新型功率半导体器件发展之我见

高 勇

(西安卫光科技有限公司，陕西西安710065)

功率半导体器件主要用于各种设备的电源和驱动负载。所有电子系统既需要电源为其提供能量，也需要推动负载(电机，继电器等)执行处理结果，所以，功率器件对任何电子系统都是必不可少的。功率器件的应用已经遍及于各行各业。随着功率半导体器件的更新换代，除特大功率应用领域仍由晶闸管统治之外，以MOS场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的新型功率器件已经占据了主导地位;更新一代的宽禁带半导体器件的时代也已拉开序幕。

新型功率器件的重要性不只是用途广泛，还在于它具有显著的节能、节材、环保、促进装备小型化等效益。以新型功率器件为核心的开关电源技术的应用，已使电子装备的电源效率显著提高、重量和体积明显下降;变频调速技术的应用，明显降低了各类设备的能耗。新型功率器件还与新能源产业紧密相关:只有经过新型功率器件的转换，风电、光伏等新能源才能够接入电网。高压直流输电、有轨交通等新兴产业也大量需要新型功率器件。据测算，若全面推广以新型功率器件为核心的电力电子技术，全国每年节电相当于30个中型电厂的发电量。

我国的资源相对不足，目前正在高速发展，资源过度开采和环境污染将严重影响国家的持续发展。新型功率器件所具有的节能、节材、环保效益，对落实科学发展观、建立资源节约和环境友好型社会、实现国民经济可持续发展具有重要的促进作用。

但是，我国新型功率器件还刚刚起步，大部分产品为中低端产品，距离国际先进水平还有相当的距离，远不能满足经济建设的需要。因此，政府应对该产业给予充分重视，在政策上积极扶持，在研发方向上选择重点予以突破，使我国的功率器件产业早日赶上国际先进水平。

1 产品发展状况及国内外差距

功率器件的发展方向是不断降低自身功耗;即降低通态压降以减小静态功耗，提高开关速度以减小开关功耗。此外，高耐压、大电流、高温、小封装、模块化也是各类功率器件发展的共同趋势。新型功率器件的国内外发展状况及趋势如下:

1)MOS场效应晶体管(MOSFET)

在MOSFET出现之前，双极型晶体管(BJT)是速度最快的功率器件。由于少子储存效应，其开关时间难以突破1 μs，严重制约了电力电子技术的进一步发展。

MOSFET问世于1979年，它没有少子注入，开关时间只有数十纳秒，从而引发了所谓“20 kHz革命”，极大促进了开关电源、变频调速等电力电子技术的发展。除了快速开关之外，MOSFET还具有易驱动、无热奔、安全工作区宽等优点。目前，MOSFET已经在500 V以下应用中取得主导地位，600 V～1 200 V也有少量应用。

MOSFET的主要发展方向是降低导通电阻。初期的方法是优化掺杂结构、提高元胞密度，这就使技术不断向精细化发展，线宽由初期的微米级逐步精细到亚微米、深亚微米级。随后为了进一步减小导通电阻，在高压和低压两个方向上分别采用了不同的手段:

在低压端，JFET电阻在导通电阻中占据了较大比例。槽栅技术的出现，彻底消除了寄生JFET，使低压器件的导通电阻大为改善，由数10 mΩ减小到1 mΩ以下。东芝30 V槽栅器件的比导通电阻已经降到0.1 mΩ/cm2。

在高压端，漂移区电阻是导通电阻的主要部分。为了达到高耐压，势必采用较低的掺杂浓度和较厚的漂移区，结果则是导通电阻增加。为了解决这一矛盾，电子科技大学的陈星弼教授于1993年提出了以纵向交替排列导电类型相反的掺杂区作为漂移区，通过电荷平衡，使漂移区的电场趋向平均，这就使薄的漂移层就能承受高电压，甚至突破了平行平面结击穿电压的理论极限，从而大大降低了漂移区电阻、大幅减缓了通态压降随电压上升而快速增加的趋势，为高压MOSFET的进一步发展提供了理论准备;这一理论后来被称为Supper－Junction(SJ)。1998年，Infineon依据 SJ理论，制成了所谓CoolMOSFET，导通电阻比常规MOSFET减少了一个数量级。由于这一技术进步，甚至使MOSFET开始挤占IGBT的部分应用市场。目前，Infineon 650 V/75 A的Cool-MOSFET的导通电阻仅有19 mΩ，900 V产品也已系列化，900 V/36 A CoolMOSFET的导通电阻为120 mΩ。

当MOSFET在国外快速发展之时，国内却未充分重视，功率器件被当作是粗放型产品;功率器件厂家得不到充分支持，长期不具备微米、亚微米线条加工的工艺手段，我国的功率器件与国际先进水平的差距不断拉大。直至近年来，随着国内出现了多条6吋以上的功率器件生产线，国产MOSFET才在市场上出现，但主要限于中、低端产品，大部分产品为平面栅工艺，槽栅工艺刚开始量产，SJ工艺也未实现商品化，高端器件仍然依赖进口，尤其是抗辐照航天器件严重短缺。

2)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

在高压范围，MOSFET的导通电阻会增加到应用上不可接受的程度。为了降低通态压降，美国的一些研究者于上世纪70年代末提出了在MOSFET芯片背面增加PN结，形成少子注入;利用其电导调制效应减小漂移区电阻，这种器件后来被称为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT确实大大降低了高压器件的通态压降。由于有少子存储效应，其开关速度稍差，但仍明显优于BJT。1985年，GE公司制成了工业品IGBT。此后，IGBT在600V以上占据了功率开关器件的主导地位。

