大功率半导体技术现状及其进展









摘要:介绍了现代硅基大功率半导体器件的历史演变和新型器件结构的研究进展,以及宽禁带半导体材料和器件的现状;阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和新能源汽车等领域的研发进展和应用现状;最后讨论了大功率半导体技术面临的技术挑战和发展趋势。


0  引言


经过 60 余年的技术发展,大功率半导体行业已经开发出多种硅(Si)基功率器件,单极型器件以金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor,MOS)为代表,双极型器件包括二极管、功率晶体管和晶闸管等,复合型器件包括绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)等。围绕功率转换,功率半导体器件结构和工艺以提高功率容量、增大功率密度、降低功率损耗和提升能源转换效率为主要的技术发展方向 [1-2] 。


功率半导体器件的发展不断推动着能源技术和轨道牵引传动技术的发展。1957 年晶闸管的发明使得牵引传动技术进入电力电子技术时代 [1],晶闸管的诞生促进了交直传动技术的进步与发展。1965 年第 1 台晶闸管整流机车问世,同时全球也兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。20 世纪 70 年代初,大功率晶闸管特别是门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor, GTO)的出现和微机控制技术的发展,推动了交流传动技术逐步取代交直传动技术。20 世纪 90 年代中期,随着高压 IGBT 技术的成熟,交流传动功率开关器件被 IGBT 所取代,在高速、重载和城市轨道交通等领域获得广泛应用。


功率半导体技术经过 60 余年发展,器件阻断能力和通态损耗的折衷关系已逐渐逼近硅基材料物理极限,因此宽禁带材料与器件越来越受到重视,尤其是以碳化硅(SiC)和氮化镓 (GaN) 为代表的第 3 代半导体材料为大功率半导体技术及器件带来了新的发展机遇。


1  功率半导体器件的历史演变


与集成电路发展一样,功率半导体的起源可以上溯到 1947 年美国贝尔实验室发明的世界上第 1 只锗基双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)[1],基极是控制极,通过较小的输入电流来控制集电极和发射极之间的电压和电流。由于锗基 BJT 在热稳定性方面的缺陷,20 世纪 60 年代逐渐被硅基 BJT 取代,典型的双极型晶体管结构如图 1 所示。功率 BJT 具有低饱和压降和低成本优势,但由于其驱动功率大和热稳定性差,因而逐渐被取代。


1957 年,美国 GE 公司发明了第 1 只用于工业功率转换与控制的晶闸管(Silicon Controlled Rectififier, SCR)[2],结构如图 2 所示,通过在栅极和阴极之间加上一定正电压,器件可导通。晶闸管能以小电流控制较大的功率,标志电能的变换、传输和应用进入新的技术发展时代。电力电子变换装置开始广泛应用于工业、交通和能源等各个领域,实现了弱电控制强电,并完成大功率电能控制的目的,电力电子技术得到了飞速发展,其中 4 kA/8 kV等级晶闸管在本世纪初已经进入大批量应用。


大功率半导体技术现状及其进展的图1


在晶闸管发明后的几十年,陆续研究开发了双向晶闸管、光触发晶闸管和非对称晶闸管等新型结构器件 [3],极大地丰富了晶闸管家族,为交直传动和高压直流输电等大功率应用提供了更多的选择。为了克服晶闸管无法通过栅极关断的弱点,门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor, GTO)于 1960 年被推出 [4] ,通过门极环绕分立阴极并联、降低导通时饱和深度等结构与工艺优化,实现了门极关断控制,极大地简化了复杂的配套电路,提高了可靠性。目前,GTO 容量已达到 10 kA/10 kV,在各种自关断型器件中容量最大,在电力系统等领域具有明显优势。1997 年,瑞士ABB 公司研发的集成门极换流晶闸管(Integrated GateCommutated Thyristor, IGCT)将 GTO 单元、反并联二极管和驱动控制电路集成在一起(IGCT 晶圆和典型封装形式如图 3 所示),成为一种具有低成本、低损耗、高功率密度和高可靠性的新型器件 [5] 。


