深圳第三代半導體研究院

ISPSD全方位解讀

发表时间:2019-05-22 10:50

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第31屆功率半导体器件和集成电路国际会议(International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,ISPSD)于2019年5月19-23日在上海宝华万豪酒店举办,这是ISPSD会议举办30多年以来第一次在中國內地召开。

ISPSD是功率半導體器件和集成電路領域在國際上最重要、影響力最強的頂級學術會議,它被認爲是功率半導體器件和集成電路領域的奧林匹克會議,一直以來都是國內外産業界和學術界爭相發表重要成果的舞台。

爲了讓大家對ISPSD有更全面的了解,筆者特別對前30年的ISPSD會議情況進行一個簡單回顧。


本文分三大部分:


一、ISPSD的發展和成就

1ISPSD的起源

2、全球輪流舉辦讓ISPSD更具全球化

3ISPSD關注的重點領域

4ISPSD技術委員會

5ISPSD的成就


二、ISPSD三十年的亮點

1IGBT

2BCDMOS技術

3、超結器件(Super Junction devices

4、寬禁帶(Wide Bandgap):碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN


三、中國內地在ISPSD的表現

1、中國內地論文發表情況

2、中國內地專家在ISPSD TPC的影響

3、中國內地在ISPSD的特邀報告情況


一、ISPSD的發展和成就

1ISPSD的起源

为了满足日益发展的功率半导体器件和技術的需求,IEEE旗下多个技術学会在20世紀80年代中後期舉辦了多個專題討論會。

19875月,國際電着c姎夤こ處煂W會電化學學會IEEE ECS,IEEE Electro Chemical Society)的電子分會(Electronics division)發起舉辦了“高壓和智能功率器件論壇(Symposium on High Voltage and Smart Power Devices)”,論壇在賓夕法尼亞州費城(Philadelphia)舉行。

19888月,日本電氣工程師學會(IEEJapan)在日本東京舉辦了“國際功率半導體器件研討會(International Symposium on Power Semiconductor Devices)”。這次會議通常被業界認爲是ISPSD的首屆會議。


19895月,國際電着c姎夤こ處煂W會電化學學會IEEE ECS)在賓夕法尼亞州雷丁(Reading)发起举办了“高压器件和智能功率集成電路(High Voltage & Smart Power ICs)”,會議得到國際電着c姎夤こ處煂W會電子器件學會(IEEE EDSIEEE Electron Devices Society)的支持。

19904月,國際電着c姎夤こ處煂W會電子器件學會(IEEE EDS)與日本電氣工程師學會(IEE Japan)在日本東京共同舉辦第二屆ISPSD。本屆ISPSD會議在標題中加入了“IC”,會議名稱改爲“國際功率半導體器件和集成電路研討會(International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)”。但是英文縮寫沒有改變,還是縮寫爲“ISPSD”。

這也表明功率半導體産品的挑戰:將高壓大功率器件與集成功率器件和IC相結合。

2、全球輪流舉辦讓ISPSD更具全球化

1991年,第三屆ISPSD在美國巴爾的摩舉行,會議得到國際電着c姎夤こ處煂W會電子器件學會(IEEE EDS)全力支持。

1994年,第六屆ISPSD在瑞士達沃斯舉行,這是ISPSD會議首次在歐洲舉辦。會議得到蘇黎世聯邦理工大學(ETH)國際電着c姎夤こ處煂W會電子器件學會(IEEE EDS日本電氣工程師學會(IEE Japan)欧洲电力电子学会(European Conf. on Power Electronics,EPE)的支持。

1994年開始,ISPED在日本(亞洲地區)、美國(北美地區)和歐洲三地輪流主辦,ISPSD成爲全球最重要的功率半導體器件研討會。

要注意的是,1999ISPSD會議在加拿大多倫多舉行;2007ISPSD會議在韓國濟州島舉行。

隨著2010年以後“其他地區”提交的論文數量增加,ISPSD咨詢委員會決定,2012年开始從美国、日本和欧洲以外的其他地区进行遴选,进行四年轮换制。于是2015ISPSD會議在中國香港舉行。

