件包括功率二極管、功率晶體管和功率集成電路。目前功率半導體的技術已經從分立器件、集成電路向系統(tǒng)應用在發(fā)展，PMU已經廣泛應用到SOC里面，在我們可預見的將來，電能一直是人類消耗的最大能源。
無論是我們用的手機、電視機、洗衣機、冰箱，或者是你乘坐的高鐵，都離不開電能。以冰箱為例，現(xiàn)在的冰箱最好的冰箱是變頻冰箱，為什么是變頻冰箱？因為壓縮機的控制不是傳統(tǒng)的0和1的開和關，而是根據(jù)溫度的變化進行變速的調節(jié)，這樣就可以使得溫度的范圍控制得更加精確，噪音變得很小，讓人體感覺更加舒適。變頻冰箱的核心就是變頻電機，變頻電機就是靠開關電源來進行驅動的。
那么我們開關電源的核心就是我們后面要講到的我們的功率半導體器件IGBT，以列車來舉例，我們都知道瓦特發(fā)明的是蒸汽機，通過燒煤、靠蒸汽來驅動火車的運行，現(xiàn)在是高鐵，高速列車是電力機車，每一節(jié)高速列車車廂都要100個左右的IGBT模塊來進行驅動。飛機原來是耗燃油，現(xiàn)在飛機的一個發(fā)展方向是多電飛機MEA。從船來講，也是全電船也是艦船的發(fā)展方向。因此我們可以看到這些東西都是越來越依賴于功率半導體器件。
根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計，在2009年到2030年間，全球電能的消耗量將翻倍，這樣的增加不僅是在發(fā)達國家，并且也是在發(fā)展中國家。無論是水電、核電、熱電、風電或者是我們手機用的化學電池，絕大部分電池不可能直接給用戶使用，因為設備不可能直接用這種電能，75%以上的電能必須經過功率半導體進行變換以后，才能夠給用戶使用，才能夠供設備使用。有人說，我手機用的電池不是直接可以用到我的手機里面嗎？對吧，但是我們都知道，電池的電量是要發(fā)生變化的，對我們元器件的電壓的變化來講是要精確的，這邊也必須要用到我們的功率管理的一個單元。
這樣變化的一個目的、用功率半導體從粗電到精電變化的目的，就是高效、節(jié)能、環(huán)保和方便，這是我們整個功率半導體它的目的。
從功率半導體的發(fā)展歷程來講，傳統(tǒng)的功率半導體主要包括功率二極管、功率晶體管、晶閘管這樣三類器件。傳統(tǒng)的功率半導體主要是工業(yè)應用這樣一個領域。
從上世紀80年代，利用超大規(guī)模集成電路的工藝、功率MOSFET走入市場以來，整個功率半導體的器件走進現(xiàn)代功率半導體新的時代?，F(xiàn)在功率MOS器件，絕緣柵雙極型晶體管IGBT、集成換流柵晶閘管IGCT以及功率IC得到了迅速的發(fā)展。
也正是由于現(xiàn)代功率半導體器件的發(fā)展，使得功率半導體的應用范圍得到了迅速的擴大。從傳統(tǒng)的工業(yè)應用向4C（Communication、Computer、Consumer和Car，就是我們講通信、計算機、消費類電子和汽車電子4C等領域來進行擴展。并且目前功率半導體的熱點和新的發(fā)展方向，包括新能源、光伏發(fā)電、風電、軌道交通，剛才我們講的，高鐵或者是重載的列車牽引等等，以及EV、HEV就是純動力和混合動力汽車和智能電網，這些是我們現(xiàn)在功率半導體新的一個發(fā)展的熱點。
如果把CPU、DSP和Memory存儲器當成人的大腦來看的話，那么我們的功率半導體就相當于是人類的心臟和肌肉，它是給我們的系統(tǒng)提供電能和強大的驅動能力。