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1959 年,美国贝尔实验室开发出 MOSFET[6],并将其应用于集成电路领域。功率 MOSFET 结构如图 4所示,采用传统 MOSFET 设计原理,通过大量元胞并联和垂直导电结构,实现高耐压和大电流能力,通过改变“栅极 - 源极”之间的电压,控制器件开关状态。功率 MOSFET 是一种压控型器件,具有输入阻抗高、开关速度快和驱动电路设计简单的特点,更容易实现应用系统的集成化,具有正温度系数,有利于多个器件的并联使用。功率 MOSFET 通过多数载流子导电,其开关速度很快,工作频率很高,但随着器件耐压提高,通态电阻急剧增大,二者形成相互制约,限制了其在高压系统中的应用。


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在 20 世纪 80 年代初,通过把 MOSFET 与 BJT 的技术优点结合,促成了新型功率器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的发明 [7] ,其思路是通过电压控制的 MOSFET 给 BJT 提供基极电流,实现器件的高输入阻抗和低导通损耗。IGBT 由美国 GE 公司和 RCA 公司于 1983 年推出,并于 1986年开始形成系列化产品,结构如图 5 所示,当“栅极- 发射极”之间的电压超过 MOSFET 的栅极阈值电压时,MOS 沟道打开,向 PNP 型 BJT 基极注入电流,开通 BJT。由于集电极侧 P 型半导体向 N 型基区注入少子,在基区中形成了电导调制效应,可在保证耐压的同时,极大地降低导通电阻,形成了耐压与导通电阻的良好折衷关系。IGBT 集 MOSFET 电压控制特性和 BJT 低导通电阻特性于一体,具有驱动简单、驱动功率小、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低、工作频率高等特点,继承了 MOSFET 较宽的安全工作区(Safe Operation Area, SOA)特性,是电力电子器件家族中最重要的成员之一。IGBT 经历了平面穿通型、平面非穿通型、沟槽栅场截止型和精细沟槽栅型等 7 代结构的迭代优化,并衍生出了逆导型 IGBT(Reverse Conducting IGBT, RC-IGBT)、逆阻型 IGBT (Reverse Blocking IGBT, RB-IGBT)和超级结型 IGBT(Super Junction IGBT, SJ-IGBT)等新型器件结构。


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RC-IGBT 将 IGBT 元胞和快恢复二极管(FastRecovery Diode, FRD)元胞集成在 1 个芯片上 [8] ,FRD与 IGBT 反并联连接,其结构如图 6 所示。RC-IGBT 将集电极部分 P 型掺杂区域替换为 N 型掺杂区域,从而与发射极 P 型掺杂区域形成 PIN(P-Intrinsic-N)二极管,作为续流二极管使用。目前,RC-IGBT 除了应用在电压谐振外,还扩展到硬开关领域。RB-IGBT 结构如图 7所示 [9],利用 RB-IGBT 反向并联可实现双向切换,在T 型中点箝位三电平逆变器中,可以提高功率转换效率。


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SJ-IGBT 通过在传统 MOSFET 的漂移区中引入超结结构,可达到导通损耗的明显降低 [10];通过优化电场分布实现在超薄芯片上保持所需的击穿电压。SJ IGBT 漂移区由掺杂极性相反但净掺杂浓度相等的柱构成,用来实现电荷补偿,其基本结构如图 8 所示。


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第 1 代至第 7 代 IGBT 的结构和性能对比如表 1 [11]所示,每一代 IGBT 芯片在电流密度、耐压性能、开关性能和导通性能方面,都比上一代产品更具明显优势,达到了对半导体材料更高效利用的目的。


