当前位置： 绝缘栅 >> 绝缘栅优势 >> 新能源的心脏功率半导体的技术演进史
随着全球能源变革的不断深化，风、光等可再生能源发电的需求越来越高，构建以电能为中心，以电网为纽带，以电力电子设备为基础的能源系统是能源产业变革的方向。
电力电子技术为能源系统变革安全性和可控性提供保障，在电能发-输-配-用的各个环节发挥关键价值。功率半导体是电力系统中调节电路电压、电流、频率、相位等指标的核心零部件，未来市场需求也将迎来爆发式增长。
据日经亚洲评论昨日报道，包括尚未确认的订单在内，年1-3月英飞凌积压的订单金额从去年四季度的亿欧元增长了19.4%至亿欧元（约为人民币2,亿元）。其中，超过五成是汽车相关产品，75%的订单在未来12个月内才能交货，积压订单远超出英飞凌的交付能力。
英飞凌作为全球第一大功率半导体供应商，其挤压订单一方面折射出下游市场需求强劲，另一方面也反映出功率半导体行业的技术壁垒极高。功率半导体的市场空间巨大，叠加国产替代的推动，未来存在巨大的投资机遇。
本文将从功率半导体的技术原理、发展历史、技术跃迁等方面进行介绍，为了说明功率半导体应当遵循渐进式的发展规律，同时功率半导体更适合IDM发展模式，除了设计之外，制造、封装和测试环节对产品可靠性也同样具有决定性的影响。
一、功率半导体简介功率半导体，是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，其作用主包括整流、功率放大、功率开关、线路保护等，是电力电子设备的“心脏”。
图：功率半导体分类
功率半导体器件主要有功率模组、功率IC和分立器件三大类；功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等电路集成；
功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；
分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。
功率半导体分立器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以MOSFET和IGBT为代表的第二阶段，现在正在进入宽紧带半导体器件为核心的材料创新阶段。图：功率分立器件的代表二、功率半导体技术演进逻辑（一）二极管简介图：二极管分类1.整流二极管图：结构最简单的二极管注：耗尽层，中性状态下，基本没有载流子运动，所以不导电；整流二极管由最简单的P-N型半导体组成，正向导通，反向不不导通，因此具有整流作用。关于功率半导体，其技术迭代的核心指标包括但不限于以下几点：（1）正向导通时的电压又称为导通压降或正向通态压降，导通压降越低其导通损耗越小。一般情况下，导通压降和正向电流以及温度有关。通常硅二极管，电流越大，压降越大；温度越高，压降越小。但是碳化硅二极管却是温度越高，压降越大。
（2）在正向和反向电压变换时，存在反向恢复时间的概念（trr）。trr反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间，trr直接关联的是频率，即trr越小，可适用的频率就越高，反之亦然。正偏的PN结，在外电场的作用下：P区空穴向N区扩散，扩散的过程中与电子复合，刚扩散过来的空穴不能马上与电子复合，浓度较高，接着逐渐变低，反之N区电子向P区扩散，于是空穴在N区积累，电子在P区积累的现象就叫电荷存储效应。此时加反向电压，N区空穴和P区电子在电场的作用下移动形成电流，反向恢复过程说白了就是少子消失的过程，空穴在N区时少子，电子在P区也是少子，反向恢复过程是少子导电造成的。（3）反向击穿电压对二极管施加反向电压时，当反向电压达到一定程度时，会出现雪崩效应。当反向电压达到一定程度后，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。当载流子的浓度增大到一定程度后，耗尽层就实现导通，也就是反向击穿。反向击穿后，二极管将失去单方向导电性。所以，反向击穿电压越高，也就意味着工作区间及功率范围越大。2.快恢复二极管（FSD）图：快恢复二极管的结构与整流二极管结构不同，FSD在普通的PN结之间加了一个i基区，代指轻掺杂的半导体区，也就是上图的漂移区。上述结构下，FSD较普通的整流二极管有以下优点：反向恢复时间大幅降低：低掺杂的基区，反向恢复电荷很少，所以快恢复二极管的trr大幅降低；
通态电压降低：低掺杂的基区，其所需的通态电压降低；
反向击穿电压更高，通过加入低掺杂的N-，使得耗尽层的宽度增加，反向击穿电压与耗尽层宽度成正比。
3.肖特基二极管（SBD）图：肖特基二极管的结构SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的，是一种热载流子二极管。肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。
SBD工作原理：
因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运动。
随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B→A。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。
当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。
SBD不涉及N型、P型载流子的结合，不存在电荷存储问题，所以反向恢复时间更短。SBD正向导通电压更低，但反向耐压很低（很容易被反向击穿）。
（二）晶闸管
图：晶闸管结构