我們來看看功率半導體在整個半導體市場到底有多大的一個份額。根據(jù)國際權威數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，在2011年整個功率半導體占據(jù)了310.8億美元的市場，到2013年，達到了322億美元，到2016年將達到387億美元。我們知道全球半導體領域，在2013年大概是3000億美元的市場份額，功率半導體在整個半導體的市場里面占據(jù)了大約11%的份額，肯定來講集成電路是主流，相當于一個人來講，像英國偉大的一個科學家霍金，他肌肉萎縮了，被禁錮在輪椅上不能動，他的大腦對人類的貢獻使他仍然成為有史以來最偉大的科學家。
因此我們雖然講我們功率半導體是非常非常重要的，但是并不是說它就是最重要的了，它一定是跟別的一個器件，包括集成電路、傳感器等等來整個來構成儀器設備的整體。由于節(jié)能環(huán)保不斷發(fā)展的要求，得到人類的重視。然后功率半導體的發(fā)展現(xiàn)在是越來越快。
據(jù)國際權威機構的統(tǒng)計，到2020年，全球功率半導體的市場份額將達到650億美元。
下面來看第二部分，功率半導體技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。首先我們來看功率半導體的分類，我們把功率半導體分成兩類，一類是功率半導體的分立器件，一類是功率集成電路。功率集成電路里面根據(jù)功率半導體的定義，我們也把電源管理集成電路這是很大的一類，也在功率集成電路的范疇之內。
功率分立器件主要包括這樣三部分，一個是功率整流器和功率二極管，一個是功率晶體管，還有一個是晶閘管。
這里是我們整個功率半導體的市場份額。從這個市場份額里面我們可以看到，晶閘管占據(jù)了功率半導體2%的市場份額，雙極型晶體管占據(jù)了5%的市場份額，二極管占據(jù)了9%，IGBT占據(jù)了10%,單個最大的是功率MOS器件，占據(jù)了21%，另外還有半壁江山就是功率集成電路，占據(jù)了全球功率半導體53%的市場份額。
下面我們分別來看，第一個晶閘管，剛才我們講到，雖然晶閘管只占據(jù)了我們全球功率半導體2%的市場份額，但是功率晶閘管是整個功率半導體器件中，電壓最高、電流容量最大的器件，單個晶閘管擊穿電壓可以達到了12000V，單個器件的電流可以達到1萬安。
晶閘管的發(fā)展歷程是從半控、全控和低壓控制的過程發(fā)展，最早的晶閘管我們通常稱為叫可控硅，這種器件我們稱為叫不可控器件，或者稱為叫半控器件，柵信號只能控制它的開啟，不能控制它的關斷，因此我們稱為叫半控或者叫不可控器件。這類器件主要用在交流上，通過強迫的換流來使器件關斷，在80年代，從可控硅發(fā)展到GTO，GTO我們稱為叫柵可關斷的晶閘管，就是說柵可以關斷它了。
通過柵電流的輸入開啟它，柵電流的抽出關斷它，但這類器件仍然是電流控制器件。在集成電路中提供一個電壓的level是非常容易的，但要提供一個大電流是很難的，理想的器件，我們希望是電場控制的器件，或者是壓控器件。因此在上世紀90年代中后期，從歐洲開始就推出了一種,我們稱為集成換流柵晶閘管IGCT,這種器件的典型代表是瑞典的ABB和日本的三菱公司。我們國家的株洲南車在這個領域里面也做了很多工作。
第二類是功率雙極型晶體管，這類器件曾經是我們功率半導體器件的主流器件，從20世紀50年代開始，從鍺管到硅管，一直到20世紀80年代得到了迅速發(fā)展。但20世紀80年代以后基本上就成熟了，因此它的市場份額不斷被功率MOS器件和IGBT所取代，現(xiàn)在大概只占5%左右的市場份額。但是雙極型晶體管由于它結構的特殊性，現(xiàn)在是在另一類叫SiC寬禁帶半導體里得到了迅速發(fā)展，包括Fairchild、美國的JDsenk等，都推出了SiC雙極型晶體管的器件。
第三類，就是在市場份額里面只占據(jù)了9%的二極管。二極管我們都知道，在高中物理學過，是非常簡單的一類器件，但是這類器件是非常重要的，是功率電子學里面必不可少的器件。