2019年ISPSD会议将在中国上海举办。这是30多年以来,ISPSD会议第一次在中國內地举办,标志着中國內地的功率半导体器件和集成电路的研究和产业化在国际上产生着越来越重要的影響。

3ISPSD關注的重點領域

ISPSD關注的重點領域包括高压大功率分立器件、低壓功率器件、集成功率器件(LVHV)和IC、雙極和MOS控制器件和技術、射频功率器件、非硅基器件、具有宽安全工作区的新型器件。

4ISPSD技術委員會

1988年至2004年,大會的程序委員會不分組審查所有提交的論文。

2005年起设立了技術程序委員会(TPC),并分成“低压和射频(Low Voltage and RF)、高壓(High Voltage)、集成功率(Integrated Power)”三個小組,分組審查論文。

2008年增加了寬禁帶(Wide Bandgap)小組;2010年增加了模塊和封裝(Module & Package)小組;2016年寬禁帶(Wide Bandgap)小組一分爲二,分別是:氮化镓和其他氮化物(GaN and Other Nitrides)、碳化矽和其他(SiC and Other)。

经过多次调整,目前技術程序委員会(TPC)设有六个小组:

高壓功率器件High Voltage Power Devices (HV)

低壓功率器件Low Voltage Devices and Power IC Device Technology (LVT)

功率集成電路Power IC Design (ICD)

氮化镓與氮化物器件GaN and Nitride Base Compound Materials (GaN)

碳化矽和其他材料SiC and Other Materials (SiC)

模塊和封裝工藝Module and Package Technologies (PK)

本屆技術程序委員会(TPC)共有61人,其中中國共有14位,占23%。香港科技大學陳敬(Kevin J. Chen)教授擔任TPC主席。

其他13人分布在六個小組:羅小蓉(電子科技大學)、湯藝(Yi Tang,嘉興斯達半導體副總經理)、張帥(Shuai (Simon) Zhang,台積電TSMC,原華虹宏力);David Tsung-Yi Huang(瑞昱Richtek);游步东(矽力杰首席技術官及首席运营官)、祝靖(東南大學);蔡志强(Tom Tsai,台積電,氮化镓與氮化物器件小组主席)、刘扬(中山大学)、杨树(浙江大学);黄智方(Chih-FangHuang,台灣清華大學)、李傳英(Chwan Ying Lee,瀚薪科技總經理)、李坤彥(Kung-Yen Lee,台灣大學);趙振清(Zhenqing Zhao,台達電子上海)。

5ISPSD的成就

第一是在一個會議中結合高壓大功率器件和集成功率器件和IC

第二是ISPSD作爲國際功率半導體器件和IC首要會議的地位不可撼動。

第三是建立了一個國際功率半導體器件和IC相關領域專家社區,每年舉行一次會議,交流該領域的理論、研究、應用和發展。

第四是通過提供最新研究、課程、研討會和評論文章,提供定期論壇,促進國際功率半導體器件和IC的發展。

二、ISPSD三十年的亮點

1988年至今,ISPSD已經有30多年的曆史。30多年來,ISPSD极大的推动了全球功率半导体器件和功率集成電路的發展。

筆者雖然無緣參加ISPSD,但是對ISPSD1988年舉辦以來的情況非常關注,查閱了有關30年來ISPSD的文章。以下是筆者對ISPSD的一點心得,歡迎拍磚。


1IGBT

絕緣柵晶體管(IGBT)是在MOSFETBipolar基礎上發展起來的新型複合功率器件。具有MOS輸入、雙極輸出功能,集Bipolar通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身。