与二极管不同，晶闸管包含三端双向可控硅开关，由三个PN结组成。晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路。晶闸管的门极G（控制级）和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
1.晶闸管的工作原理：
当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压，控制电路中开关S闭合，使控制极也加正向电压，晶闸管导通。当晶闸管导通后，将控制极上的电压去掉（即将开关S断开），白炽灯依然亮；说明一旦晶闸管导通后，控制极就失去控制作用。
当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压，不管控制极加不加电压，灯都不亮，此时晶闸管截止。如果控制极加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。
2.晶闸管的发展历史：
年开发了全球首个用于功率转换和控制的可控硅整流器（SCR），具有体积小、重量轻、效率高、寿命长的优势，尤其是SCR能以微小的电流控制较大的功率，令半导体电力电子器件成功从弱电控制领域进入了强电控制领域、大功率控制领域。
但晶闸管本身存在两个制约其继续发展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，普通的晶闸管属于半控型器件；二是因为此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难以提高，限制了其应用范围。
半控型器件在直流供电场合，要实现关断必须另加电感、电容和其他辅助开关器件组成强迫换流电路，这样造成的缺点是：变流装置整机体积增大，重量增加、效率降低，并且工作频率一般低于Hz。
年代末，随着可关断晶闸管（GTO）日趋成熟，成功克服了普通晶闸管的缺陷，标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控型器件。
处于通态时，若在门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。由于不需要外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流实现关断，所以在直流电源供电的DC-DC/DC-AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
上述设置可以极大地简化电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。GTO也是目前应用最为广泛的晶闸管。
（三）晶体管
晶体管是一种固体半导体器件，包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，有时特指双极型器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。
1.MOSFET
图：MOSFET结构示意图
MOSFET由P极、N极、G栅极（控制级）、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至特定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。
因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加特定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。
图：MOSFET导通示意图
MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源。通过脉宽调制，MOSFET可以完成变频等功能。假设一个器件前1秒输入电压为V，后1秒MOSFET关断，这2秒内相当于持续输入50V的等效电压，这就是脉宽调制的原理。通过控制MOSFET导通关断可以改变电压和频率。
功率MOSFET的问世打开了高频应用的大门，驱动电路简单、驱动功率小，开关速度快，高频特性好，最高工作频率可达1MHz以上，适用于开关电源和高频感应加热等高频场合，且安全工作区广，没有二次击穿问题，耐破坏性强。
功率MOSFET缺点是在高压环境下压降很高（高压环境下电流变大，导致压降增大），随着电压上升电阻变大，传导损耗很高，不适宜大功率装置。目前MOSFET主要应用于电压低于0V，功率从几瓦到数千瓦的场合，广泛应用于充电器、适配器、电机控制、PC电源、通信电源、新能源发电、UPS、充电桩等场合。
2.IGBT
图：IGBT结构示意图
IGBT又称绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体。IGBT兼具MOS和BJT的优点，导通原理与MOSFET类似，都是通过电压驱动进行导通。
图：IGBT的导通示意图
上图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
在IGBT得到大力发展之前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是，在V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等缺陷。
IGBT在克服了MOSFET缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。IGBT开关速度低于MOSFET，却明显高于GTO；IGBT的通态压降同GTO接近，但比MOSFET低很多；IGBT的电流、电压等级与GTO接近，比功率MOSFET高。
（四）应用领域
图：功率半导体应用领域