傳統(tǒng)市場上的功率二極管主要包括兩類，一類稱為功率PIN二極管，一類稱為功率肖特基勢壘二極管，這兩類各有其優(yōu)缺點。PIN二極管稱為雙極載流子器件，也就是說兩種載流子，電子和空穴同時參與導電，這樣的器件有高壓大電流的特性，這是它的好處。但是高壓大電流的特性是由它的雙極載流子的輸運特性獲得的。
雙極載流子輸運特性是雙刃劍，導通的時候可以使得器件的導通損耗迅速地降低，但關斷的時候必須要把這些過剩的載流子抽走，就使得PIN二極管在高頻工作中受到了限制，它有個反向恢復特性，限制了我們整個功率電子裝置往高頻發(fā)展。
另外一類是功率肖特基勢壘二極管，這類器件是多數(shù)載流子器件，開關頻率可以做得很高，但是多數(shù)載流子器件使得電壓做不高，一般來講都是200V以下，并且肖特基勢壘結。
從半導體物理可以知道，它是種熱電子發(fā)射器件，也就是說它的溫度特性不行，它的擊穿特性是軟的，也限制了它在高壓器件的應用和在一些需要低漏電的應用，為了滿足整個功率電子系統(tǒng)向高頻、向高效發(fā)展，從二極管來講，主要從兩個方面來進行變化，來進行發(fā)展。一種是采用新的機理、新的結構，還是利用傳統(tǒng)硅的工藝來做，但是采用新的機理和新的結構。
另外一類則采用新的材料，因為我們都知道，一代材料、一代器件、一代系統(tǒng)，這樣一種發(fā)展，新的機理和新的結構我們把它歸納成兩類，都是一個根本點，要依賴于超大規(guī)模集成電路的工藝，通過借用超大規(guī)模集成電路工藝來改善二極管的特性。一類融合了PIN二極管和肖特基勢壘二極管各自的優(yōu)點，形成包括JBS、MPS、TMPS、TMBS、QSpeed等一系列新型的功率二極管。
舉個例子，這是美國Vishay公司推出的TMBS結構，從陽極結構里面可以看到，它完全顛覆了傳統(tǒng)PIN的概念，它有了圖形，完全不是PIN二極管的P+向i區(qū)的大量的注入，通過圖形進行控制。現(xiàn)在呢從45V到200V，Vishay已經推出了系列的產品。
另外一類，它是通過優(yōu)化載流子的輸入和抽出，優(yōu)化PIN二極管載流子的濃度分布，傳統(tǒng)的PIN二極管稱為粗放型，陽極向漂移區(qū)的注入是不加控制的，這樣就導致了 它的特性不是很優(yōu)化。因此，通過優(yōu)化載流子的注入跟抽出，來形成系列的結構，這樣的結構被廣泛用在了比如IGBT這樣的束流里面。這類器件的典型代表包括，比如說英飛凌的EmCon、富士電機的SAS FWD、ABB的SPT+等這樣的系列結構。
這就是富士電機的淺陽極結的二極管的結構圖。我們可以看到，它的陽極有圖形，陽極的載流子注入的時候，通過一個淺陽極結，控制載流子的注入效率。
下面我們介紹功率半導體里面單個來講最大的一類器件，就是功率MOSFET，那么我們從圖中可以看到，功率MOSFET占據(jù)了功率半導體21%的市場份額。
根據(jù)國際權威機構的統(tǒng)計，功率MOSFET大概的市場份額是在65億美元。
這是功率MOS器件的結構圖。我們都學過MOSFET的結構，MOSFET的結構里面跟我們講的功率MOS的結構有什么差異呢？MOSFET的結構，它的源極跟漏極都做在表面，這個MOS的結構，它的漏極做在下面。MOS器件是集成電路基本單元。無論講CMOS、一個NMOS、PMOS都是由MOS構成的，傳統(tǒng)的MOS，柵、源、漏都是在表面，通過柵的溝道反型來連通源和漏。
但是在我們的功率MOS器件里，漏是在它的下端，垂直結構，這樣的好處就是可以充分利用硅片的面積，使器件具有高壓大電流的特性。功率MOS器件為什么能夠成為全球最大的、單一的功率半導體器件呢？因為它具有電壓控制、大的安全工作區(qū)、可以高頻工作、頻率可以高到GHz上，并且它是負溫度系數(shù)，可以多個并聯(lián)在一起工作，由于這樣的優(yōu)勢，使功率MOS器件得到了迅速發(fā)展。