IGBT概念形成是在1978 年。1983年世界首款IGBT芯片由美國通用公司和RCA公司研制成功的,當時容量爲500V/20A1984年第一代IGBT産品正式形成,是穿通型平面柵(PT-Planar,Punch Through),采用DMOS 工藝制造,1986年正式商業化。

之後,IGBT經過改進的穿通型平面柵(PT-Planar)、非穿通型平面柵(NPT,Non-Punch Through)、穿通型沟槽(PT-Trench)、場截止型(Field StopFS)、溝槽型場截止型(FS-Trench)等技術升级,以及新材料的出现(如氮化镓GaN、碳化硅SiC等)。

ISPSD三十年中,幾乎每年都有IGBT相關的論文入選。

1988年舉辦的第一屆ISPSD中,東芝、三菱、三洋、日立、AT&T等公司都提及了IGBT

1992年在日本東京舉辦的第四屆ISPSD上,入選的有關IGBT論文超過10篇,並專門設立“Session 2IGBT”。此後,每年ISPSD會議上至少有一個IGBTSession

1994年在瑞士達沃斯舉辦的第六屆ISPSD上,爲IGBT設立了三個Session,分別是“Session2: IGBT 1Session 4: IGBT 2Session 9: IGBT 3”。当年入選的有關IGBT的文章近30篇。

未來,IGBT的發展目標是:大電流、高電壓、低功耗、高頻率、功能集成化、高可靠性。

而IGBT的未來發展趨勢將表現爲:(1)薄片工藝,爲減少熱阻,晶圓厚度將越來越薄,英飛淩已經可以減薄至50?m;(2)小管芯,管芯越小,越能提高電流密度,據稱,目前管芯面積不足20年前的1/3;(3)大矽片,以英飛淩爲代表的已經在12英寸晶圓上生産IGBT;(4)新材料,主要是以氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)爲代表的寬禁帶材料。


2BCDMOS技術

BCDMOS是一种单芯片功率集成電路技術。1986年由意法半導體(STM)率先研制成功,使得能夠在同一芯片上制作雙極(Bipolar)、CMOSDMOS器件。

笔者发现,從1988年到2019年,每年都有BCD工藝相關的論文入選。

1988年在日本舉行的第一次ISPSD會議上,特別邀請意法半導體到場演講有關BCD技術的报告


BCD工藝向小尺寸發展,並采用多層金屬結構,使導通電阻大幅降低,提高電流密度和效率,同時增加CMOS電路的集成度。

BCD工藝是電源管理芯片、顯示驅動芯片、汽車電子芯片等的上佳選擇,有廣闊市場。

BCD工藝今後將朝高壓、高功率、高密度方向發展

有專家表示,未來BCDSOI相結合是大勢所趨。事實上,早在1991年就有討論BCDSOI相結合的論文入選。

3、超結器件(Super Junction devices

超結結構突破了傳統功率MOS器件的理論極限,被譽爲功率MOS器件的裏程碑器件。



1988年飛利浦(Philips)的D.J. Coe在其專利中首次提出在橫向高壓MOSFET中采用交替的PN結構提高漂移層耐壓的方法。1993年中國內地的陳星弼教授提出的“複合緩沖層Composite Buffer LayerCB-Layer)”結構,在縱向功率器件中采用多個PN結作爲耐壓層。1995年西門子(Siemens)的J.Tihany在其美國專利中也提出類似思路。1997年富士电机(Fuji Electric)的Tatsuhiko Fujihira等在前人的研究基礎上,正式提出超結(Super Junction)理论。之後 ,陈星弼教授对导通电阻和击穿电压之间的关系进行了严格的理论推导,并提出公式:

超結主要是將傳統的VDMOSN型漂移區替換爲N區和P區交替形成的漂移區。D.J.Coe和陳星弼教授分別申請了美國專利。早期的研究工作奠定了超結理論的基石,爲後來一系列基于此理論而設計的新型器件器件提供了基礎。