三、IGBT技术演进历史
图：IGBT分类
（一）IGBT性能指标
什么样的IGBT更好？
A.饱和压降Vce（sat）越低越好；
B.开关损耗越低越好；
C.短路耐受能力更强；
D.反向关断更柔软，尤其是对于大功率的场景；
图：性能优异的IGBT特性
图：如何设计高性能的IGBT
来源：英飞凌
提高MOS通道宽度，可带来饱和压降的降低，但也会导致开关损耗增加；同时，MOS通道宽度增加，也会导致短路耐受时间降低；所以好的IGBT设计其中一个关键问题就是如何寻求合适的MOS通道宽度。
（二）IGBT结构发展历史
1.平面型与沟槽型的区别
图：平面型和沟槽型的结构对比
注：上述蓝色箭头代表电子流向，红色代表空穴流向；
（1）沟槽型IGBT相比于平面型IGBT，能在不增加关断损耗的前提下，大幅度地降低导通压降，主要原因如下：
1）消除JFET效应，沟槽栅结构与平面栅极结构的主要区别在于，当IGBT开通时，P型发射区的反型沟道是垂直的而不是水平的。
图：平面型及沟槽型IGBT中反型沟道示意图
在平面栅IGBT中，正向导通时，P阱与n-漂移区形成的PN结处于轻微的反向偏置状态，因而会形成有一定宽度的空间电荷区，它挤占了一定的空间，因此电流只能从一个相对较窄的空间流过，增大了电流通路上的阻抗。
而沟槽型IGBT，因为沟道垂直，消灭了JFET区域，因而整个电流通路上阻抗更低。
2）沟道密度增加，相比于平面栅极IGBT，沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度，降低沟道电阻。
（2）但沟槽型设计也存在以下难点
1）挖出表面光滑的槽壁技术难度大
一般沟槽栅IGBT的沟槽宽度仅有1~2um，而深度要达到4、5um甚至更深。在硅表面挖槽靠的是酸腐蚀的方法，精确控制沟槽的宽度和深度是一件很有难度的事情。
同时，沟槽壁要尽可能的光滑与少缺陷，因为不光滑的表面会影响击穿电压，降低生产成品率。而且，沟槽底部的倒角也要做得非常圆润，否则电场会在这里集中，严重影响耐压。由此可见沟槽IGBT比平面IGBT工艺难度要高得多。
2）较宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流
沟槽型IGBT沟道密度高，它在降低沟道电阻的同时，相应的缺点就是会提高短路电流。最不利的情况就是，短路电流可能会很大，以至于非常短时间内就损坏IGBT。为了使得IGBT具有10μs的短路能力（给定的测试条件下），需要非常小心的设计沟道宽度及相邻的元胞，比如增大元胞的间距，使单个晶元上有效元胞的数量减少。
另外一种方法是不要把所有的栅极接到公共栅极，而是把一些单元的栅极和发射极直接短路。后者称为插入合并单元工艺。通过上述工艺，能够降低沟道密度，从而降低短路电流，增强器件短路能力。
2.未来IGBT技术发展方向
图：以英飞凌为代表来看IGBT技术演进历史
来源：英飞凌
由上图可知，英飞凌IGBT第三、四代的技术在引入沟槽设计之后，导通损耗和封装尺寸都得到了极大的优化。
（1）IGBT4，目前应用最广泛的技术
IGBT4电压包含V、1V、V，电流从10A到3A，各种应用中都可以见到它的身影。
IGBT4核心特征：沟槽栅+场截止+薄晶圆，和IGBT3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但IGBT4优化了背面结构，漂移区厚度更薄，背面P发射极及N-buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。
IGBT4通过使用薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高。同时，最高允许工作结温从第3代的℃提高到了℃，进一步增加器件的输出电流能力。
（2）过渡技术的IGBT5和6
IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的产品，别的芯片表面金属化都用的铝，而IGBT使用厚铜代替了铝，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。
图：IGBT5封装技术
来源：英飞凌
IGBT6虽然和4代之间隔了个5，但6其实是4的优化版本，依然是沟槽栅+场截止，IGBT6目前只在单管中有应用。IGBT6结构和IGBT4类似，但是优化了背面P+注入，从而得到了新的折衷曲线。
5和6较4代结构上改动不大，性能也未出现大幅改善。
图：英飞凌IGBT技术演变历史
来源：英飞凌
（3）未来全新的英飞凌IGBT7
IGBT经数代，厚积薄发，年终于迎来了万众瞩目的IGBT7。
IGBT7特征：微沟槽栅+场截止，IGBT7沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能。
IGBT7Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可实现最高℃的暂态工作结温。
同时IGBT7在12英寸晶圆上制造，成本比IGBT4更低。
图：英飞凌IGBT7的性能提升
来源：英飞凌
（三）IGBT材料发展历史
按照衬底材料的不同，功率半导体包括Si材料和以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料。SiC具有更宽的禁带宽度以及更高的击穿电场、热导率和电子饱和速率及更好的抗辐照能力，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率半导体器件。
1.SiC特性
图：SiC材料特性
来源：英飞凌
（1）击穿电压与通态电阻
击穿电压是功率器件的一个重要指标。功率开关器件的正向电压承受能力与其漂移区的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料击穿电场强度的立方成反比。