現(xiàn)在功率MOS器件有三種結構，一種叫VDMOS，或者稱為平面功率MOS器件，一種叫槽柵MOS器件，還有一種是現(xiàn)在迅速發(fā)展的，稱作超級結（Super Junction）功率MOS器件，下面分別簡單地給大家做一個介紹。
VDMOS稱為垂直雙擴散功率MOS器件，這是功率MOS器件早期到現(xiàn)在廣泛被應用的，不同的廠家從4到9張板不等，根據(jù)器件的應用的設計來考慮。
在低壓功率MOS器件里面，廣泛應用的就是槽柵功率MOS器件，這種功率MOS器件的一個好處。就是可以把溝道的密度做得很大，就是說，在同樣的面積下，可以做更多的單元，功率MOSFET都是靠多個單元并聯(lián)工作，來降低器件的導通損耗，那么溝道的密度提升，有助于它降低器件的導通損耗。
但是低壓功率MOS器件是我們用得最多的，我們的手機、電腦都大量在應用，主要用在DCDC，電壓的一個變換里面。那么在DCDC電壓變換的時候，這時候關注的不僅僅是器件的導通損耗，還關注器件的開關損耗，也就是說關注器件的柵電容和柵電荷，而Trench MOSFET呢，由于溝道密度的提升，使得它的柵電容和柵電荷增加，那么怎么來進行優(yōu)化呢，器件的一個優(yōu)值，就是從傳統(tǒng)的只考慮器件的導通電阻RON變成了，要關心器件的柵電荷和導通電阻，因此它的優(yōu)值就變成了RON乘以QG，導通電阻乘上柵電荷。
為了改善器件的優(yōu)值，許多新的結構被提出，比如說Narrow Trench就把Trench做得很窄，來降低柵電容，還有這一種厚底部氧化層的槽柵結構，還有W型的槽柵結構都被廣泛應用。那么最近呢，另外一種新的結構被提出，大大地改善了器件的優(yōu)值，稱為分離柵或者叫屏蔽柵的結構。就把整個的Trench柵分成兩部分，下面的部分和源極相接，來屏蔽整個柵電荷的影響。2007年美國的TI用了LDMOS就是橫向MOS器件的高頻特性，利用了電荷平衡的特性，推出了NexFET器件，這種器件也得到了比較好的應用，在2010年日本的瑞薩和歐洲的NXP把超級結結構用在低壓器件里面，也獲得了一個很好的優(yōu)值。
這張圖是西門子給出來的，當年的西門子半導體，現(xiàn)在的英飛凌在1998年的時候，推出來一種稱為CoolMOS的這樣一種結構，這種結構就是基于超級結的結構，也就是整個漂移區(qū)，不再是原來傳統(tǒng)的單一導電類型的漂移區(qū)，而是通過N+ P+N+P+這種相互交疊的結構，我們稱為超級結的一種結構，來形成了新型的功率MOS器件。這種器件推出來的時候，同樣一個600V的器件，它的導通電阻就比傳統(tǒng)的降低了5倍，這一推出就引起了世界的轟動，被譽為是功率MOS器件里程碑的結構，這個結構跟我們電子科大有密切的關系，這種結構的三個專利之一，國際公認的其中一個專利就是我們陳星弼院士的專利。
這樣的器件現(xiàn)在有兩種制造方法，第一種就是最早英飛凌采用的多次外延的一種辦法，外延、注入、外延、注入這種循環(huán)，做4到6次，來形成超級結結構。
另外一種方法，就是東芝在2005年推出的稱為DeepTrench的一種辦法，通過刻槽、填充、注入這樣的一種辦法，來形成超級結的結構，我們通過跟華虹NEC合作，在2010年也在國內第一次研制出了超級結器件的商品化器件，這樣的平臺 是我們跟華虹合作的，是全球第一家8寸的超級結的代工平臺。
目前全球已有二十幾家企業(yè)，在這個平臺上在生產產品，超級結由于低的導通損耗，那么這種器件現(xiàn)在得到了廣泛的應用，并且呢，預測它的發(fā)展趨勢是非?？斓?，是以13%的增長率在增長，在2016年，超級結器件將占據(jù)八億九千萬美元的市場份額。