1998年西門子推出第一款商用600V超結VDMOS器件“CoolMOSTM”,1999年西門子半導體部門分拆成立英飛淩,現在,英飛淩已經將CoolMOSTM发展到了第七代。东芝、安森美、意法半导体等公司都采用基于超結理念的新技術生产低功耗VDMOS器件。

2001年在日本大阪舉行的第13ISPSD會議上,特別設立“Session 10Super Junction”。


由于在超結功率半导体器件的卓越贡献,陈星弼教授于20155月獲得ISPSD大會頒發的最高榮譽國際功率半導體先驅獎,是亞太地區首位獲此殊榮的科學家;20185月他又成爲中國首位入選ISPSD首屆全球名人堂的科学家,全球一共32位;並當選2019年度IEEE Fellow

4、寬禁帶(Wide Bandgap):碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN

寬禁帶(Wide Bandgap)材料包括碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)等。寬禁帶材料在ISPSD受到了廣泛的重視。

1990在日本東京舉行的第2ISPSD會議上,特別邀請日本京都大學H.Matsunami教授做了題爲《碳化矽半導體:功率器件的未來Semiconductor Silicon Carbide -Expectation for Power Devices》的報告。

之後,隨著SiC領域的文章增多,1995年在日本橫浜舉行的第7ISPSD會議上,首次設立了“Session 5: SiCs”。

從开始发表的年份上比较,氮化镓(GaN)研究領域的文章要比碳化矽(SiC)晚上不少。

2003年在英國劍橋舉行的第15ISPSD會議上,才首次收到有關GaN領域研究的文章,並有兩篇文章入選大會做口頭報告。


2004年在日本北九州市舉行的第16ISPSD會議上,在原有的碳化矽(SiC)專場加上了氮化镓(GaN),變成“Session 5SiC and GaNWBG)”。

2005年在美國聖巴巴拉市舉行的第17ISPSD會議上,設立“Session 11HV6):GaN and Diamond Devices”。

2006年在意大利那不勒斯舉行的第18ISPSD會議上,設立“Session 10GaN Devices”。


一系列的情況都表明,寬禁帶半導體是功率半導體器件的未來。

三、中國內地在ISPSD的表現

1、中國內地論文發表情況

1990在日本東京舉行的第2ISPSD會議上,西安交通大學的徐傳骧、張少雲、馮玉柱、劉迪的論文《The Study of Deterioration Mechanism and Stability Technique of Surface Sustained Voltage of Power Electronic Devices 》入選,並在“Session 6-1: Modeling & Simulation of Devices”進行口頭報告。


這是中國內地學者首次在ISPSD以第一作者单位发表论文。之後,沉寂了好长时间。

1999年在加拿大多倫多舉行的第11ISPSD會議上,北京工業大學亢寶衛教授團隊提交的論文《Monolithically Integrated Power Device Consisting of a GAT and a MPS Diode with Increased Switching Speed》入選,並在“SESSION 11:HV - Controlled Switches”進行口頭報告。

2000年在法國圖盧茲舉行的第12ISPSD會議上,電子科技大學的李平教授團隊提交的論文Novel Power MOS Devices with SiGe/Si Heterojunctions入選,並在Session: SiC”進行報告。

2003年在英國劍橋舉行的第15ISPSD會議上,北京工業大學的亢寶衛教授團隊提交的論文《Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts》入選,列入“Poster Session Group 6: Charge Compensation - 'superjunction' MOSFETs”。

2005年在美國聖巴巴拉舉行的第17ISPSD會議上,東南大學時龍興教授團隊提交的論文《PDP scan driver with NVDMOS and RESURF PLDMOS》入選。

2006年在意大利那不勒斯舉行的第18ISPSD會議上,電子科技大學張波教授團隊提交的論文《Design and Optimization of a Versatile 700 V SPIC Process Using a Fully Implanted Triple-well Technology》入選。