因为4H-SiC有10倍于Si的击穿电场强度，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显著降低了正向压降以及导通损耗。
（2）开关频率
使用SiC代替Si，其电子饱和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的工作频率。
（3）热特性
SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达摄氏度。如果能够突破材料及封装的温度瓶颈，则功率器件的工作温度将会提升到一个全新的高度。
SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。
2.SiC应用挑战
SiC能作为功率器件原材料的原因之一是，它能借用硅器件的许多著名概念和工艺技术，其中包括基本的器件设计，如垂直型肖特基二极管或垂直型功率MOSFET（对JFET和BJT进行一些改进后获得的替代结构）。
但材料结构不同还是会带来产品性能上的差异，例如SiC-SiO2界面电荷密度大大高于Si-SiO2，受此影响，SiCMOSFET的沟道电子等效迁移率远低于体电子迁移率。为了获得合理的通态电阻，一般驱动SiCMOSFET会选择更高的门极电压，而使用更高的门极电压将会增加栅氧化层的电应力，从而对器件的长期可靠性造成不良影响。
为了解决这些困扰，一方面SiC衬底处理、外延生长和制备工艺等方面的进展将会大大降低缺陷密度；另一方面器件结构方面的改进也有助于降低栅极驱动电压，延长器件寿命，比如英飞凌CoolSiCTMMOSFET采用的沟槽栅结构，在SiC晶体的C-面形成导电沟道。在这个晶面上，缺陷较少，界面电荷密度较低，因而允许更高的电子迁移率，从而使得器件可以采用与硅基IGBT及MOSFET相当的驱动电压，约15V。
除了上述可靠性问题之外，目前对于SiC功率器件成本较高；主要由于SiC功率器件生产出低缺陷密度的单晶十分困难，因SiC衬底晶体生长需要2,度的温度下进行，需要H2保护气氛下，用SiH4和CH4或C3H8作为反应气体，其生长速率一般每小时只有几微米，且仍存在SiC衬底中的晶体缺陷扩展到外延层的问题，因为SiC晶片成本特别是高质量大面积的SiC晶片成本远高于Si晶片。
总结
从二极管到晶闸管再到晶体管，功率半导体技术不断迭代，结构设计更复杂，同时能够适用更多的场景。对于功率半导体技术的演进，可以概括为结构创新和材料创新。
结构创新包括PN结的不断叠加、平面结构到沟槽结构、封装技术的改变等，每一次创新都是在上一代产品的基础上进行改良，二极管并没有直接跃迁至晶体管，而是经过晶闸管的过渡，IGBT也是结合了MOS管和BJT管的结构创新。
材料创新的周期较结构创新更长，难度也更大。以IGBT为例，SiC能作为功率器件原材料的原因之一是，它能借用硅器件的许多著名概念和工艺技术，其中包括基本的器件设计，因此用于验证硅器件长期稳定性的许多方法可以直接用到SiC上。但SiC在材料性能上较Si存在差异，也会导致需要增加一些额外的可靠性测试，这需要功率半导体企业花费长时间的验证与测试。
功率半导体的创新不会一蹴而就，从结构设计和材料创新方面都会经过长期的研发和产品迭代，不断提高Know-How。跨越式的产品创新设计，在制造工艺和可靠性验证方面又会存在障碍。
从国产替代进程来看，也可以得出相同的结论，国内功率半导体厂商最近几年通过并购整合取得了不错的发展，但在高端产品领域依然无法撼动国外厂商的地位，有些存在技术性能缺陷，有些存在寿命和可靠性问题。
国内IGBT研发厂商代表：
从IGBT的应用电压来看，汽车主要是V到1V之间，这个区间里英飞凌具有压倒性优势，安森美虽然在V-1V领域也有市场，但主要是非车载领域。三菱和富士电机瓜分了日本市场，丰田混动所用的IGBT全部内部完成，有自己完整的IGBT生产供应链。
国内目前能够实现量产的IGBT产品,主要对标英飞凌第四代产品，其中比亚迪年量产的比亚迪IGBT4.0对标英飞凌2.5代产品，比亚迪年末量产的IGBT5.0才采用沟槽设计，对标英飞凌第四代产品，但目前市场导入还处于初期。
除比亚迪自产自用外，目前国内量产的IGBT产品主要还是应用在A00级乘用车（单管并联）和商用车上，大功率产品寿命无法达到车规级认证，通态电压和开关损耗都高于英飞凌同类产品，导致效率较低。
图：国内主要功率器件企业与英飞凌对比
来源：公开资料整理
此外，由于功率半导体集成度较低，所以更加注重单管工艺。为了确保工艺部门和产品部门的研发合作，以及产品可靠性验证，功率半导体更适合采用IDM模式。尤其是车用功率半导体，整车厂对车规级产品的验证要求非常苛刻。
从产品布局维度，功率半导体遵循从家电、工业、新能源再到电动车逐步跃迁的路径，产品的性能和可靠性需要通过不断的迭代测试进行改进。
恒山观点：
功率半导体国产替代之路依然很漫长，国内目前已经量产的产品与国际巨头依然存在代差。在低端产品竞争日趋激烈、高端产品研发周期漫长的过程中，功率半导体需要更加长线的资本投入。
同时国内功率半导体创业公司的在制定发展战略时，也应当认清现状，SiC市场的推广依然需要很长的时间，第7代IGBT在制造工艺、可靠性测试方面依然存在较高的技术壁垒。
从目前的市场需求来看，高端产品供不应求，高可靠性、低成本的中低端功率器件依然存在市场机遇，眼下量产导入客户才是最重要的。对于创业公司来说，可能更适合差异化竞争，找准海外巨头的产品缺口，通过为客户提供定制化解决方案，在能够有效控制成本的前提下，不断积累自身的Know-How和迭代经验。
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