這里我們給出了整個功率MOS器件的發(fā)展示意圖。從最早的平面柵器件到槽柵器件，來降低器件的導通損耗，從單一地只是降低器件的導通損耗，到同時降低器件的導通損耗和柵電荷。
那么，進一步地發(fā)展呢，也許還有新的材料 比如說氮化鎵等等，除了器件結構的改善以外，工藝上也在不斷地去改善功率MOS器件的特性。
這是2011年全球第一個用12寸晶圓來制造的功率MOSFET，這是英飛凌在奧地利采用的，同時，從功率MOS的厚度來講也在不斷地降低，傳統(tǒng)是需要200μm功率MOSFET硅片的厚度。那么現(xiàn)在呢，最小可以降低到兩個mil也就是說40到50個μ。同時呢，從封裝技術來講，也在不斷地改進，不斷完善整個功率MOS器件的特性。
下面我們來看另一類功率半導體器件，這一類現(xiàn)在是發(fā)展得非常迅速的一類，稱為絕緣柵雙極型晶體管 IGBT。
這是2011年9月27號，美國的奧巴馬總統(tǒng)向北卡州立大學的Baliga頒發(fā)了美國的技術發(fā)明獎，當年的技術發(fā)明獎只有5個，頒發(fā)給Baliga，是因為Baliga當年在GE作為R&D的Director的時候，他當時帶領團隊對IGBT的商業(yè)化發(fā)展做出了巨大的貢獻。由此我們可以看到，這樣一類器件的重要性，一個無關輕重的器件，它是不可能獲得美國的技術發(fā)明獎的，這是美國的情況。
我們來看中國，2009年6月，時任總理溫家寶到株洲南車去參觀的時候，專門指示要勇克IGBT這樣的國家核心關鍵技術，為什么？因為我們的動車大量地需要IGBT，如果我們全部依賴國外的進口，一旦國外卡我們，所有高鐵將趴窩，因此我們必須要發(fā)展自己的IGBT。2013年9月，副總理馬凱去杭州士蘭微調研的時候，問杭州士蘭微的董事長陳向東先生，你們的IGBT現(xiàn)在做得怎么樣了？也就是說，現(xiàn)在IGBT能夠進入國家領導人的思考，就說明IGBT是非常重要的一種核心器件，因為IGBT的應用范圍非常之廣泛。
從UPS到風電、到光伏發(fā)電，到軌道交通，到我們日常的消費類，也就是說變頻家電，以及純電動或混合動力汽車、馬達驅動、工業(yè)控制等，都是我們IGBT的應用領域，IGBT現(xiàn)在的產品，從370V一直到6500V，這樣的一個系列的產品，涵蓋的范圍非常廣泛，IGBT是一個非常重要的器件。
它的發(fā)展來講，在20世紀80年代，早期的功率半導體器件，雙極型晶體管。它的功耗如果以百來看的話，在1985年首先推出第一代IGBT，它的功耗降到了70，到現(xiàn)在第六代IGBT，它的功耗只有了24，功耗在不斷地降低，靠的是什么？靠的是技術的進步。
那么IGBT主要從三個方面在不斷地發(fā)展，一種稱為襯底工程，就是說從穿通型向非穿通型，像現(xiàn)在的場阻IGBT叫Field Stop進行發(fā)展。另外一類呢，就是Ｇａｔｅ柵工程，從平面柵向Trench柵，并且是越來越細的線寬。第三部分，就是載流子的優(yōu)化工程，整個漂移區(qū)的載流子濃度來進行優(yōu)化，比較先進的一種辦法，采用的是載流子注入增強效應。
從后邊結構里面，可以看出，使得整個IGBT的厚度大大降低，它的導通損耗大大降低，采用這樣的一個場阻層，使得IGBT漂移區(qū)厚度降低了。
那么帶來的一個挑戰(zhàn)就是薄片工藝，要在已經失去了機械支撐能力的薄片上，還要進行背面的一個注入，這就是對工藝的一個挑戰(zhàn)。
在2011年功率半導體的奧林匹克會議ISPSD（國際功率半導體器件和功率集成電路年會）上，英飛凌采用8寸硅片做的IGBT，已經到達了40個μ，做得非常薄。