20 世纪 90 年代,注入增强栅晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)[12] 由东芝公司提出,并开始替代 GTO。IEGT 的结构示意如图 9 所示,其元胞结构与 IGBT 类似,但其栅极比 IGBT 更深更宽,增加了栅极至发射极的电阻,阻止载流子流过发射极侧以增加 N 型基区中发射极附近载流子浓度,这种结构在较高“集电极 - 发射极”电压的情况下,有助于减小导通压降。


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经过近 60 多年的持续开发与迭代,传统硅基功率器件性能已经逐渐逼近硅材料的极限,21 世纪初,各产业龙头相继开始了以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带(Wide Bangap, WBG)器件的研发 [13]。由于 WBG 材料在跃迁能级、饱和漂移速率和导电导热性能方面具有优势, SiC MOSFET 和 GaN 高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)等器件 [14]非常适合应用于高压、高温、高频和高功率密度等领域,这也带来了电力电子器件发展的新机遇。如图 10 所示,宽禁带半导体器件的成熟与应用,极大地拓展了功率半导体器件家族的应用领域,具有了更优异的器件性能和更广阔的开关频率范围。


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目前,以 IV 族化合物 SiC 和 III-V 族化合物 GaN为代表的第3代半导体材料成为了最受重视的材料 [15] 。SiC 以其 3.26 eV 的宽带隙和高导热率等优异性能,在1 200 V 以上的功率器件应用中得到了长足的发展,SiC MOSFET 正逐渐在电动汽车和新能源等高端应用领域中占据越来越多的市场份额。但 SiC 衬底和外延材料还不够成熟,高活跃性的碳原子的存在使 SiC 晶圆面临高缺陷密度、成本高和器件良率低等一系列挑战,同时SiC MOSFET 栅极氧化层普遍存在可靠性问题,这是SiC 功率半导体器件工艺的主要难题之一 [16] 。


GaN 目前主要应用于 650 V 电压等级以下,其特殊的异质结结构和二维电子气可以产生极高的电子迁移率,达到极高的开关频率,在射频和蓝光 LED 等高频领域得到深入研究和应用。随着工艺技术的发展,GaN 器件在 5G 通信、数据中心、不间断电源(UPS)和快速充电等领域也得到了广泛关注。目前,主流GaN 器件是在硅衬底上生长的,从而能够与硅器件共用工艺平台,硅基 GaN 在成本上占据显著优势 [17] 。


此外,以氮化铝(AlN)、氧化镓(Ga2O3)和金刚石为代表的禁带宽度超过 4 eV 的超宽禁带半导体材料也受到了人们的关注 [18]。但由于这类超宽禁带半导体的生产工艺复杂和成本过高,限制了其市场规模,目前主要用于超高压器件和高敏传感器等特殊应用领域 [19] 。


伴随着全球半导体产业的技术革命与进步,大功率半导体器件发展 60 多年,围绕器件的功率容量、工作频率和转换效率经历了 3 次大的技术跨越:① 从半控型晶闸管到全控型 GTO,促进了传动技术从直流传动向交流传动的进步。② 从电流驱动 GTO 到电压驱动IGBT,实现了数字控制,应用更简单和智能。③ 从硅基 IGBT 到宽禁带器件,系统更加紧凑和轻量化、损耗更低、开关速度更快。


2  国内大功率半导体器件技术研究与应用


国内大功率半导体器件开发始于 20 世纪 60 年代初,从硅整流二极管和晶闸管起步,经过近 60 年的发展,已经具备大功率晶闸管、IGCT、IGBT 和宽禁带器件的设计、开发与制造能力,满足了工业、能源和交通等各个领域的应用需求。功率半导体器件伴随我国铁道电气化事业的发展而成长壮大,见证了我国高压直流输电技术的发展,可支撑“双碳”愿景下交通与能源领域的应用需求。


