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功率半导体器件发展概述[1]

2015-02-09 14:16:22点击:

1.引言功率半导体器件是进行功率处理的半导体器件,它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心,它是微电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路(SmartPower IC-SPIC)。最早的功率器件是由少数载流子(少子)参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应,工作频率一般小于 1MHZ,且其输入阻抗低、驱动电流大。而且由于是正电流温度系数,故有二次击穿现象;随着多晶硅和平面工艺的发展,出现多数载流子(多子)参与输运的电压控制型器件,即场控功率器件。它可以分为两大类:主要的一类是 MOS 型功率器件,如垂直扩散 MOSVDMOS,绝缘栅双极晶体管(IGBT)和MOS 控制晶闸管(MCT)等;另一类是静电感应器件,如静电感应晶体管(SIT),双极型静电感应晶体管(BSIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。

功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、?;さ缏?、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。但随着PIC 的不断发展,两者在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分,已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分支,是功率 SoCSystem on Chip)的核心技术,它将信息采集、处理与功率控制合一,是引发第二次电子革命的关键技术[1]。

2.功率半导体器件发展现状

功率半导体器件的半导体衬底材料是影响功率器件发展的基础,下面分别以目前应用和研究最广泛的硅基和 SOI(SOI,Silicon-On-Insulator)基为例对功率器件的发展作简单的概述。

2.1 硅基功率器件

硅基功率器件是第一代半导体功率器件,在对硅、锗材料以及与之形成界面的氧化物、硅/金属研究成熟的基础上,出现了功率晶闸管、功率二极管、功率 MOS、IGBT 等。功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前商业化的功率二极管主要是 PiN 功率二极管和肖特基势垒功率二极管(SBD[2]。前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度,限制了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率,但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系,阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用,加之肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性,使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在 200 伏以下的电压范围内。

晶闸管(Thyristor, 也可称为可控硅--SCR)是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件,其最大电流额定值为 8000A,电压额定值可达 12kV。国外目前已能在 100mm 直径的硅片上工业化生产 8kV/4000A 的晶闸管。但晶闸管不能用门极控制其关断,需要复杂的辅助换流关断电路。因此,自八十年代以来,一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管门极关断晶闸管 GTO 得到迅速发展,目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典ABB 等多家厂商能在 6 吋硅片上生产 6kV/6kA,频率1kHz GTO,研制水平已达 8kV/8kA。但 GTO 仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的 di/dt dV/dt,以及小的安全工作区(Safe Operating AreaSOA),在工作时需要一个庞大的吸收(Snubber)电路。针对 GTO 的上述缺陷,在充分发挥 GTO 高压大电流下单芯片工作和低导通损耗的基础上,三种 MOS 栅控制且具有硬关断(Hard Switching)能力的新型大功率半导体器件瑞典ABB 公司和日本三菱电机公司提出的集成栅换流晶闸管(ABB 称为 Integrated Gate Commutated Thyristor-IGCT,日本三菱电机称为 Gate Commutated Turn-off Thyristor-GCT[3]。

多子导电的功率 MOSFET 显著地减小了开关时间,因而很容易达到 100kHz 的开关频率,冲破了电力电子系统中 20kHz 这一长期被认为是不可逾越的障碍。功率MOSFET 是低压(<100V)范围内最好的功率开关器件,但在高压应用时,其最大缺点是导通电阻随耐压的 2.5次方急剧上升,给高压功率 MOSFET 的应用带来了很大困难。在功率 MOSFET 领域,一种基于电子科技大学陈星弼院士中美发明专利[4],打破了传统功率 MOSFET理论极限,被国际上盛誉为功率 MOSFET 领域里程碑的新型功率 MOSFET⎯CoolMOSTM 1998 年问世并很快走向市场。CoolMOSTM由于采用新的耐压层(CB)结构(又称为 Super Junction 结构或者称为 Multi-RESURF 结构),在几乎保持功率 MOSFET 所有优点的同时,又有着极低的导通损耗。

横向双扩散 LDMOS 由于器件的漏极、源极和栅极都在芯片的表面,易于通过内部连接与低压信号电路集成,所以在 HVIC PIC 中作为高压功率器件特别适用。虽然提高击穿电压的终端技术有多种,但在 HVIC PIC中常用的是场板和 RESURF[5]REduced SURface Field)技术,通过 RESURF 技术可以不需要生长厚的外延层,用传统的集成技术在 5-8μm 的薄外延层上制造出高达1200V 的横向高压器件。在最近的发展中,为了满足实现在超薄有源层上与低压电路的集成(超薄有源层技术具有实现高低压隔离简单和工艺兼容性好的优点),我们提出通过 REBULF[6]REduced BULk Field)技术进一步使器件漏端的体电场降低,可以实现在超薄有源层上获得高耐压的需求,为实现功率集成提供了一种新的方案。

2.2 SOI 基功率半导体器件

绝缘体上硅(SOI)是在 80 年代迅速发展起来的一种新结构半导体材料。以 SOI 横向高压器件为基础的 SOI高压集成电路(High Voltage IC, HVIC),作为智能功率集成电路(Smart Power IC, SPIC)领域的一个新兴分支,近年来得到了迅速地发展[7]。SOI 横向高压器件作为 SOI高压集成电路的基石,受到了国内外众多半导体器件工作者的广泛关注和深入研究,并正逐步走向实用化和产业化阶段。

国内对高压 SOI 技术的研究起步较晚,从 1994 年开始有较多的关于 SOI 材料技术和低压 SOI 器件方面的报道。电子科技大学微电子所在北京大学和信息产业部电子 24 所的协助下,采用键合的方法,获得了较好的高压槽形埋层二氧化硅 SOI 材料,并在该材料上初步研制出耐压为 700V 的横向功率 MOS 型器件,并提出了 He 生空位局域寿命控制技术[8],有效地提高了器件的耐压和速度,已具备了研究 SOI 功率集成电路的能力。

SOI 高压器件作为 SOI SPIC 的核心器件,其击穿电压取决于横向击穿电压和纵向击穿电压的较低者。由于常规 SOI 结构埋层限制耗尽区向衬底扩展,衬底不能参与耐压,同时基于隔离和散热的考虑,顶层硅和埋氧层都不能做得太厚,因而SOI器件的纵向耐压成为限制SOI技术在功率集成电路领域应用的主要因素。在最近的 20年中人们提出了一系列的新技术和新结构[9-10],分别从横向和纵向来提高 SOI 高压器件的击穿电压。我们通过对 SOI 中介质层中电场和击穿电压的分析,提出了一种提高器件纵向耐压的新技术-介质场增强技术(EnbilfBuriedInsulator Layer Field),这种技术通过在传统 SOI埋层(I 层)中引入低介电系数的材料或通过使用图形化的结构突破了传统 SOI 结构中受界面电荷为零时的 3 倍电场关系,通过 Enbilf 技术,使 I 层中的电场大大提高,纵向击穿电压达到设计的要求。