這是三菱的第五代跟第六代的IGBT結構圖，從這個圖里面我們就可以看到，許多先進的工藝已經被用到了現(xiàn)在IGBT的產品里面，包括它的CS載流子層出層結構，這就是用了載流子濃度的一個優(yōu)化，更細的線寬，虛擬的槽柵，這實際上就是載流子注入增強效應的應用和場阻結構等等。許多新的技術已經用到了我們IGBT的產品里面，使得IGBT的性能得到了不斷的改善。
前面我們講了晶閘管，雙極型晶體管，二極管，MOSFET，IGBT，這些是用硅器件來進行制造的，那么人們就在想，下一個功率半導體器件往什么方向發(fā)展呢？是不是下一代該進入SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）這樣的時代了？為什么要這樣講呢？
我們來看看，這是全球前20家功率半導體生產廠家，他們是不是在關注這樣兩個新的器件，全球前20家功率半導體生產廠商中１9家都在開展SiC或者是GaN，或者同時在開展SiC和GaN的研發(fā)。
為什么人們這樣關注SiC和GaN器件呢？這是因為SiC和GaN是寬禁帶半導體的一個典型代表。我們都知道，Si的禁帶寬度是1.12eV，SiC和GaN呢。分別可以達到3.26和3.39個eV，我們稱為寬禁帶，這樣兩類器件。
禁帶寬度寬的一個好處，就是說它可以耐高溫，因為價帶的電子不容易躍遷到導帶，并且它的漏電流也比較小，同時呢，這樣兩類器件飽和速度還比較高，是Si的兩倍，更為重要的是它的臨界擊穿電場可以達到Si的十倍以上，這個特性是非常重要的，意味著在同樣的厚度下，它的耐壓可以大大提升。
另外 SiC器件它的熱導率還非常高，因此SiC器件非常適合做高溫大電流的器件，這是寬禁帶半導體和Si器件的一個比較?？梢钥吹綄捊麕О雽w比Si導通損耗降低到一百倍以下，工作溫度呢？以SiC為例呢？可以是3倍于Si的溫度，擊穿電壓呢，可以達到Si的十倍以上。也正是由于這樣的一些優(yōu)秀的材料特性，使得現(xiàn)在寬禁帶半導體，以SiC 、GaN為代表的器件，得到了迅速的發(fā)展，這是SiC器件發(fā)展的一個大事記。
從2001年第一個SiC肖特基勢壘二極管推向市場以后，各種各樣的SiC器件得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)在已經有6英寸的SiC器件的量產。
這張圖展示得更加詳細，我們可以看到，從肖特基勢壘二極管MESFET、BJT、JFET，MOSFET都有產品問世，并且人們也在開展PIN二極管和IGBT以及晶閘管等器件研發(fā)。
2013年10月在日本舉行的ICSCRM，這是一個SiC基的功率半導體器件的一個會議。不光是美國的CREE公司，這家公司在SiC領域里面是做得非常好的一家公司，還包括了另外眾多公司，都在積極地推出了6英寸的SiC硅片，為什么關注6英寸的SiC的硅片呢，這是因為SiC發(fā)展的過程中間，最大的問題就是成本太高，價格太高就限制了SiC產品的應用。
因此，如果我們能用，更大尺寸的SiC襯底做SiC器件，有望使得SiC的成本降低，使得SiC的整個產品，它的市場份額增加，那么吸引更多的人來進入這個行業(yè)，使得這個行業(yè)得到迅速發(fā)展。
那么，另外一個非常重要的事情就是，在2014年的1月15號，美國奧巴馬總統(tǒng)到北卡州立大學，宣布了美國政府要投資1億4千萬美元，建立下一代的功率電子的研究機構，主要開展以SiC為核心器件的、下一代的功率電子學的研發(fā)，這又使得SiC得到了世人的關注。那么這個事情的一個倡導者，就是我們電子科技大學的校友黃勤博士，這張圖是擊穿電壓和導通電阻的一個關系曲線。