2.1 轨道交通牵引


中国铁道电气化的发展史也是国内功率半导体技术创新与产业进步史。1971 年,国内轨道交通领域研发出 500 A/2 400 V 硅整流二极管,用其替代了汞引燃管,电力机车进入硅整流时代;1979 年,研制成功直径 50.2 mm 600 A/2 800 V 晶闸管,满足了 SS3 型相控整流电力机车应用需要;1985年,引进美国西屋公司2.5英寸(63.5 mm)晶闸管制造技术,在此基础上开发了SS4 型、SS6 型、SS8 型和 SS9 型电力机车所需要的直径 66.7 mm 和直径 76.2 mm 系列烧结型功率半导体器件;1999 年,自主研发并掌握了先进的全压接技术,开发了直径 88 mm 全压接晶闸管和整流二极管,满足了 SS7 型电力机车应用需求,同时设计开发了直径 125mm 3 500 V 全压接器件,并应用在 SS4G 电力机车上,彻底结束了机车硅机组器件并联历史,提高了应用可靠性。经过 40 年的发展,全国产化的功率器件满足了韶山系列电力机车批量应用需求,有力支撑了中国铁道电气化事业的健康发展。


21 世纪,中国铁路进入高速重载时代,急需开发高压 IGBT 以支撑交流传动技术的发展。国内 IGBT 产业化主要有“引进芯片 + 自主封装”和“并购→消化吸收→再创新”2 种技术路线,并且 2 种路线都获得了发展。牵引级高压IGBT模块是基于平面栅“U型”元胞、发射极注入增强和平面栅软穿通(SPT)结构特征而设计开发的第4代“DMOS+ IGBT”和配套的FRD芯片[20] ,基于该芯片研制了 1 500 A/3 300 V 高功率密度 IGBT 模块 [21-22],并在“和谐号”大功率机车和地铁牵引变流器中获得应用和批量推广。2014 年,自主设计并建成全球首条直径 200 mm 高压 IGBT 芯片生产线,开发了以高能质子注入和激光退火为特征的低温缓冲层技术和成套先进工艺,实现了高压 IGBT 芯片制造从直径150 mm 到直径 200 mm 晶圆工艺的技术跨越 [23]。基于200 mm 晶圆工艺技术平台,开发了 1 500 A/3 300 V,750 A/6 500 V 高性能 IGBT 模块 [24-27],总体性能达到国外同类产品先进水平,满足了“复兴号”高速铁路应用需求,现场失效率优于国外同类产品。


中国铁道电气化 60 多年来,从交直传动到交流传动,从普速轻载到高速重载,国产功率半导体器件(如图 11 和图 12 所示)起到了巨大推动作用,高压 IGBT在中国高铁的应用正逐步展开,并将快速扩大应用。


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为适应轨道交通绿色、环保和智能的发展要求,配合新一代高性能牵引变流器研究,基于 6 英寸 SiC芯片生产线工艺能力,设计开发了 32 A/3 300 V、47 A/3 300 V SiC MOSFET 和配套的肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD),开展了 SiC 芯片低感封装技术研究与工艺探索,研制了如图 12 所示的450 A/3 300 V 半桥型混合 SiC 模块和 750 A/3 300 V 半桥型全 SiC 模块 [28-29] 。


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2.2 高压直流输电


在国产功率器件服务中国轨道交通的 40 余年,在高压大功率晶闸管设计与制造领域积累了丰富经验,自主研发并掌握了先进的全压接技术。2006 年初,面向国家特高压直流输电重大战略需求,配合国家电网公司开始研制 6 英寸高压直流输电晶闸管。通过铝杂质源转移扩散方法 [30],优化杂质分布,突破了高温深结扩散、双负斜角台面造型和防爆封装等关键技术,研制出全球第 1 只 6 英寸 4 000 A/8 000 V 高压晶闸管 [31-32];基于灵宝背靠背直流工程需要,设计开发了6 英寸 4 500 A/7 200 V 晶闸管;经过多轮技术迭代和工程验证,自主研发了 ±1 100 kV 特高压直流输电用6 英寸 5 000 A/8 500 V 晶闸管 [33](如图 13 所示),并先后完成国内外 20 余个高压直流输电工程项目应用。我国晶闸管技术实现行业领跑,支撑了特高压直流输电技术与产业可持续发展。


