简述大功率半导体技术现状及其进展

黄兴

身份证号码：500107198610261211

摘要：在硅技术领域，芯片尺寸不断缩小，而晶圆尺寸不断增大，推动了半导体技术快速发展。文章针对大功率半导体技术进行探究，从功率半导体的功能和发展历程、大功率半导体技术的应用现状、未来发展趋势3个方面进行分析，以供同行参考。

关键词：半导体；功能；应用现状；发展趋势

经过多年发展，大功率半导体行业开发出多种硅基功率器件，既有单极型器件，也有复合型器件。功率半导体器件的发展，主要是为了增大功率容量、降低损耗，并提高能源转换效率[1]。如今，功率半导体器件的阻断能力和损耗情况，基本达到了硅基材料的物理极限，在此背景下，以碳化硅、氮化镓为代表的新一代半导体材料，成为未来研究重点。

1．功率半导体的功能和发展历程

1.1 功率半导体的功能

功率半导体分为两大类：一类是功率器件，例如二极管、晶体管、晶闸管等；另一类是功率IC，例如AD/DC、电源管理IC、驱动IC等。功率半导体的功能主要是电能转换和电路控制，可改变电子装置中的电压、频率、直流或交流。在理想条件下，转化器开启时不会造成电压损失，开闭转换时不会造成功能损耗，因此功率半导体技术的创新，本质是为了提高能量转化效率。

1.2 功率半导体器件的发展历程

功率半导体器件，最早起源于1947年的锗基双极型晶体管（BJT），利用较小的输入电流，对集电极、发射极之间的电压和电流进行控制。因锗基BJT的热稳定性差，后来逐渐被硅基BJT代替[2]。20世纪80年代初期，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世，原理是利用电压控制MOSFET，为BJT提供基极电流，实现高输入阻抗、低导通损耗的目标。截止目前，共研发出7代IGBT，结构和性能比较见表1。20世纪90年代，注入增强栅晶体管（IEGT）研发成功，它的结构和IGBT类似，优点是集电极-发射极电压较高的情况下，能减小导通压降。进入21世纪，碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带（WBG）器件开始研发，在高温、高压、高频领域的适用性更好。

表1：7代IGBT的结构和性能比较

MOS+体结构	芯片面积（%）	工艺线宽（μm）	饱和压降（V）	关断时间（μs）	功能损耗（%）
平面+穿通	100	5.0	3.0	0.5	100
改进平面+穿通	56	5.0	2.8	0.3	74
沟槽+穿通	40	3.0	2.0	0.25	51
平面+非穿通	31	1.0	1.5	0.25	39
平面+场截止	27	0.5	1.3	0.19	33
沟槽+场截止	24	0.5	1.0	0.15	29
微沟槽+场截止	20	0.3	0.8	0.12	25

2．大功率半导体技术的应用现状

2.1 高压直流输电

2006年，我国实施特高压直流输电战略，为了满足战略需求，国家电网开始研发高压直流输电晶闸管。研发团队采用铝杂质源转移扩散法，优化杂质分布，突破了多项关键技术，成功研制出6英寸4000 A/8000 V高压晶闸管。后经过技术更新和工程验证，为1100 kV特高压直流输电工程研制出6英寸5000 A/8500 V晶闸管，并在多个工程中得到应用，在这个领域实现了全球领先[3]。

随着新能源的利用和并网，以及柔性直流输电技术的发展，对大功率半导体器件又提出新要求，即具有自主关断能力。为此，研发团队引入多种新技术，对IGBT设计进行改进，不仅提升了芯片的性能，而且开发出焊接型、高功率密度的IGBT模块，在智能电网中得到应用。

2.2 轨道交通牵引

我国高铁建设阶段，需要高压IGBT支持交流传动技术，对此采用自主研发和并购创新两条路线，均获得良好的发展成果。例如：基于第4代DMOS+IGBT，研制出1500 A/3300 V高功率密度IGBT模块，在“和谐号”列车的牵引变流器中得到推广应用。在200 mm晶圆工艺技术平台上，研制出多种高性能的IGBT模块，其性能和国外同类产品接近，能满足“复兴号”列车的使用需求。

