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ISPSD全方位解读

发表时间:2019-05-22 10:50

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第31届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国内地召开。

ISPSD是功率半导体器件和集成电路领域在国际上最重要、影响力最强的顶级学术会议,它被认为是功率半导体器件和集成电路领域的奥林匹克会议,一直以来都是国内外产业界和学术界争相发表重要成果的舞台。

为了让大家对ISPSD有更全面的了解,笔者特别对前30年的ISPSD会议情况进行一个简单回顾。


本文分三大部分:


一、ISPSD的发展和成就

1ISPSD的起源

2、全球轮流举办让ISPSD更具全球化

3ISPSD关注的重点领域

4ISPSD技术委员会

5ISPSD的成就


二、ISPSD三十年的亮点

1IGBT

2BCDMOS技术

3、超结器件(Super Junction devices

4、宽禁带(Wide Bandgap):碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN


三、中国内地在ISPSD的表现

1、中国内地论文发表情况

2、中国内地专家在ISPSD TPC的影响

3、中国内地在ISPSD的特邀报告情况


一、ISPSD的发展和成就

1ISPSD的起源

为了满足日益发展的功率半导体器件和技术的需求,IEEE旗下多个技术学会在20世纪80年代中后期举办了多个专题讨论会。

19875月,国际电子电气工程师学会电化学学会IEEE ECS,IEEE Electro Chemical Society)的电子分会(Electronics division)发起举办了“高压和智能功率器件论坛(Symposium on High Voltage and Smart Power Devices)”,论坛在宾夕法尼亚州费城(Philadelphia)举行。

19888月,日本电气工程师学会(IEEJapan)在日本东京举办了“国际功率半导体器件研讨会(International Symposium on Power Semiconductor Devices)”。这次会议通常被业界认为是ISPSD的首届会议。


19895月,国际电子电气工程师学会电化学学会IEEE ECS)在宾夕法尼亚州雷丁(Reading)发起举办了“高压器件和智能功率集成电路(High Voltage & Smart Power ICs)”,会议得到国际电子电气工程师学会电子器件学会(IEEE EDSIEEE Electron Devices Society)的支持。

19904月,国际电子电气工程师学会电子器件学会(IEEE EDS)与日本电气工程师学会(IEE Japan)在日本东京共同举办第二届ISPSD。本届ISPSD会议在标题中加入了“IC”,会议名称改为“国际功率半导体器件和集成电路研讨会(International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)”。但是英文缩写没有改变,还是缩写为“ISPSD”。

这也表明功率半导体产品的挑战:将高压大功率器件与集成功率器件和IC相结合。

2、全球轮流举办让ISPSD更具全球化

1991年,第三届ISPSD在美国巴尔的摩举行,会议得到国际电子电气工程师学会电子器件学会(IEEE EDS)全力支持。

1994年,第六届ISPSD在瑞士达沃斯举行,这是ISPSD会议首次在欧洲举办。会议得到苏黎世联邦理工大学(ETH)国际电子电气工程师学会电子器件学会(IEEE EDS日本电气工程师学会(IEE Japan)欧洲电力电子学会(European Conf. on Power Electronics,EPE)的支持。

1994年开始,ISPED在日本(亚洲地区)、美国(北美地区)和欧洲三地轮流主办,ISPSD成为全球最重要的功率半导体器件研讨会。

要注意的是,1999ISPSD会议在加拿大多伦多举行;2007ISPSD会议在韩国济州岛举行。

随着2010年以后“其他地区”提交的论文数量增加,ISPSD咨询委员会决定,2012年开始从美国、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会议在中国香港举行。

2019年ISPSD会议将在中国上海举办。这是30多年以来,ISPSD会议第一次在中国内地举办,标志着中国内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响。

3ISPSD关注的重点领域

ISPSD关注的重点领域包括高压大功率分立器件、低压功率器件、集成功率器件(LVHV)和IC、双极和MOS控制器件和技术、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技术委员会

1988年至2004年,大会的程序委员会不分组审查所有提交的论文。

2005年起设立了技术程序委员会(TPC),并分成“低压和射频(Low Voltage and RF)、高压(High Voltage)、集成功率(Integrated Power)”三个小组,分组审查论文。