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随着新能源的大规模开发利用和接入并网,以及柔性直流输电技术的发展,行业对具有自主关断能力的大功率半导体器件提出了迫切需求 [34-36]。基于电网系统应用特点和对产品参数均匀性的要求,通过引入 JFET区注入、空穴阻挡层 (Hole Barrier) 和台面栅 (TerraceGate) 等元胞优化技术,实现改进型 IGBT 元胞设计,提升了 IGBT 芯片整体性能,同时基于此设计开发了智能电网用焊接型高功率密度 1 500 A/3 300 V IGBT模块,其芯片结构和模块开关特性如图 14 所示 [37] ,该产品已在厦门柔直和渝鄂背靠背等工程中获得成功。


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随着电力系统的电力电子柔性化进程加快,焊接型 IGBT 模块在容量、效率、电路拓扑和可靠性等方面都难以满足应用需求,而压接型 IGBT 作为一种容量更大、更易串联应用的新型封装形式,是高压柔性直流输配电技术的关键核心器件。基于应用需求,对大规模 IGBT 芯片压接封装过程中面临的“机 - 电 - 热”强耦合条件下的芯片均流原理已有了深入研究 [38-40] :文献 [40] 首次完成了大尺寸 IGBT 芯片设计研究,及其力学增强、方形陶瓷管壳和压接封装等关键技术研究;文献 [38] 提出了 IGBT 低时延栅极互连与元胞栅电阻结构,完成了 IGBT 元胞开关同步与均流控制技术研究,开发了全球最大容量的 600 A/4 500 V IGBT 芯片;文献 [39] 提出了 IGBT 大芯片低温银烧结工艺与芯片增强技术,解决了高压 IGBT 压接封装过程中的均压和均流等技术难题,研制了低损耗和高关断能力的3 600 A/4 500 V 大容量压接型 IGBT, 其元胞结构、芯片和模块如图 15 所示,产品在张北 ±500 kV 直流电网和乌东德 ±800 kV 特高压直流输电工程获得成功应用与推广。


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此外,国产 IGCT 通过优化 P 基区掺杂分布、使用质子辐照和配套新型门驱等关键技术增强了 IGCT 门极载流子抽取效率,研制出直径为 91 mm 的 5 kA/4.5 kVIGCT ( 图 16 (a)) [41],可作为高压柔性直流输电技术的另一种解决方案。在 2018 年 12 月投入运行的珠海“互联网 +”智慧能源示范工程中,鸡山换流站的10 kV/10 MW 模块化多电平变流器(Mudular MultilevelConverter, MMC)采用了国产 IGCT 器件,这是国产器件在柔性直流输电换流阀上的首次应用;在建设中的东莞交直流混合配电网,也应用了基于 IGCT-Plus技术研发的 ±375 V 固态式直流断路器,实现了国产IGCT-Plus 器件在固态式直流断路器中的首次应用,如图 16 (b) [42] 所示。


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2.3  汽车电动化


车规级功率器件要适应汽车应用场景下高温、高湿和强振动的运行环境和复杂电磁环境下频繁启停、功率循环与温度冲击的应用工况,使得电动汽车更高效、更节能地完成能量的传递与输出。电动汽车性能的不断提升对功率器件提出了更高的要求,主要体现在芯片损耗、模块电流输出能力和温度循环寿命 3 个方面,低损耗与整车电耗、续驶里程强相关,电流输出能力关系到电机输出功率,而温度循环寿命代表功率器件适应不同环境的可靠性与使用寿命。


