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汽車功率元器件市場前景廣闊

2017-04-26 22:30:44 未知

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汽車功率電子產品正成為半導體行業的關鍵驅動因素之一。這些電子產品包括功率元器件，是支撐新型電動汽車續航里程達到至少200英里的核心部件。

雖然智能手機的出貨量遠高于汽車（2015年為14億部[1]，汽車銷量為8,800萬輛[2]），但汽車的半導體零件含量卻高得多。汽車功率IC穩健增長，2015 - 2020年該行業的年復合增長率預計將達8%[3]。尤其是電池驅動的電動汽車在該行業成為強勁增長推動力，2015年5月Teardown.com針對寶馬i3電動車的報告顯示，該車型物料清單中包含100多個電源相關芯片。
與遵循摩爾定律不斷縮小尺寸的先進邏輯晶體管不同，功率元器件FET通常運用更老的技術節點，使用200毫米（和更小的）硅片。然而，功率元器件在過去的幾十年中不斷發展和升級。例如，較厚的PVD鋁鍍層（3-10微米）必須沉積在功率元器件的正面，以實現散熱并提高電學性能。如果沒有正確沉積，厚鋁層容易出現晶須和錯位，導致災難性的后果。應用材料公司的Endura PVD HDR高速沉積鋁反應腔器可確保盡可能減少此類缺陷，并使沉積速率較其他與之競爭的技術高50%以上。

此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，進行復雜的摻雜以后，能夠實現低電阻（Rds）、較高的關斷電阻（Roff）和更快的開關速度。

與傳統外延反應腔相比，應用材料公司新推出的Centura Pronto? ATM epi外延反應腔可提高生長速度30%以上，化學品消耗量減少25%，縮短了清潔時間，降低了設備的擁有成本。該系統表現出卓越的晶片內均勻性和電阻率，可滿足先進功率元器件需求。

半導體薄膜堆層的結構變化，例如將柵極結構從平面（橫向器件）轉換成溝道結構（垂直器件），使得絕緣柵雙極晶體管（IGBT）能夠以更低的損耗率實現更快的開關速度。類似地，從多層外延技術轉向深溝槽填充工藝亦能大幅提升超結MOSFET（SJM）的性能。

蝕刻工藝需要一些改進和調整，以適應這些方案，其中包括更高的深寬比結構。經改進后的外延硅膜和注入摻雜分布也能增強產品性能。

功率元器件制造商不斷精益求精。公開資料顯示日立的高導電性IGBT采用單獨的浮動P層，以提高柵極可控性和接通電壓。ABB半導體在溝槽柵下構建P型柱狀注入，以產生超結效應，從而達到更快的開關速度。

通過減薄晶片厚度，可有效減少高速開關的存儲電荷。富士電機最近研發出漂移層更薄、溝槽間距更小、電場終止層更強的第七代IGBT。

然而，專家們紛紛意識到，硅基器件的各項性能已接近極限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升僅能帶來些許改進。

寬禁帶功率元器件

功率IC產業在尋找新的寬禁帶（WBG）材料，使半導體性能提升到全新的水平。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是當前的首選材料，兩者均有一定的優勢及劣勢。作為半導體復合材料，他們具有更大的禁帶寬度和擊穿場強，制成的功率元器件具有硅材料無法匹敵的性能。他們被廣泛認為將引領下一代功率元器件，開啟半導體時代大變革。圖1顯示了SiC和GaN在終端市場應用的一般電壓范圍。