半导体芯片是什么【节能减排的基础技术-功率半导体芯片】

　　摘要:功率半导体作为半导体行业的一个重要分支,大量应用于消费类电子、工业控制和国防装备,是节能减排的关键技术和基础技术。本文结合我国功率半导体市场需求,概要介绍了功率半导体发展的技术趋势以及面临的挑战和发展前景。同时根据我国功率半导体技术的发展现状,对未来我国功率半导体领域的发展方向和重点发展技术做了展望与建议。
　　关键词:节能;减排;功率半导体
　　
　　Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
　　
　　ZHANG Bo
　　(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
　　University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
　　
　　Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
　　Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
　　
　　1引言
　　
　　 功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
　　功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
　　随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
　　目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
　　
　　2需求分析
　　
　　消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
　　根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
　　在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
　　总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
　　
　　3功率半导体技术发展趋势
　　
　　四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
　　 从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
　　在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
　　 1) 功率半导体(分立)器件
　　 功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
　　在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
　　功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
　　
　　 2) 功率集成电路(PIC)
　　 功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
　　3)功率系统集成
　　功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
　　
　　4我国功率半导体发展现状、
　　问题及发展建议
　　在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
　　由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
　　笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
　　功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
　　设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
　　我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
　　
　　5结束语
　　
　　总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
　　我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
　　
　　作者简介
　　张波,电子科技大学教授,博士生导师。国家科技重大专项“高端芯片”实施专家组专家;国家自然科学基金委员会第十二届专家评审组专家;国家集成电路人才培养基地专家指导组专家。一直从事新型功率半导体器件与功率集成系统的研究,为境内外多家企业开发成功功率半导体器件和功率集成电路产品,销售过亿只。已申请国际国内专利50余项,在IEEE Electron Device Letters、IEEE Trans. Electron Device等学术刊物以及ISPSD、ICSICT等国际国内学术会议上发表SCI、EI收录论文150余篇。