2008年開始,中國內地每年都有论文入选ISPSD,且每年的入選論文數量都有所提升。


据芯思想研究院(ChipInsights)统计,從1990年中國內地第一篇文章入選,至2018年已經有120篇文章入選。其中高校116篇,産業界4篇。其中電子科技大學以53篇雄霸第一(其中張波教授團隊45篇,陳星弼院士團隊7篇,李平教授團隊1篇),東南大學以26篇排第二,浙江大學以15篇排第三,其他分別是北京大學6篇,中科院5篇,北京工業大學4篇,華虹宏力、華中科技大學,西安電子科技大學、中山大學各爲2篇,西安交通大學、株洲中車時代電氣、英諾賽科各有一篇。

目前,中國內地高校有三大高产团队,分别是電子科技大學功率集成技術实验室(PITEL)、東南大學功率集成電路研发部(PIC)、浙江大學電氣工程學院電力子器件團隊(PEDL),三大團隊共有86篇文章入選,占中國大陸總入選數的71.7%


不過三大高産團隊各有特色,各有側重。

電子科技大學功率集成技術实验室(PITEL)专注于功率半导体科学和技術研究,进行功率半导体器件和功率集成電路设计研发,包括分立器件(從高性能功率二极管、双极型功率晶体管、功率MOSFETIGBTMCTRF LDMOS,從硅基到SiCGaN)、可集成功率半導體器件(包括含矽基、SOI基和GaN基)和功率高压集成电路(含、高低压工藝集成、电源管理集成电路、功率集成電路、数字辅助功率集成以及面向系统芯片的低功耗集成电路等)设计研发工作。

東南大學功率集成電路(PIC)研发部是国家专用集成电路系统工程技術研究中心的重要组成部分,在南京、无锡和苏州设有三個实验室。功率集成電路研发部专注于功率器件與功率集成技術研究,开展了功率半导体器件與可靠性(包括超結DMOS、IGBT、SiC功率器件和GaN功率器件等)、高低压集成工藝(包括硅基BCD和SOI BCD等)、功率集成電路(包括数字电源芯片、栅驱动芯片等)和高功率密度电源模块等方向的研发工作

浙江大學電氣工程學院電力子器件團隊(PEDL)一直以來致力于開展碳化矽和氮化镓等寬禁帶功率半導體器件的研究,已經成功自主研制出了碳化矽超級結肖特基二極管、結勢壘肖特基二極管、結型場效應晶體管、常關型氮化镓晶體管和垂直型氮化镓二極管,開發出了容量領先的碳化矽肖特基二極管模塊、碳化矽結型場效應開關管模塊以及碳化矽MOSFET功率模塊,同時還基于寬禁帶半導體功率器件的電力電子變壓器、DC-DC變換器、PFC、充電樁等應用方向開展了一系列研究工作。


據最新消息,中國內地在ISPSD 2019會議上一共入選了36篇論文。三大高産團隊總計入選24篇,其中電子科技大學入選13篇,数量居全球第一,文章主要集中在功率集成電路(4篇),高壓器件(3篇)和低壓器件(3篇)領域,在GaN器件和SiC器件領域則分別有2篇和1篇。浙江大學今年一共有6篇文章入选,文章全部集中在碳化硅和氮化镓宽禁带半导体器件领域。在宽禁带半导体器件领域,浙江大学的论文数量排名全球第一。東南大學今年则有5篇文章入選,包括低壓器件2篇,高壓器件1篇,功率集成電路1篇和GaN器件1篇。

2、中國內地專家在ISPSD TPC的影響

ISPSD2019技術程序委員会(Technical Program CommitteeTPC)共有61人,其中中國共有14位,占23%。其中中國內地8人(劉揚、羅小蓉、湯藝、楊樹、遊步東、張帥、趙振清、祝靖),中國香港1人(陳敬),中國台灣5人(瑞昱Tsung-Yi Huang、台積電蔡志強Tom Tsai、台灣清華大學黃智方Chih-Fang Huang、瀚薪科技李傳英Chwan Ying Lee、台灣大學李坤彥Kung-Yen Lee)。