從這張圖上可以看出，GaN有著最好的擊穿電壓跟比導通電阻的優(yōu)化關系，這是因為GaN不光禁帶寬度比較寬。
另外它還有一個非常重要的特點，就是它能夠形成異質結，形成一個高電子遷移率的晶體管HEMT，這就使得GaN器件得到了人類的關注。
同時，GaN材料和LED用的材料也是一樣的，GaN材料同時用到了LED上，LED這樣一個大產業(yè)的發(fā)展，使得GaN材料的制造設備、GaN材料的生產工藝等都得到了迅速的發(fā)展。也就是說這兩個行業(yè)可以相互進行借鑒，進行融合，這就使得GaN的發(fā)展速度得到了加快，還有一個非常重要的因素。
GaN可以生長在Si基襯底上，以前GaN器件都是生長在SiC或者是藍寶石這樣的晶體材料上，這樣的襯底材料是非常昂貴的，雖然它的性能很好，但是襯底材料的昂貴。限制了GaN器件的應用，硅材料我們都知道，這是人類投入了上萬萬億的，這樣的一個資金發(fā)展的大產業(yè)。如果能夠在硅襯底上跟硅工藝兼容，那么給人的想象空間就非常之大。硅基上的GaN，現(xiàn)在得到了人們的高度重視。
在2011年5月26日，歐洲微電子中心IMEC，推出了一個在8寸上以SiCMOS工藝兼容的硅基GaN的工藝平臺。這就是GaN發(fā)展的一個大事記。GaN比SiC發(fā)展得要晚一些。
2010年才第一個推出了GaN的器件，這是由美國IR公司推出的。隨后呢 美國的EPC公司也推出了從20V到200V的，GaN的晶體管，最近呢，又推出了600V的GaN的晶體管，全球各種各樣的行業(yè)，都在進入GaN電力電子器件里面，就看中GaN功率半導體器件的發(fā)展，包括原來傳統(tǒng)研究Si的公司，在往GaN發(fā)展。
原來研究三、五族化合物半導體公司，也在研究GaN，以前做LED的，也在往GaN功率半導體發(fā)展，還有很多新的進入者等等。
GaN成為現(xiàn)在功率半導體的研究熱點，有些公司推出GaN的一個Road Map。
下面我們來看占據(jù)了功率半導體半壁河山的功率集成電路。功率集成電路通常是一種模擬電路，或者是數(shù)?；旌霞呻娐?，它既需要功率管理，也需要功率的控制。這個時候，用標準的CMOS工藝來做，就受到限制。為此，功率集成電路的一個主流工藝，稱為BCD工藝。
這個平臺上集成了三種工藝，一種是有著很好模擬特性的BiPolar雙極工藝，同時呢，它也集成了集成度最高的容易進行邏輯控制的CMOS工藝，還集成了容易進行高壓大電流處理的DMOS工藝。這種工藝是最復雜的，我們稱為BCD工藝。
BCD工藝按照Fairchild也就是飛兆半導體的分法，它分了三類，一類，稱為高壓BCD工藝，主要是電壓耐壓可以到達1200V，重點在耐壓上。第二類，稱為高功率BCD工藝，電壓不是很高，但是，可以處理安培級的電流，是一個比較大的功率。第三類，就是高密度BCD工藝，這一類，在便攜式設備，例如我們的手機、平板電腦的電源管理上，有廣泛的應用市場，高密度的BCD 電壓不是很高。但是 跟CMOS兼容性非常之好，密度可以做得很高。
這是歐洲意法半導體，能夠提供的BCD工藝的工藝平臺。我們可以看到，它的工藝線寬從0.32μm一直到90nm，包括了低壓到高壓，也包括了硅基和SOI，這是另外一家公司，臺灣的聯(lián)電，這是一家著名的Foundry廠，提出來的BCD工藝。
在這個工藝里面我們可以看到，從0.1μm一直到0.5μm，不同的線寬，不同的耐壓，從12V一直到800V。它有利用硅的外延材料來制作，也有利用硅的單晶材料來制作，各種BCD的工藝平臺得到發(fā)展，不光是用硅基制作。同時，用SOI的工藝來發(fā)展汽車電子。
這樣的BCD工藝，前飛利浦，現(xiàn)在的恩智浦公司，也推出了這一系列的高壓的BCD工藝平臺，也正是由于這樣的各種豐富的BCD工藝平臺的發(fā)展，使得功率集成電路得到了迅速的發(fā)展，占據(jù)了整個功率半導體的半壁河山。
