新型功率半導(dǎo)體器件發(fā)展之我見

高 勇

(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安710065)

功率半導(dǎo)體器件主要用于各種設(shè)備的電源和驅(qū)動負載。所有電子系統(tǒng)既需要電源為其提供能量，也需要推動負載(電機，繼電器等)執(zhí)行處理結(jié)果，所以，功率器件對任何電子系統(tǒng)都是必不可少的。功率器件的應(yīng)用已經(jīng)遍及于各行各業(yè)。隨著功率半導(dǎo)體器件的更新?lián)Q代，除特大功率應(yīng)用領(lǐng)域仍由晶閘管統(tǒng)治之外，以MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的新型功率器件已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位;更新一代的寬禁帶半導(dǎo)體器件的時代也已拉開序幕。

新型功率器件的重要性不只是用途廣泛，還在于它具有顯著的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、促進裝備小型化等效益。以新型功率器件為核心的開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用，已使電子裝備的電源效率顯著提高、重量和體積明顯下降;變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，明顯降低了各類設(shè)備的能耗。新型功率器件還與新能源產(chǎn)業(yè)緊密相關(guān):只有經(jīng)過新型功率器件的轉(zhuǎn)換，風(fēng)電、光伏等新能源才能夠接入電網(wǎng)。高壓直流輸電、有軌交通等新興產(chǎn)業(yè)也大量需要新型功率器件。據(jù)測算，若全面推廣以新型功率器件為核心的電力電子技術(shù)，全國每年節(jié)電相當于30個中型電廠的發(fā)電量。

我國的資源相對不足，目前正在高速發(fā)展，資源過度開采和環(huán)境污染將嚴重影響國家的持續(xù)發(fā)展。新型功率器件所具有的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保效益，對落實科學(xué)發(fā)展觀、建立資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會、實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的促進作用。

但是，我國新型功率器件還剛剛起步，大部分產(chǎn)品為中低端產(chǎn)品，距離國際先進水平還有相當?shù)木嚯x，遠不能滿足經(jīng)濟建設(shè)的需要。因此，政府應(yīng)對該產(chǎn)業(yè)給予充分重視，在政策上積極扶持，在研發(fā)方向上選擇重點予以突破，使我國的功率器件產(chǎn)業(yè)早日趕上國際先進水平。

1 產(chǎn)品發(fā)展狀況及國內(nèi)外差距

功率器件的發(fā)展方向是不斷降低自身功耗;即降低通態(tài)壓降以減小靜態(tài)功耗，提高開關(guān)速度以減小開關(guān)功耗。此外，高耐壓、大電流、高溫、小封裝、模塊化也是各類功率器件發(fā)展的共同趨勢。新型功率器件的國內(nèi)外發(fā)展狀況及趨勢如下:

1)MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)

在MOSFET出現(xiàn)之前，雙極型晶體管(BJT)是速度最快的功率器件。由于少子儲存效應(yīng)，其開關(guān)時間難以突破1 μs，嚴重制約了電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展。

MOSFET問世于1979年，它沒有少子注入，開關(guān)時間只有數(shù)十納秒，從而引發(fā)了所謂“20 kHz革命”，極大促進了開關(guān)電源、變頻調(diào)速等電力電子技術(shù)的發(fā)展。除了快速開關(guān)之外，MOSFET還具有易驅(qū)動、無熱奔、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。目前，MOSFET已經(jīng)在500 V以下應(yīng)用中取得主導(dǎo)地位，600 V～1 200 V也有少量應(yīng)用。

MOSFET的主要發(fā)展方向是降低導(dǎo)通電阻。初期的方法是優(yōu)化摻雜結(jié)構(gòu)、提高元胞密度，這就使技術(shù)不斷向精細化發(fā)展，線寬由初期的微米級逐步精細到亞微米、深亞微米級。隨后為了進一步減小導(dǎo)通電阻，在高壓和低壓兩個方向上分別采用了不同的手段:

在低壓端，JFET電阻在導(dǎo)通電阻中占據(jù)了較大比例。槽柵技術(shù)的出現(xiàn)，徹底消除了寄生JFET，使低壓器件的導(dǎo)通電阻大為改善，由數(shù)10 mΩ減小到1 mΩ以下。東芝30 V槽柵器件的比導(dǎo)通電阻已經(jīng)降到0.1 mΩ/cm2。