为了降低芯片损耗,薄片技术与精细沟槽成为主流发展方向,我国也开发了汽车用 IGBT 芯片的独特结构、技术和工艺 [43-44](如图 17 所示),嵌入式发射极沟槽 IGBT (Recessed Emitter Trench IGBT, RETIGBT)芯片通态损耗同比降低 15% 以上,与国外同类产品相比,栅极电阻对开关损耗具有更好的调控效果。图 17(c) 实线与虚线分别代表国外主流产品与国产 IGBT,蓝线与红线分别代表关断损耗与开通损耗。


对于 750 V 车规级的 IGBT 芯片而言,电流密度已从200 A/cm2 和 275 A/cm2 ,发展到 315 A/cm2 ,通过逆导结构进一步提高芯片电流密度, 750 V 车规级 IGBT 芯片电流密度有望超过 350 A/cm2。


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目前,750 V 功率器件是乘用车应用的主流,1 200 V 功率器件是电动大巴应用的主流。随着快充技术的发展,功率器件阻断电压会逐步提高到 1 200 V,SiC MOSFET 开关频率将从硅基 IGBT 的 10 kHz 提高到 15 kHz 或更高,电流密度与开关损耗的折衷更有优势,但必须解决好沟槽栅设计、栅氧可靠性、薄片工艺等关键技术和材料成本高、制造效率低的劣势。


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车规级功率器件封装面临功率密度与应用可靠性的巨大挑战,需解决好模块低感结构设计、高散热效率封装和高温封装等一系列材料、结构和工艺上的难题。满足 175 ℃高温运行是车规级别器件基本需求,因此平面封装和双面散热模块有很好的应用前景。


国产车规级功率器件已经形成包括标准封装、Pin-fifin(针翅)单面水冷和双面散热封装等系列化产品(见图 18),可以满足各种功率等级电机控制器应用需求,并通过了车厂严格验证与考核,开始批量应用推广,有能力支撑汽车电动化的应用进程。

综上所述,基于国内功率半导体在轨道交通、电力系统和汽车电动化 3 个领域多年的技术积累,形成了晶闸管、IGCT、IGBT 和 SiC 完整的技术体系和产能布局,可支撑基于“双碳”愿景下新能源的生产、输送、配电、储能、用电环节功率半导体应用需求。


3 大功率半导体技术发展趋势


由于资源的消耗与环境的巨大压力,节能减排和绿色低碳成为普遍的发展共识。功率半导体器件朝着提升功率密度、提高开关速度、降低工作损耗、提高工作温度和增强可靠性等方向发展和创新,在很大程度上满足了社会各行业多样化的应用需求;但同时也面临着器件结构精细化、功能集成与智能化、热管理与可靠性、新型材料与工艺等方面的技术挑战。以IGBT 为例,随着元胞结构优化和尺寸减小,元胞的密度不断增加,承受大电流能力不断增强,芯片的功率密度在近 30 年来增加了 8 倍以上 [45],达到了 250 kW/cm2。小型化、精细化和集成化将是功率器件结构创新和发展的主旋律。


大功率半导体技术现状及其进展的图19


3.1 器件结构与技术融合


器件结构创新是功率器件性能提升的前提和关键,功率器件以二极管、BJT 和 MOSFET 这 3 种基本结构为基础,派生出各种不同结构与性能的器件,其中,控制端采用 MOS 电压驱动、输出端用具有电导调制效应的 BJT 实现电流输出是一种最理想的复合结构,结构与技术的融合可实现 IGBT 优良的动态和静态特性。从理论上讲,MOS 控制的晶闸管(MCT)[46] 能实现更大的功率输出,但面临着包括原理和实现工艺等诸多方面的巨大挑战;IGCT 在开发过程中借鉴了高压IGBT 缓冲层和透明阳极等方面的结构与技术,有利于改善 IGCT 关断特性 [47]。基区少子寿命调控可以改善功率器件动态特性和参数的均匀性。因此,将 IGBT、晶闸管和IGCT作为一个整体进行研究,可以取长补短、协同创新、共同提高。