下面我們來看整個功率半導體的發(fā)展趨勢，我用2012年ISPSD會議上日本Hiromichi Ohashi教授給出的這樣一張圖，這張圖借鑒了半導體的發(fā)展路線圖，ITRS路線圖里面的一個畫法，整個功率半導體的發(fā)展，首先是More Silicon，基于硅技術的技術，還要不斷發(fā)展 還要不斷去完善IGBT，完善MOSFET，采用更大的硅片，更薄的硅片，利用CMOS工藝，來做更多的功率集成電路，集成更多的功率器件，發(fā)展AC Switch交流的開關器件。
在SOI上制作功率集成電路，利用硅的工藝來繼續(xù)發(fā)展，繼續(xù)完善功率半導體器件，這是一個方向。同時Beyond Silicon，就是硅以外，我們還要發(fā)展新的材料，包括SiC、GaN、金剛石，以及異質外延的材料，比如說硅基GaN，也是屬于這種異質外延的材料，用新的材料去發(fā)展新的功率半導體器件。
另外一個方向呢，就是More Than Silicon，更多的是瞄準了各種功能的集成，包括功率IC里面，包括功率模塊里面的發(fā)展，這就要發(fā)展包括互聯(lián)的材料、磁性材料、介質材料，它的冷卻，它的封裝，它的傳感以及整個功率IC的控制等等。最終呢，我們是希望給人類提供滿足用戶需求的功率電子學產品。
下面我們來講第三部分，中國的功率半導體技術，我們國家是全球最大的功率半導體市場，占據(jù)了全球50%以上的市場份額，但是我們從全球前10家功率半導體的供應商，或者是前10家功率分離器件和模塊的供應商來看，沒有一家我們國家的企業(yè)。
我們放寬到全球前20家來看，也找不到任何一家我們國家自己的企業(yè)，這是一個很遺憾的事情，但是，這個遺憾現(xiàn)在正在被打破。
中國由于有大的功率半導體市場，和中國的整個半導體行業(yè)的不斷發(fā)展，使得現(xiàn)在中國的功率半導體，引起了全球的高度關注，中國的功率半導體也得到了迅速發(fā)展。近十年來，我們不光能夠生產功率MOSFET，我們也能夠生產超級結的功率MOSFET。也就是說，從槽柵、平面柵到超級結，我們中國都能夠自己提供自己的產品。
另外一類IGBT ，IGBT在前幾年完全被國外所壟斷，最近幾年，在國家的政策和國家科技重大專項的支持下，我們IGBT終于有了自己的芯片，南車北車也推出了功率IGBT的模塊，我們的地鐵，我們的動車上，都用上了我們自己的IGBT，BCD高壓集成電路的工藝也是如此。
我們傳統(tǒng)的高壓BCD工藝，從最早的24所的4寸、58所的5寸、到BCD工藝的6寸 這些都是從IDM，也就是說自己的垂直集成的企業(yè)，現(xiàn)在已經發(fā)展到華潤上華的6寸、上海先進的8寸、華虹宏力的8寸，代工廠都具有了這樣的一個能力，代工廠具有了這樣的一些先進的BCD工藝以后，就為更多的設計公司提供了平臺，能夠促進我們國家整個功率半導體的發(fā)展。
前面我們是從企業(yè)來講，我們從學術上來講，在2013年日本舉行的功率半導體界的頂級學術會議ISPSD上。不包括中國臺灣和中國香港，中國內陸就投稿了20篇，并列全球第三。如果我們加上中國臺灣和中國香港，我們中國的投稿數(shù)就達到了38篇，位居全球第一。也正是由于中國功率半導體，這樣的學術研究的不斷發(fā)展，這樣的學術研究的不斷發(fā)展。2015年的ISPSD會議將在香港召開，因此，我們期望大家一起努力，使得我們整個中國的功率半導體不斷發(fā)展，最終走向世界的前列，今天的分享就到這里，謝謝大家。
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