2008年增加了宽禁带(Wide Bandgap)小组;2010年增加了模块和封装(Module & Package)小组;2016年宽禁带(Wide Bandgap)小组一分为二,分别是:氮化镓和其他氮化物(GaN and Other Nitrides)、碳化硅和其他(SiC and Other)。

经过多次调整,目前技术程序委员会(TPC)设有六个小组:

高压功率器件High Voltage Power Devices (HV)

低压功率器件Low Voltage Devices and Power IC Device Technology (LVT)

功率集成电路Power IC Design (ICD)

氮化镓与氮化物器件GaN and Nitride Base Compound Materials (GaN)

碳化硅和其他材料SiC and Other Materials (SiC)

模块和封装工艺Module and Package Technologies (PK)

本届技术程序委员会(TPC)共有61人,其中中国共有14位,占23%。香港科技大学陈敬(Kevin J. Chen)教授担任TPC主席。

其他13人分布在六个小组:罗小蓉(电子科技大学)、汤艺(Yi Tang,嘉兴斯达半导体副总经理)、张帅(Shuai (Simon) Zhang,台积电TSMC,原华虹宏力);David Tsung-Yi Huang(瑞昱Richtek);游步东(矽力杰首席技术官及首席运营官)、祝靖(东南大学);蔡志强(Tom Tsai,台积电,氮化镓与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,台湾清华大学)、李传英(Chwan Ying Lee,瀚薪科技总经理)、李坤彦(Kung-Yen Lee,台湾大学);赵振清(Zhenqing Zhao,台达电子上海)。

5ISPSD的成就

第一是在一个会议中结合高压大功率器件和集成功率器件和IC

第二是ISPSD作为国际功率半导体器件和IC首要会议的地位不可撼动。

第三是建立了一个国际功率半导体器件和IC相关领域专家社区,每年举行一次会议,交流该领域的理论、研究、应用和发展。

第四是通过提供最新研究、课程、研讨会和评论文章,提供定期论坛,促进国际功率半导体器件和IC的发展。

二、ISPSD三十年的亮点

1988年至今,ISPSD已经有30多年的历史。30多年来,ISPSD极大的推动了全球功率半导体器件和功率集成电路的发展。

笔者虽然无缘参加ISPSD,但是对ISPSD1988年举办以来的情况非常关注,查阅了有关30年来ISPSD的文章。以下是笔者对ISPSD的一点心得,欢迎拍砖。


1IGBT

绝缘栅晶体管(IGBT)是在MOSFETBipolar基础上发展起来的新型复合功率器件。具有MOS输入、双极输出功能,集Bipolar通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。

IGBT概念形成是在1978 年。1983年世界首款IGBT芯片由美国通用公司和RCA公司研制成功的,当时容量为500V/20A1984年第一代IGBT产品正式形成,是穿通型平面栅(PT-Planar,Punch Through),采用DMOS 工艺制造,1986年正式商业化。

之后,IGBT经过改进的穿通型平面栅(PT-Planar)、非穿通型平面栅(NPT,Non-Punch Through)、穿通型沟槽(PT-Trench)、场截止型(Field StopFS)、沟槽型场截止型(FS-Trench)等技术升级,以及新材料的出现(如氮化镓GaN、碳化硅SiC等)。

ISPSD三十年中,几乎每年都有IGBT相关的论文入选。

1988年举办的第一届ISPSD中,东芝、三菱、三洋、日立、AT&T等公司都提及了IGBT

1992年在日本东京举办的第四届ISPSD上,入选的有关IGBT论文超过10篇,并专门设立“Session 2IGBT”。此后,每年ISPSD会议上至少有一个IGBTSession

1994年在瑞士达沃斯举办的第六届ISPSD上,为IGBT设立了三个Session,分别是“Session2: IGBT 1Session 4: IGBT 2Session 9: IGBT 3”。当年入选的有关IGBT的文章近30篇。

未来,IGBT的发展目标是:大电流、高电压、低功耗、高频率、功能集成化、高可靠性。

而IGBT的未来发展趋势将表现为:(1)薄片工艺,为减少热阻,晶圆厚度将越来越薄,英飞凌已经可以减薄至50µm;(2)小管芯,管芯越小,越能提高电流密度,据称,目前管芯面积不足20年前的1/3;(3)大硅片,以英飞凌为代表的已经在12英寸晶圆上生产IGBT;(4)新材料,主要是以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的宽禁带材料。