近年来，轨道交通向着绿色、环保、智能的方向发展，为满足新一代牵引变流器的使用，研制出450 A/3300 V半桥型混合碳化硅模块、750 A/3300 V半桥型全碳化硅模块，为轨道交通的健康发展提供了技术支持。

2.3 电动汽车

电动汽车在能量传输中，要适应高温、高湿、强烈振动、电磁干扰等工况条件。为降低芯片损耗，精细沟槽和薄片技术成为主要发展方向，以嵌入式发射极沟槽IGBT为例，其通态损耗降低15%，栅极电阻对开关损耗的调控作用更强[4]。电动汽车和电动大巴车，主流功能器件分别是750 V和1200 V，得益于快充技术发展，功率器件的阻断电压逐渐增高至1200 V，这对功率器件的封装带来新的挑战。

具体来看，车规级功率器件在封装时面临的问题有：模块低感结构设计、高温封装、高散热效率封装等。为了满足高温运行条件，平面封装+双面散热模块，在未来具有良好的前景。国内目前已经研制出标准封装、单面水冷封装、双面散热封装等产品，能满足不同功率等级电机控制器的使用要求，并且通过了相关考核验证，进入应用推广环节。

3．大功率半导体技术的未来发展趋势

3.1 制造精细化

得益于精细沟槽技术的发展，元胞尺寸缩小，芯片金属化填孔和互连方面存在工艺瓶颈，传统热铝溅射工艺不再适用。对此，钨金属在高温下具有良好的导电性、流动性，成为一个技术解决方案[5]。另外，薄片技术能减小芯片损耗，但工艺操作上有难度。采用氢质子注入技术，通过控制退火时间和温度，氢质子浓度能形成高斯分布，得到缓冲梯度。

3.2 器件高频化

碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带材料，相比于硅材料的工作频率更高、开关损耗更小，是功率器件高频化的重要发展方向。不过，这些材料的缺陷密度高、制造效率低，兼顾成本和可靠性，成为急需解决的问题。使用WBG材料的功率器件，开关频率不断提高，促使电力系统向高压、高功率密度、小型化转变。与此同时，也对功率器件的高速驱动、过压保护、并联均流、电磁干扰防护等方面提出高要求，要对封装结构进行改进，才能保证器件的可靠性。

3.3 功能智能化

功率半导体的智能化，体现在芯片和封装层面的传感监测技术上。IGBT和FRD单芯片集成，其封装结构更为简单；在IGBT芯片上集成电流传感器、温度传感器，可获取温度和电流信号，监测芯片的运行状态。在未来，集成更多的传感功能，开发出集成驱动保护芯片单元，可对关键参数进行实时监测，从而满足智能化使用需求。

4．结语

综上所述，功率半导体器件在历代研发中，芯片体型不断缩小，功能损耗不断降低。文章介绍了大功率半导体技术在高压直流输电、轨道交通牵引、电动汽车三个领域的应用现状，未来向着制造精细化、器件高频化、功能智能化的趋势发展。通过大功率半导体技术的创新，推动电气化革命，助力双碳目标的实现。

参考文献：

[1] 蔡永香.第3代半导体产业发展现状、特点及建议[J].新材料产业,2021(5):2-6.

[2] 葛海波,夏昊天,孙冰冰.碳化硅半导体技术及产业发展现状[J].集成电路应用,2019,36(12):16-17.

[3] 赵金霞.β-Ga_2O_3材料在半导体技术领域的应用现状[J].微纳电子技术,2018,55(12):870-877,916.

[4] 彭强.半导体技术发展过程中的基本研究分析[J].电子制作,2018(Z2):140-141.

[5] 刘国友,罗海辉,张鸿鑫,等.基于全铜工艺的750 A/6500 V高性能IGBT模块[J].电工技术学报,2020,35(21):4501-4510.