二、功率半导体技术与产业发展趋势

功率半导体技术与产业将沿着两个维度并融合发展，一个是器件性能的不能提升（More Devices），另一个是基于系统性能提升来发展功率半导体器件（More Than Device），两个方向融合发展，以给用户提供满足系统需求的高性能、高性价比的功率半导体产品为发展目的。功率半导体技术与产业发展趋势如图2所示。

在器件性能提升方向，包括进一步挖掘硅基功率半导体器件潜力的More Silicon和大力发展宽禁带功率半导体器件的Beyond Silicon两个方向，下面分别进行介绍。

（一）More Silicon

功率半导体业界将进一步挖掘硅基功率半导体器件潜力，以进一步发展硅基功率半导体器件，主要从器件结构、器件工艺和更多的功能集成方面发展功率半导体器件。

硅基功率半导体器件，无论是功率MOSFET、IGBT、晶闸管还是功率二极管，均将进一步发展。

以功率MOSFET为例，目前功率MOSFET产品主要有三种结构状态：平面型功率MOSFET（也称之为VDMOS）、槽栅型功率MOSFET（Trench MOSFET）和超结功率MOSFET（Super Junction MOSFET）。平面型功率MOSFET从20世纪70年代后期开始发展，是早期功率MOSFET的主力结构，目前仍占有一定市场，且电压范围扩展到超高压。2012年美国IXYS公司推出1500V系列的高压平面MOSFET，目前最高耐压已经上升到4700V。

超结功率MOSFET被誉为“功率MOS器件的里程碑”，它采用超结作为器件耐压层，将功率MOSFET击穿电压与比导通电阻之间2.5次方关系降为1.32次方，极大地降低了器件损耗。超结是基于电荷平衡思想，电荷不平衡会导致器件耐压降低。在以往的超结理论中，通常假设耐压层全耗尽，但最近笔者所带领的研究团队通过深究多维场调制机理，实现复杂电荷场全域调控，发现耐压层局部非全耗尽条件下器件可实现更低比导通电阻，从而提出了超结器件的非全耗尽耐压模式，将超结结构击穿电压与比导通电阻之间的关系进一步降为1.03次方，获得超结功率MOSFET设计新关系。超结功率MOSFET经过二十余年的发展，导通损耗不断降低。德国英飞凌公司的C7系列已经将比导通电阻做到8mΩ·mm2左右，上海华虹宏力通过采用创新工艺与结构，进一步将超结功率MOSFET比导通电阻降低到6.5mΩ·mm2左右。功率MOSFET市场也不断扩大，2021年市场销售首次超过100亿美元，达到113.2亿美元（数据来源于芯谋研究），为单一最大的功率半导体器件产品。

在功率半导体器件工艺方面，将向更大硅片、薄片工艺、更细线宽和更多功能集成等方向发展。

更大硅片：2011年，德国英飞凌公司率先采用12in[1]硅片生产功率MOSFET，2019年，美国AOS公司在重庆采用其12in工艺线也生产出700V功率MOSFET。目前，12in生产线已成为生产功率MOSFET的主流工艺。2018年，德国英飞凌公司率先采用12in硅片生产IGBT。目前，包括上海华虹宏力等企业也开始采用12in硅片生产IGBT。如果扩展到功率集成电路领域，采用12in生产线制造功率半导体器件的历史更为长远。2009年，美国德州仪器公司获得奇梦达的12in工厂，就开始致力于用12in硅片生产包括功率集成电路在内的模拟芯片。

薄片工艺：传统的功率半导体器件为保持硅片的机械支撑，即使低压功率MOSFET的硅片厚度也往往厚达200μm以上。为降低器件损耗，德国英飞凌公司在2011年率先采用50μm的薄片工艺生产功率MOSFET。在2011年的ISPSD（International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）会议上，德国英飞凌公司展示了其采用8in工艺、厚度只有40μm的逆导型IGBT（RC-IGBT）。目前，薄片工艺已经被广泛应用于功率MOSFET、IGBT等功率半导体产品的制造中。

更细线宽：更细线宽不仅有益于先进集成电路工艺产品性能，在功率半导体产品中，更细线宽也是发展方向。早在2012年的ISPSD会议上，日本的Omura教授就发表了“Scaling Rule for Shallow Trench IGBT toward CMOS Process Compatibility”这篇文章，指出了更细线宽对功率半导体器件性能提升的优势，德国英飞凌公司的第七代IGBT（TRENCHSTOPTM IGBT 7）已经将元胞尺寸降低到1.6μm，上海华虹宏力的第八代IGBT正向1μm元胞尺寸发展。在功率集成电路所采用的主流BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺平台上，台积电（TSMC）已经将线宽缩减到22nm，90nm-65nm BCD工艺平台已被众多企业推出。