2BCDMOS技术

BCDMOS是一种单芯片功率集成电路技术。1986年由意法半导体(STM)率先研制成功,使得能够在同一芯片上制作双极(Bipolar)、CMOSDMOS器件。

笔者发现,从1988年到2019年,每年都有BCD工艺相关的论文入选。

1988年在日本举行的第一次ISPSD会议上,特别邀请意法半导体到场演讲有关BCD技术的报告


BCD工艺向小尺寸发展,并采用多层金属结构,使导通电阻大幅降低,提高电流密度和效率,同时增加CMOS电路的集成度。

BCD工艺是电源管理芯片、显示驱动芯片、汽车电子芯片等的上佳选择,有广阔市场。

BCD工艺今后将朝高压、高功率、高密度方向发展

有专家表示,未来BCDSOI相结合是大势所趋。事实上,早在1991年就有讨论BCDSOI相结合的论文入选。

3、超结器件(Super Junction devices

超结结构突破了传统功率MOS器件的理论极限,被誉为功率MOS器件的里程碑器件。



1988年飞利浦(Philips)的D.J. Coe在其专利中首次提出在横向高压MOSFET中采用交替的PN结构提高漂移层耐压的方法。1993年中国内地的陈星弼教授提出的“复合缓冲层Composite Buffer LayerCB-Layer)”结构,在纵向功率器件中采用多个PN结作为耐压层。1995年西门子(Siemens)的J.Tihany在其美国专利中也提出类似思路。1997年富士电机(Fuji Electric)的Tatsuhiko Fujihira等在前人的研究基础上,正式提出超结(Super Junction)理论。之后 ,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:

超结主要是将传统的VDMOSN型漂移区替换为N区和P区交替形成的漂移区。D.J.Coe和陈星弼教授分别申请了美国专利。早期的研究工作奠定了超结理论的基石,为后来一系列基于此理论而设计的新型器件器件提供了基础。

1998年西门子推出第一款商用600V超结VDMOS器件“CoolMOSTM”,1999年西门子半导体部门分拆成立英飞凌,现在,英飞凌已经将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结理念的新技术生产低功耗VDMOS器件。

2001年在日本大阪举行的第13ISPSD会议上,特别设立“Session 10Super Junction”。


由于在超结功率半导体器件的卓越贡献,陈星弼教授于20155月获得ISPSD大会颁发的最高荣誉国际功率半导体先驱奖,是亚太地区首位获此殊荣的科学家;20185月他又成为中国首位入选ISPSD首届全球名人堂的科学家,全球一共32位;并当选2019年度IEEE Fellow

4、宽禁带(Wide Bandgap):碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN

宽禁带(Wide Bandgap)材料包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等。宽禁带材料在ISPSD受到了广泛的重视。

1990在日本东京举行的第2ISPSD会议上,特别邀请日本京都大学H.Matsunami教授做了题为《碳化硅半导体:功率器件的未来Semiconductor Silicon Carbide -Expectation for Power Devices》的报告。

之后,随着SiC领域的文章增多,1995年在日本横浜举行的第7ISPSD会议上,首次设立了“Session 5: SiCs”。

从开始发表的年份上比较,氮化镓(GaN)研究领域的文章要比碳化硅(SiC)晚上不少。

2003年在英国剑桥举行的第15ISPSD会议上,才首次收到有关GaN领域研究的文章,并有两篇文章入选大会做口头报告。


2004年在日本北九州市举行的第16ISPSD会议上,在原有的碳化硅(SiC)专场加上了氮化镓(GaN),变成“Session 5SiC and GaNWBG)”。

2005年在美国圣巴巴拉市举行的第17ISPSD会议上,设立“Session 11HV6):GaN and Diamond Devices”。

2006年在意大利那不勒斯举行的第18ISPSD会议上,设立“Session 10GaN Devices”。


一系列的情况都表明,宽禁带半导体是功率半导体器件的未来。

三、中国内地在ISPSD的表现

1、中国内地论文发表情况

1990在日本东京举行的第2ISPSD会议上,西安交通大学的徐传骧、张少云、冯玉柱、刘迪的论文《The Study of Deterioration Mechanism and Stability Technique of Surface Sustained Voltage of Power Electronic Devices 》入选,并在“Session 6-1: Modeling & Simulation of Devices”进行口头报告。