在高壓端，漂移區(qū)電阻是導(dǎo)通電阻的主要部分。為了達到高耐壓，勢必采用較低的摻雜濃度和較厚的漂移區(qū)，結(jié)果則是導(dǎo)通電阻增加。為了解決這一矛盾，電子科技大學(xué)的陳星弼教授于1993年提出了以縱向交替排列導(dǎo)電類型相反的摻雜區(qū)作為漂移區(qū)，通過電荷平衡，使漂移區(qū)的電場趨向平均，這就使薄的漂移層就能承受高電壓，甚至突破了平行平面結(jié)擊穿電壓的理論極限，從而大大降低了漂移區(qū)電阻、大幅減緩了通態(tài)壓降隨電壓上升而快速增加的趨勢，為高壓MOSFET的進一步發(fā)展提供了理論準備;這一理論后來被稱為Supper－Junction(SJ)。1998年，Infineon依據(jù) SJ理論，制成了所謂CoolMOSFET，導(dǎo)通電阻比常規(guī)MOSFET減少了一個數(shù)量級。由于這一技術(shù)進步，甚至使MOSFET開始擠占IGBT的部分應(yīng)用市場。目前，Infineon 650 V/75 A的Cool-MOSFET的導(dǎo)通電阻僅有19 mΩ，900 V產(chǎn)品也已系列化，900 V/36 A CoolMOSFET的導(dǎo)通電阻為120 mΩ。

當MOSFET在國外快速發(fā)展之時，國內(nèi)卻未充分重視，功率器件被當作是粗放型產(chǎn)品;功率器件廠家得不到充分支持，長期不具備微米、亞微米線條加工的工藝手段，我國的功率器件與國際先進水平的差距不斷拉大。直至近年來，隨著國內(nèi)出現(xiàn)了多條6吋以上的功率器件生產(chǎn)線，國產(chǎn)MOSFET才在市場上出現(xiàn)，但主要限于中、低端產(chǎn)品，大部分產(chǎn)品為平面柵工藝，槽柵工藝剛開始量產(chǎn)，SJ工藝也未實現(xiàn)商品化，高端器件仍然依賴進口，尤其是抗輻照航天器件嚴重短缺。

2)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)

在高壓范圍，MOSFET的導(dǎo)通電阻會增加到應(yīng)用上不可接受的程度。為了降低通態(tài)壓降，美國的一些研究者于上世紀70年代末提出了在MOSFET芯片背面增加PN結(jié)，形成少子注入;利用其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減小漂移區(qū)電阻，這種器件后來被稱為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。IGBT確實大大降低了高壓器件的通態(tài)壓降。由于有少子存儲效應(yīng)，其開關(guān)速度稍差，但仍明顯優(yōu)于BJT。1985年，GE公司制成了工業(yè)品IGBT。此后，IGBT在600V以上占據(jù)了功率開關(guān)器件的主導(dǎo)地位。

初期IGBT的漂移區(qū)采用穿通(PT)結(jié)構(gòu)，飽和壓降為負溫度系數(shù)，易發(fā)生熱奔。后改為非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)，飽和壓降溫度系數(shù)變負，消除了熱奔，從此IGBT獲得了大發(fā)展。NPT工藝采用單晶片制作，芯片在背面摻雜之前的厚度僅為一百多微米，很容易破碎，工藝難度比MOSFET進一步增加。

NPT工藝之后，IGBT向著進一步減小飽和壓降的方向發(fā)展，主要技術(shù)是槽柵技術(shù)和軟穿通(SPT)技術(shù)(或場阻止技術(shù)，F(xiàn)S)。槽柵技術(shù)消除了JFET電阻，SPT(或FS)是在背面P型摻雜層與漂移區(qū)之間加入緩沖層，使相同耐壓下漂移區(qū)明顯縮短，飽和壓降顯著減小。同時，這也使芯片厚度進一步減小到了一百微米以下。

IGBT的國外生產(chǎn)廠商有 Infineon，ABB，三菱，富士，東芝，IR等，其中ABB IGBT模塊的耐壓已經(jīng)達到6 500 V，電流達到4 000 A。

薄片工藝是國產(chǎn)IGBT的主要攔路虎。近年來，國內(nèi)個別廠家具備了薄片加工能力，國產(chǎn)的IGBT芯片得以問世，但市場仍完全被進口產(chǎn)品占據(jù)。

3)寬禁帶半導(dǎo)體功率器件

隨著槽柵、FS、SJ等技術(shù)的采用，Si器件的潛力幾乎被挖掘殆盡。因此自上世紀末起，以SiC、GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料成為研究熱點。寬禁帶半導(dǎo)體具有高擊穿場強、高結(jié)溫、高熱導(dǎo)率等突出優(yōu)點，能大幅度提高器件的耐壓、電流密度、開關(guān)速度、和工作溫度。其中SiC與Si器件工藝的兼容性較好，正在快速發(fā)展。

目前，SiC SBD和MOSFET已商品化，向Si FRED和IGBT發(fā)起了有力沖擊。Cree、Infineon推出了600 V、1 200 V、1 700 V SiC SBD系列產(chǎn)品;Cree、Rohm推出了1 200 V SiC MOSFET;Cree還報道了10 kV/20 A的SiC MOSFET。盡管SiC SBD和MOSFET仍有相當大的提升空間，但其主要性能已遠超同類Si器件。此外，F(xiàn)airchild已推出了1 200 V SiC BJT系列產(chǎn)品，與Si BJT相比，具有壓降低、速度快、無二次擊穿、可直接并聯(lián)等突出優(yōu)點;SiC PIN二極管也涌現(xiàn)了很多成果，但商品化的器件尚未上市。