初期IGBT的漂移区采用穿通(PT)结构，饱和压降为负温度系数，易发生热奔。后改为非穿通(NPT)结构，饱和压降温度系数变负，消除了热奔，从此IGBT获得了大发展。NPT工艺采用单晶片制作，芯片在背面掺杂之前的厚度仅为一百多微米，很容易破碎，工艺难度比MOSFET进一步增加。

NPT工艺之后，IGBT向着进一步减小饱和压降的方向发展，主要技术是槽栅技术和软穿通(SPT)技术(或场阻止技术，FS)。槽栅技术消除了JFET电阻，SPT(或FS)是在背面P型掺杂层与漂移区之间加入缓冲层，使相同耐压下漂移区明显缩短，饱和压降显著减小。同时，这也使芯片厚度进一步减小到了一百微米以下。

IGBT的国外生产厂商有 Infineon，ABB，三菱，富士，东芝，IR等，其中ABB IGBT模块的耐压已经达到6 500 V，电流达到4 000 A。

薄片工艺是国产IGBT的主要拦路虎。近年来，国内个别厂家具备了薄片加工能力，国产的IGBT芯片得以问世，但市场仍完全被进口产品占据。

3)宽禁带半导体功率器件

随着槽栅、FS、SJ等技术的采用，Si器件的潜力几乎被挖掘殆尽。因此自上世纪末起，以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料成为研究热点。宽禁带半导体具有高击穿场强、高结温、高热导率等突出优点，能大幅度提高器件的耐压、电流密度、开关速度、和工作温度。其中SiC与Si器件工艺的兼容性较好，正在快速发展。

目前，SiC SBD和MOSFET已商品化，向Si FRED和IGBT发起了有力冲击。Cree、Infineon推出了600 V、1 200 V、1 700 V SiC SBD系列产品;Cree、Rohm推出了1 200 V SiC MOSFET;Cree还报道了10 kV/20 A的SiC MOSFET。尽管SiC SBD和MOSFET仍有相当大的提升空间，但其主要性能已远超同类Si器件。此外，Fairchild已推出了1 200 V SiC BJT系列产品，与Si BJT相比，具有压降低、速度快、无二次击穿、可直接并联等突出优点;SiC PIN二极管也涌现了很多成果，但商品化的器件尚未上市。

宽禁带功率器件展现了十分令人神往的发展前景，正走向成熟;它正在带来器件性能的飞跃提升，引发新一轮技术革命。宽禁带半导体所面临的工艺问题(单晶材料的缺陷、掺杂、退火、界面态控制、欧姆接触的制备等)正在得到解决;宽禁带半导体的时代已不再遥远，它正向我们款款而来;在恶劣工作环境和高可靠领域，它势必成为主流。

我国的部分单位也开展了宽禁带功率器件的研究，取得过众多研究成果。但宽禁带半导体工艺难度更大，工艺设备价格更昂贵，国内企业均不具备完整的生产条件，致使我国宽禁带半导体器件距离商品化还有相当大的距离。

2 工艺、环境、设备发展趋势与差距

新型功率器件对工艺、环境、设备的要求已经发生了重大变化:大功率不再简单粗放;新型功率器件的版图不再是简单的整体图案，而是由大量相同的单元密集重复排列构成;因此必须采用精细线条工艺，工艺线宽已由十多微米缩小到了亚微米、甚至深亚微米数量级;投影步进光刻、干法刻蚀、窄线条陡壁深槽刻蚀、多晶电极等IC工艺被移植到了功率器件的工艺中;新型功率器件多在6″－8″生产线进行芯片加工。IGBT采用超薄片工艺，必须采用专用设备才能加工。与此相应，新型功率器件所要求的净化环境也由原来的最高100级加严到10级、甚至1级;温湿度、防静电要求也更加严格。我国功率器件厂家未能及时跟进这一变化，长期不具备新型器件的生产条件，严重影响了新型功率器件的发展进程。2000年后，部分功率器件企业陆续引进了6″～8″生产线，才使这一局面开始改观;但引进线均为二手线，整体上仍然落后于国际先进水平。

在宽禁带半导体器件的生产条件方面，我国与国外差距更大。宽禁带半导体的外延、掺杂、退火等工艺设备与硅器件完全不兼容。我国企业不具备上述专用设备，只能眼看着国外产品占据我国广大的市场。

3 意见和建议

综上所述:功率器件应用广泛，市场广阔。新型功率器件具有节能、节材、环保等效益，可促进可持续发展，对于面临很大能源和环境压力的我国具有重要意义。尤其值得重视的是:宽禁带半导体功率器件的时代正在到来，它使功率器件的电压、电流容量飞跃增长，开关速度进一步提高，通态压降大幅度减小，具有更显著的节能效益，将引起新一轮技术革命。

然而，在新型功率器件方面，尤其是在宽禁带功率器件领域，我国与国际先进水平有很大的差距。硬件设施水平差、创新能力不足、部分重要技术尚未突破是造成产品滞后的重要原因。半导体是高投入产业，宽禁带半导体所需的专用设备价格尤其昂贵，企业难以承担。因此，国家应给予高度重视，在产业政策上大力支持。具体建议如下:

1)设立宽禁带功率器件专项资金项目，支持产、学、研结合，建立宽禁带功率器件研发生产基地，占领功率器件的技术制高点;

2)支持功率器件企业的技术改造，改善硬件设施，完善工艺手段，为新型功率器件的研发和产业化创造基础条件;

3)设立专项资金，资助企业突破SJ－MOSFET，中高压(100 V以上)Trench MOSFET、IGBT(尤其是 Trench－FS IGBT)等技术瓶颈，支持上述产品的研发和产业化;

4)建立人才基金，对在本行业技术创新、产品研发做出突出贡献的优秀人才进行精神和物质奖励，以促进本行业提高创新能力。