这是中国内地学者首次在ISPSD以第一作者单位发表论文。之后,沉寂了好长时间。

1999年在加拿大多伦多举行的第11ISPSD会议上,北京工业大学亢宝卫教授团队提交的论文《Monolithically Integrated Power Device Consisting of a GAT and a MPS Diode with Increased Switching Speed》入选,并在“SESSION 11:HV - Controlled Switches”进行口头报告。

2000年在法国图卢兹举行的第12ISPSD会议上,电子科技大学的李平教授团队提交的论文Novel Power MOS Devices with SiGe/Si Heterojunctions入选,并在Session: SiC”进行报告。

2003年在英国剑桥举行的第15ISPSD会议上,北京工业大学的亢宝卫教授团队提交的论文《Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts》入选,列入“Poster Session Group 6: Charge Compensation - 'superjunction' MOSFETs”。

2005年在美国圣巴巴拉举行的第17ISPSD会议上,东南大学时龙兴教授团队提交的论文《PDP scan driver with NVDMOS and RESURF PLDMOS》入选。

2006年在意大利那不勒斯举行的第18ISPSD会议上,电子科技大学张波教授团队提交的论文《Design and Optimization of a Versatile 700 V SPIC Process Using a Fully Implanted Triple-well Technology》入选。


2008年开始,中国内地每年都有论文入选ISPSD,且每年的入选论文数量都有所提升。


据芯思想研究院(ChipInsights)统计,从1990年中国内地第一篇文章入选,至2018年已经有120篇文章入选。其中高校116篇,产业界4篇。其中电子科技大学以53篇雄霸第一(其中张波教授团队45篇,陈星弼院士团队7篇,李平教授团队1篇),东南大学以26篇排第二,浙江大学以15篇排第三,其他分别是北京大学6篇,中科院5篇,北京工业大学4篇,华虹宏力、华中科技大学,西安电子科技大学、中山大学各为2篇,西安交通大学、株洲中车时代电气、英诺赛科各有一篇。

目前,中国内地高校有三大高产团队,分别是电子科技大学功率集成技术实验室(PITEL)、东南大学功率集成电路研发部(PIC)、浙江大学电气工程学院电力子器件团队(PEDL),三大团队共有86篇文章入选,占中国大陆总入选数的71.7%


不过三大高产团队各有特色,各有侧重。

电子科技大学功率集成技术实验室(PITEL)专注于功率半导体科学和技术研究,进行功率半导体器件和功率集成电路设计研发,包括分立器件(从高性能功率二极管、双极型功率晶体管、功率MOSFETIGBTMCTRF LDMOS,从硅基到SiCGaN)、可集成功率半导体器件(包括含硅基、SOI基和GaN基)和功率高压集成电路(含、高低压工艺集成、电源管理集成电路、功率集成电路、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。

东南大学功率集成电路(PIC)研发部是国家专用集成电路系统工程技术研究中心的重要组成部分,在南京、无锡和苏州设有三个实验室。功率集成电路研发部专注于功率器件与功率集成技术研究,开展了功率半导体器件与可靠性(包括超结DMOS、IGBT、SiC功率器件和GaN功率器件等)、高低压集成工艺(包括硅基BCD和SOI BCD等)、功率集成电路(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

浙江大学电气工程学院电力子器件团队(PEDL)一直以来致力于开展碳化硅和氮化镓等宽禁带功率半导体器件的研究,已经成功自主研制出了碳化硅超级结肖特基二极管、结势垒肖特基二极管、结型场效应晶体管、常关型氮化镓晶体管和垂直型氮化镓二极管,开发出了容量领先的碳化硅肖特基二极管模块、碳化硅结型场效应开关管模块以及碳化硅MOSFET功率模块,同时还基于宽禁带半导体功率器件的电力电子变压器、DC-DC变换器、PFC、充电桩等应用方向开展了一系列研究工作。


据最新消息,中国内地在ISPSD 2019会议上一共入选了36篇论文。三大高产团队总计入选24篇,其中电子科技大学入选13篇,数量居全球第一,文章主要集中在功率集成电路(4篇),高压器件(3篇)和低压器件(3篇)领域,在GaN器件和SiC器件领域则分别有2篇和1篇。浙江大学今年一共有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。东南大学今年则有5篇文章入选,包括低压器件2篇,高压器件1篇,功率集成电路1篇和GaN器件1篇。