中國內地8人中來自高校的有4 人,分别是中山大学刘扬教授、電子科技大學羅小蓉教授、浙江大学杨树教授、東南大學祝靖副教授;来自产业界的4人分别是斯达半导体副总汤艺、台积电上海研发副总监张帅、台达电子赵振清、矽力杰首席技術官游步东。


下面我们看看中國內地專家在历年TPC的情况。


2010年,中國內地学者正式进入ISPSD2011的技術程序委員会。当年電子科技大學微电子與固体电子学院)的張波教授進入高壓(High Voltage)小組委員會,浙江大學電氣工程學院)的盛况教授進入寬禁帶(Wide Bandgap)小組委員會。

2013年公布的ISPSD2014技術程序委員会名单中,来自東南大學(电子科学與工程学院、微电子学院)的孫偉鋒教授進入集成功率(Integrated Power)小组委員会,来自西安交通大学(电信学院)的张安平教授進入寬禁帶(Wide Bandgap)小組委員會。

2015ISPSD在中國香港舉行,浙江大學盛況教授擔任TPC主席,電子科技大學張波教授擔任TPC共同主席。在TPC名單中,我們看到作爲新生力量,來自台積電的張帥(Shuai Zhang,原華虹宏力)進入高壓(High Voltage)小組委員會。

2015年,來自電子科技大學(微电子與固体电子学院)的羅小蓉教授進入ISPSD2016技術程序委員会高壓(High Voltage)小組委員會。张波教授和盛况教授由于任期時間限制,不再擔任TPC委員。

2016年公布的ISPSD2017技術程序委員会名单中,中國內地专家名单沒有變化。

2017公布的ISPSD2018技術程序委員会名单中,来自中山大学(物理科学與工程技術学院)的刘扬教授進入氮化镓與氮化物器件(GaN and Nitride Base Compound Materials)小組委員會。

2018年公布的ISPSD2019技術程序委員会名单中,来自東南大學(电子科学與工程学院、微电子学院)的祝靖副教授進入集成功率(Integrated Power)小組委員會,孫偉鋒教授由于任期時間限制,不再擔任TPC委員;来自浙江大学(電氣工程學院)的杨树教授進入氮化镓與氮化物器件(GaN and Nitride Base Compound Materials)小組委員會。

3、中國內地在ISPSD的特邀報告情況

近几年來,隨著政府支持和社会投入力度的不断加大,我国在功率半導體領域取得可喜的进步,并得到国际同行的认可。2015年到2017年连续三年有中國內地公司作为特邀报告单位,表明中國內地在功率半導體領域的重要性。

2015年,中車株洲電力機車研究所有限公司(原南車株洲研究所)作爲特邀報告單位,在ISPSD2015上作了題了《電力電子器件在鐵路運輸牽引系統中的應用Application of Power Electronic Devices in Rail Transportation Traction System》的報告,其他三個特邀報告分別來自美國Efficient Power、 日本松下(Panasonic)和法國Yole Développement

2016年,國家電網公司旗下全球能源互聯網研究院作爲特邀報告單位,在ISPSD2016上作了题了《功率器件发展对电网的影響Impact of Power Electronic Device Development on Power Grids》的報告,其他三個特邀報告分別來自美國KKR、日本日産汽車(Nissan Motor)、瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)。

2017年,台達電子(上海)作爲特邀報告單位,在ISPSD2017上作了题了《宽禁带功率器件在电源中的应用机遇與展望Application Opporunities and Expectation for Wide Bandgap Power Device In Power Supply》,其他三個特邀報告分別來自比利時魯汶大學(Katholieke Universiteit Leuven)、日本安川電機(Yaskawa Electric)、美國納微(Navitas)。

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