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汽车功率元器件市场前景广阔

发布时间:2017-05-02

汽车功率电子产品正成为半导体行业的关键驱动因素之一。这些电子产品包括功率元器件,是支撑新型电动汽车续航里程达到至少200英里的核心部件。

虽然智能手机的出货量远高于汽车(2015年为14亿部[1],汽车销量为8,800万辆[2]),但汽车的半导体零件含量却高得多。汽车功率IC稳健增长,2015 - 2020年该行业的年复合增长率预计将达8%[3]。尤其是电池驱动的电动汽车在该行业成为强劲增长推动力,2015年5月Teardown.com针对宝马i3电动车的报告显示,该车型物料清单中包含100多个电源相关芯片。

与遵循摩尔定律不断缩小尺寸的先进逻辑晶体管不同,功率元器件FET通常运用更老的技术节点,使用200毫米(和更小的)硅片。然而,功率元器件在过去的几十年中不断发展和升级。例如,较厚的PVD铝镀层(3-10微米)必须沉积在功率元器件的正面,以实现散热并提高电学性能。如果没有正确沉积,厚铝层容易出现晶须和错位,导致灾难性的后果。应用材料公司的Endura PVD HDR高速沉积铝反应腔器可确保尽可能减少此类缺陷,并使沉积速率较其他与之竞争的技术高50%以上。

此外,5微米至150微米以上的厚外延硅片,进行复杂的掺杂以后,能够实现低电阻(Rds)、较高的关断电阻(Roff)和更快的开关速度。

与传统外延反应腔相比,应用材料公司新推出的Centura Pronto? ATM epi外延反应腔可提高生长速度30%以上,化学品消耗量减少25%,缩短了清洁时间,降低了设备的拥有成本。该系统表现出卓越的晶片内均匀性和电阻率,可满足先进功率元器件需求。

半导体薄膜堆层的结构变化,例如将栅极结构从平面(横向器件)转换成沟道结构(垂直器件),使得绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够以更低的损耗率实现更快的开关速度。类似地,从多层外延技术转向深沟槽填充工艺亦能大幅提升超结MOSFET(SJM)的性能。

蚀刻工艺需要一些改进和调整,以适应这些方案,其中包括更高的深宽比结构。经改进后的外延硅膜和注入掺杂分布也能增强产品性能。

功率元器件制造商不断精益求精。公开资料显示日立的高导电性IGBT采用单独的浮动P层,以提高栅极可控性和接通电压。ABB半导体在沟槽栅下构建P型柱状注入,以产生超结效应,从而达到更快的开关速度。

通过减薄晶片厚度,可有效减少高速开关的存储电荷。富士电机最近研发出漂移层更薄、沟槽间距更小、电场终止层更强的第七代IGBT。

然而,专家们纷纷意识到,硅基器件的各项性能已接近极限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制,每一次性能的提升仅能带来些许改进。

宽禁带功率元器件

功率IC产业在寻找新的宽禁带(WBG)材料,使半导体性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是当前的首选材料,两者均有一定的优势及劣势。作为半导体复合材料,他们具有更大的禁带宽度和击穿场强,制成的功率元器件具有硅材料无法匹敌的性能。他们被广泛认为将引领下一代功率元器件,开启半导体时代大变革。

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