2、中国内地专家在ISPSD TPC的影响

ISPSD2019技术程序委员会(Technical Program CommitteeTPC)共有61人,其中中国共有14位,占23%。其中中国内地8人(刘扬、罗小蓉、汤艺、杨树、游步东、张帅、赵振清、祝靖),中国香港1人(陈敬),中国台湾5人(瑞昱Tsung-Yi Huang、台积电蔡志强Tom Tsai、台湾清华大学黄智方Chih-Fang Huang、瀚薪科技李传英Chwan Ying Lee、台湾大学李坤彦Kung-Yen Lee)。

中国内地8人中来自高校的有4 人,分别是中山大学刘扬教授、电子科技大学罗小蓉教授、浙江大学杨树教授、东南大学祝靖副教授;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、矽力杰首席技术官游步东。


下面我们看看中国内地专家在历年TPC的情况。


2010年,中国内地学者正式进入ISPSD2011的技术程序委员会。当年电子科技大学微电子与固体电子学院)的张波教授进入高压(High Voltage)小组委员会,浙江大学电气工程学院)的盛况教授进入宽禁带(Wide Bandgap)小组委员会。

2013年公布的ISPSD2014技术程序委员会名单中,来自东南大学(电子科学与工程学院、微电子学院)的孙伟锋教授进入集成功率(Integrated Power)小组委员会,来自西安交通大学(电信学院)的张安平教授进入宽禁带(Wide Bandgap)小组委员会。

2015ISPSD在中国香港举行,浙江大学盛况教授担任TPC主席,电子科技大学张波教授担任TPC共同主席。在TPC名单中,我们看到作为新生力量,来自台积电的张帅(Shuai Zhang,原华虹宏力)进入高压(High Voltage)小组委员会。

2015年,来自电子科技大学(微电子与固体电子学院)的罗小蓉教授进入ISPSD2016技术程序委员会高压(High Voltage)小组委员会。张波教授和盛况教授由于任期时间限制,不再担任TPC委员。

2016年公布的ISPSD2017技术程序委员会名单中,中国内地专家名单没有变化。

2017公布的ISPSD2018技术程序委员会名单中,来自中山大学(物理科学与工程技术学院)的刘扬教授进入氮化镓与氮化物器件(GaN and Nitride Base Compound Materials)小组委员会。

2018年公布的ISPSD2019技术程序委员会名单中,来自东南大学(电子科学与工程学院、微电子学院)的祝靖副教授进入集成功率(Integrated Power)小组委员会,孙伟锋教授由于任期时间限制,不再担任TPC委员;来自浙江大学(电气工程学院)的杨树教授进入氮化镓与氮化物器件(GaN and Nitride Base Compound Materials)小组委员会。

3、中国内地在ISPSD的特邀报告情况

近几年来,随着政府支持和社会投入力度的不断加大,我国在功率半导体领域取得可喜的进步,并得到国际同行的认可。2015年到2017年连续三年有中国内地公司作为特邀报告单位,表明中国内地在功率半导体领域的重要性。

2015年,中车株洲电力机车研究所有限公司(原南车株洲研究所)作为特邀报告单位,在ISPSD2015上作了题了《电力电子器件在铁路运输牵引系统中的应用Application of Power Electronic Devices in Rail Transportation Traction System》的报告,其他三个特邀报告分别来自美国Efficient Power、 日本松下(Panasonic)和法国Yole Développement

2016年,国家电网公司旗下全球能源互联网研究院作为特邀报告单位,在ISPSD2016上作了题了《功率器件发展对电网的影响Impact of Power Electronic Device Development on Power Grids》的报告,其他三个特邀报告分别来自美国KKR、日本日产汽车(Nissan Motor)、瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)。

2017年,台达电子(上海)作为特邀报告单位,在ISPSD2017上作了题了《宽禁带功率器件在电源中的应用机遇与展望Application Opporunities and Expectation for Wide Bandgap Power Device In Power Supply》,其他三个特邀报告分别来自比利时鲁汶大学(Katholieke Universiteit Leuven)、日本安川电机(Yaskawa Electric)、美国纳微(Navitas)。

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