更多功能集成：BCD就是将双极性晶体管、低压CMOS器件和DMOS基高压功率半导体器件及电阻、电容等无源器件集成在同一块芯片上的工艺集成技术，是功率集成电路的主流工艺技术。在BCD工艺技术上，不仅在向更细线宽发展，也向更多功能集成发展，包括更高可靠性的SOI基BCD工艺。台积电的40ULPBCD+工艺就是在其40nm超低功耗平台基础上发展的BCD工艺，内嵌了阻变式存储器（RRAM）工艺模块。RC-IGBT是另一种功能集成，将IGBT与快恢复二极管单芯片集成，极大地降低了器件面积，目前RC-IGBT已从600V向3300V、6500V发展。更多集成不只是单芯片集成，还包括封装集成，以智能功率模块（IPM）与IPEM（Integrated Power Electronics Modules）为代表的封装集成技术已得到迅速发展，并将随着先进三维封装技术而不断拓展应用范围。

（二）Beyond Silicon

以SiC、GaN为代表的宽禁带功率半导体器件（国内也称之为第三代半导体器件）在新能源汽车和快充充电器的市场牵引下得到快速发展，以氧化镓（Ga₂O₃）为代表的超宽禁带功率半导体器件也成为研究热点。据法国Yole公司的数据显示，SiC功率半导体器件市场将从2021年的10.9亿美元增长到2027年的62.97亿美元，年均复合增长率34%，GaN功率半导体器件市场将从2021年的1.26亿美元增长到2027年的20亿美元，年均复合增长率高达59%。

SiC功率半导体器件目前以SiC SBD和SiC MOSFET为典型代表，主要以SiC分立器件（SiC SBD、SiC JFET、SiC MOSFET）、SiC混合模块（SiC SBD+Si IGBT）和全SiC模块（SiC SBD+SiC MOSFET）三种形式销售，SiC IPM也在发展中。虽然目前SiC SBD和SiC MOSFET单管占据了SiC最大的市场份额，但和Si IGBT的发展一样，将来SiC功率模块必将占据最大市场。

SiC MOSFET最早采用平面MOSFET结构，且SiC平面MOSFET也是目前大部分厂商（如Wolfspeed、ST、Onsemi）采用的主力结构，但随着工艺技术的发展，SiC槽栅MOSFET将成为主流，并将向SiC超结MOSFET发展。

在SiC功率半导体器件的成本中，SiC衬底材料与外延制造成本占据了60%～70%，特别是前者，占比高达40%以上，严重阻碍了SiC功率半导体器件的大规模推广应用。目前，业界一方面在努力将4～6in的SiC制造线向8in发展，另一方面各种改善性能、降低成本的SiC材料制备方法，如住友金属子公司Sicoxs的“SiCkrest”、法国半导体硅片厂商Soitec的“SmartSiCTM”，正在不断发展中。

目前，硅基GaN是GaN电力电子器件（Power GaN）的主流材料结构，与射频GaN器件（RF GaN）一样，HEMT（High Electron Mobility Transistor）结构是GaN电力电子器件普遍采用的器件结构。虽然耗尽型（D-Mode）GaN器件、级联型（Cascode）GaN器件和增强型（E-Mode）GaN器件三种形态的GaN器件在市场上共存，但E-Mode GaN器件将逐渐成为市场主流。在GaN电力电子器件的发展中，由于其器件性能和高频工作环境，GaN驱动芯片是其重要组成部分，GaN集成芯片和合封GaN模块将是GaN电力电子器件的发展方向。

目前，虽然GaN电力电子器件的主力市场是在消费类的快充充电器，但数据中心、DC-DC电源、车载充电机等应用市场将是其新的增长点。

（三）More Than Device

功率半导体器件属于模拟芯片范畴，与器件应用环境密切相关。器件结构参数所决定的器件电性能往往相互制约，需要设计者进行性能优化，而不同的应用环境对功率半导体器件的电参数要求常常也不同，因此笔者常说：没有最好的功率半导体器件，只有最适合的功率半导体器件。功率半导体业者需要从应用角度去设计器件，这就是More Than Device的内涵。同时随着功率半导体器件往高频、高功率密度发展，特殊的电路拓扑结构、专用的驱动芯片、高效的散热封装、电磁热力协同设计、可靠性设计将与功率半导体器件一起融合发展，以提升系统性能（包括性价比、可靠性）为最终目标，也就是所谓的More Devices+More Than Device。这里还需指出的是，在功率半导体的发展中，先进封装技术将发挥越来越重要的作用。功率半导体技术与产业发展趋势详图如图3所示。