寬禁帶功率器件展現(xiàn)了十分令人神往的發(fā)展前景，正走向成熟;它正在帶來器件性能的飛躍提升，引發(fā)新一輪技術(shù)革命。寬禁帶半導(dǎo)體所面臨的工藝問題(單晶材料的缺陷、摻雜、退火、界面態(tài)控制、歐姆接觸的制備等)正在得到解決;寬禁帶半導(dǎo)體的時代已不再遙遠，它正向我們款款而來;在惡劣工作環(huán)境和高可靠領(lǐng)域，它勢必成為主流。

我國的部分單位也開展了寬禁帶功率器件的研究，取得過眾多研究成果。但寬禁帶半導(dǎo)體工藝難度更大，工藝設(shè)備價格更昂貴，國內(nèi)企業(yè)均不具備完整的生產(chǎn)條件，致使我國寬禁帶半導(dǎo)體器件距離商品化還有相當大的距離。

2 工藝、環(huán)境、設(shè)備發(fā)展趨勢與差距

新型功率器件對工藝、環(huán)境、設(shè)備的要求已經(jīng)發(fā)生了重大變化:大功率不再簡單粗放;新型功率器件的版圖不再是簡單的整體圖案，而是由大量相同的單元密集重復(fù)排列構(gòu)成;因此必須采用精細線條工藝，工藝線寬已由十多微米縮小到了亞微米、甚至深亞微米數(shù)量級;投影步進光刻、干法刻蝕、窄線條陡壁深槽刻蝕、多晶電極等IC工藝被移植到了功率器件的工藝中;新型功率器件多在6″－8″生產(chǎn)線進行芯片加工。IGBT采用超薄片工藝，必須采用專用設(shè)備才能加工。與此相應(yīng)，新型功率器件所要求的凈化環(huán)境也由原來的最高100級加嚴到10級、甚至1級;溫濕度、防靜電要求也更加嚴格。我國功率器件廠家未能及時跟進這一變化，長期不具備新型器件的生產(chǎn)條件，嚴重影響了新型功率器件的發(fā)展進程。2000年后，部分功率器件企業(yè)陸續(xù)引進了6″～8″生產(chǎn)線，才使這一局面開始改觀;但引進線均為二手線，整體上仍然落后于國際先進水平。

在寬禁帶半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)條件方面，我國與國外差距更大。寬禁帶半導(dǎo)體的外延、摻雜、退火等工藝設(shè)備與硅器件完全不兼容。我國企業(yè)不具備上述專用設(shè)備，只能眼看著國外產(chǎn)品占據(jù)我國廣大的市場。

3 意見和建議

綜上所述:功率器件應(yīng)用廣泛，市場廣闊。新型功率器件具有節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保等效益，可促進可持續(xù)發(fā)展，對于面臨很大能源和環(huán)境壓力的我國具有重要意義。尤其值得重視的是:寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的時代正在到來，它使功率器件的電壓、電流容量飛躍增長，開關(guān)速度進一步提高，通態(tài)壓降大幅度減小，具有更顯著的節(jié)能效益，將引起新一輪技術(shù)革命。

然而，在新型功率器件方面，尤其是在寬禁帶功率器件領(lǐng)域，我國與國際先進水平有很大的差距。硬件設(shè)施水平差、創(chuàng)新能力不足、部分重要技術(shù)尚未突破是造成產(chǎn)品滯后的重要原因。半導(dǎo)體是高投入產(chǎn)業(yè)，寬禁帶半導(dǎo)體所需的專用設(shè)備價格尤其昂貴，企業(yè)難以承擔(dān)。因此，國家應(yīng)給予高度重視，在產(chǎn)業(yè)政策上大力支持。具體建議如下:

1)設(shè)立寬禁帶功率器件專項資金項目，支持產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，建立寬禁帶功率器件研發(fā)生產(chǎn)基地，占領(lǐng)功率器件的技術(shù)制高點;

2)支持功率器件企業(yè)的技術(shù)改造，改善硬件設(shè)施，完善工藝手段，為新型功率器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造基礎(chǔ)條件;

3)設(shè)立專項資金，資助企業(yè)突破SJ－MOSFET，中高壓(100 V以上)Trench MOSFET、IGBT(尤其是 Trench－FS IGBT)等技術(shù)瓶頸，支持上述產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化;

4)建立人才基金，對在本行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)做出突出貢獻的優(yōu)秀人才進行精神和物質(zhì)獎勵，以促進本行業(yè)提高創(chuàng)新能力。