类碳金刚石(Diamond Like Carbon, DLC)具有优异的电、力学和热性能,在高压晶闸管台面终端结构上使用 DLC 钝化材料 [48],可以降低高温漏电流和改善晶闸管高温特性。DLC 作为一种性能优异的半绝缘钝化材料,对 IGBT 和 FRD 等高压器件的 HV-H3TRB(高压、高温和高温反向偏置)性能也有显著改善作用。


提高栅极可靠性和降低 / 延缓退化是 Si 基器件和SiC 基 MOS 栅控器件的关键研究方向。目前,沟槽栅介质主要使用 SiO2,但是随着蚀刻工艺和光刻技术的进步,通过多次氧化、蚀刻和光刻的复杂交替运用,可以将沟道氧化层部分做得较薄,而将其他位置氧化层做得较厚,这样可以将栅极电容和电荷降低到较低的水平。


3.2 设计与制造精细化


没有精细化,就没有晶闸管到 GTO,继而 GTO 到IGCT 的技术进步,也没有 IGBT 芯片功率密度的逐步提升。设计和制造工艺精细化是器件性能和功率密度提升的最关键要素,就设计层面来说,与集成电路相比,功率器件的结构和尺寸还未面临小尺寸效应的难题,元胞尺寸缩小和密度增大还有一定的发展空间。但随着尺寸进一步缩小,基于高温和高电场下的载流子输运可能产生新的物理现象,需要加强这方面的基础理论探索与前沿共性技术研究。受限于功率器件制造设备和工艺水平,目前精细化的制造依然存在较大难度,器件的精细化设计和精细制造工艺能力的提升已经成为当前大功率半导体行业的主要发展方向之一,应该充分发挥材料和装备等产业链上下游优势,协同创新。


随着 IGBT 精细沟槽技术的发展,由于元胞尺寸减小特别是台面特征尺寸的缩减,芯片金属化填孔与互连工艺已经成为瓶颈,使用传统的热铝溅射工艺无法控制在金属填入时空洞的产生,而在高温下具有较好流动性、延展性和导电性的钨金属将成为一个好的技术解决方案。


同时,晶圆减薄和深缓冲层离子注入技术成为竞争的焦点。薄片技术可以显著降低芯片损耗,但可能带来耐压和薄片后续工艺等方面难题,薄片技术很大程度上代表了工艺制造水平。在浓度很高的硅基衬底上生长所需浓度和厚度的外延层,并形成一个完美浓度梯度的工艺成本很高。使用氢质子的注入技术,配合一定的退火温度和时间,可以将注入的氢质子浓度形成多峰的高斯分布,从背面表面到体内一定深度的区域也可以形成一个缓冲的梯度 [44,49] 。


3.3 功能集成与智能化


功率半导体技术面临着功能集成和智能化的挑战,因此,芯片和封装层面的传感和监测技术成为主要的技术发展趋势之一。通过 IGBT 与 FRD 单芯片集成,IGBT 封装更加简单,运行过程中结温波动更小有利于提高应用可靠性;通过在 IGBT 芯片上集成电流和温度传感器,可以把芯片结温和电流等信号实时传送到驱动保护单元,监测芯片本身的健康状态和寿命,充分发挥芯片潜能,使 IGBT 应用系统更加智能化。


当前相关的技术研究和产品开发主要集中于中低压 IGBT 和低压 MOSFET 领域,在集成少数传感单元的基础上,进一步增加其他传感功能,开发集成驱动保护芯片单元和实时监测器件关键电学参数的智能功能单元。以此为基础,逐步开发面向轨道交通、电力传输和汽车电动化等高端应用领域的集成化与智能化功率半导体器件。


3.4 宽禁带器件与高频化


高频化是实现节能减排和提高系统效率的主流技术,轨道交通、电力系统和汽车电动化等领域都存在高频化的需求。电力电子器件高频化可以减小感性元件与容性元件体积和质量,改善电能质量,但开关频率越高,开关损耗越大。以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带材料,具有比硅材料更高的饱和电子迁移率和临界击穿电场强度,因此宽禁带器件具有更低的开关损耗和更高的工作频率,是功率器件高频化的主要方向。


SiC 和 GaN 衬底及其外延材料存在缺陷密度高和制造效率低等问题,SiC 栅氧也存在界面态高和容易退化等问题,因此在发挥材料优势,实现高压、高温和高频应用的基础上,如何解决可靠性与降低成本方面还有很长一段路要走。


基于 WBG 材料的功率 MOSFET 和 HEMT 等器件,其开关频率已经达到几十 MHz,不断促进电力电子系统向高电压、高效率、高功率密度和小型化等方向发展。

然而,这种高频化的发展趋势,也对功率器件的高速驱动、过压保护、并联均流和电磁干扰(EMI)防护等技术提出了新的要求,因此开发先进 WBG 封装结构,提高器件可靠性、提升抗宇宙射线能力、增大安全工作区、开发驱动保护技术等方面,将是 WBG 器件高频化的发展趋势。


3.5 热管理与可靠性


功率器件结温每提高 10 ℃,其寿命就会降低一半左右。因此,先进的热管理技术 [50] 已经成为大功率半导体技术重要的发展方向。芯片与封装应该作为一个整体协同优化,采用先进封装技术和高效散热材料,减少散热界面,优化散热路径,最大限度地降低因异质界面材料热膨胀系数(CTE)失配而引起的疲劳与蠕变,从而提高模块散热效率与可靠性。目前,直接水冷散热技术已经成为汽车级功率模块的主流散热技术,双面散热、双面直接水冷和相变散热等技术的研发日益成熟,将成为功率器件高效散热的趋势。


在可靠性方面,需提升芯片的极限能力和安全工作区,同时采用先进封装技术,如烧结、扩散焊接、平面无引线封装(如直接端子键合、铜带键合)、3D封装、倒装芯片、嵌入式封装等;开发新型高温抗湿、抗硫化的封装材料(如高温硅胶、高温树脂、高温外壳材料等)。


4  结语


本文详细介绍了主流功率半导体器件的历史沿革和最新研究进展,阐述了国内大功率半导体器件的技术和应用现状,总结了功率半导体器件的发展规律、面临的技术挑战和未来发展趋势。在新型器件结构、先进制造工艺、宽禁带材料及器件等研究成果的支撑下,基于应用需求,全产业链协同创新,半导体器件正朝着更高电流密度、更高工作温度、更高工作频率、更低损耗和更低成本的方向快速迭代,呈现出以第 1代半导体材料和器件完全成熟并占据市场,第 2 代材料和器件具有独特的性能和特殊应用优势,第 3 代材料和器件正重点突破并且潜力巨大的发展局面,形成了以晶闸管、IGCT、MOSFET 和 IGBT 等为代表的功率半导体器件家族,满足了各种电力生产、传输、控制、转换等不同应用场景的需求。功率半导体器件健康发展有力地支撑了21世纪人类面临的新一轮电气化革命,为全球环境和资源保护、碳达峰和碳中和等人类共同目标提供了电力电子技术基础和器件的全面解决方案。


芯片半导体技术

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    摘要:介绍了现代硅基大功率半导体器件的历史演变和新型器件结构的研究进展,以及宽禁带半导体材料和器件的现状;阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和新能源汽车等领域的研发进展和应用现状;最后讨论了大功率半导体技术面临的技术挑战和发展趋势。 关键词:功率半导体器件;硅材料;晶闸管;门极可关断晶闸管;集成门极换流晶闸管;绝缘栅双极晶体管;金属氧化物半导体场效应晶体管;宽禁带 00 引言 经过 6
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