半导体科学与技术-功率半导体器件的研究与发展.pdf
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1功率半导体器件与功率集成电路功率半导体器件与功率集成电路张波,李肇基电子科技大学微电子与固体电子学院,四川,成都,610054功率半导体器件(PowerSemiconductorDevices)在国内又常被称为电力电子器件,这是因为早期的功率半导体器件如大功率二极管、晶闸管等主要应用于工业和电力系统。
而随着以功率MOS器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展,目前以计算机、通讯、消费类产品和汽车电子为代表的4C市场占据了三分之二以上的功率半导体应用市场,功率管理集成电路(PowerManagementIC,也称为电源管理IC)成为目前功率半导体器件的热点与快速发展领域。
因此采用“功率半导体器件”这样一个术语较“电力电子器件”更准确并更具时代意义。
一、功率半导体器件的定义与发展简史一、功率半导体器件的定义与发展简史功率半导体器件可定义为进行功率处理的半导体器件。
典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。
图1给出了功率半导体器件的分类。
功率半导体器件包括功率(分立)器件(DiscretePowerDevices)和功率集成电路。
功率(分立)器件由功率二极管(Power功率半导体器件功率半导体器件功率(分立)器件功率集成电路功率(分立)器件功率集成电路功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率功率MOS器件绝缘栅双极晶体管器件绝缘栅双极晶体管IGBT功率双极晶体管功率双极晶体管功率开关器件功率半导体器件功率开关器件功率半导体器件功率(分立)器件功率集成电路功率(分立)器件功率集成电路功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率二极管功率晶体管晶闸管类器件功率功率MOS器件绝缘栅双极晶体管器件绝缘栅双极晶体管IGBT功率双极晶体管功率双极晶体管功率开关器件功率开关器件图1功率半导体器件分类2Rectifiers)、功率晶体管(PowerTransistors)和晶闸管类器件(Thyristors)组成,其中常见的功率晶体管包括以VDMOS(VerticalDouble-DiffusionMOSFET)为代表的功率MOS器件(PowerMOSFETs)、绝缘栅双极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistors)和功率双极晶体管(PowerBipolarTransistors或PowerBJT:
PowerBipolarJunctionTransistors)。
功率晶体管和晶闸管又可统称为功率开关器件(PowerSwitches)。
功率集成电路(PIC:
PowerIC)在国际上又常被称为智能功率集成电路(SPIC:
SmartPowerIC,国内又有人称之为灵巧功率集成电路)或高压集成电路(HVIC:
HighVoltageIC)。
从应用的角度出发,美国CREDITSUISSEFIRSTBOSTONCORPORATION将功率集成电路分为运动控制IC(MotionControlICs)、电源管理IC(PowerManagementICs)和智能功率IC(SmartPowerICs)三类。
其中运动控制IC主要用于电机设备的驱动和控制;电源管理IC主要用于电源的转换和调节;智能功率IC则是除上述两种应用之外,集功率晶体管、控制电路和保护电路于一体的功率集成电路。
二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器(SCR)和功率双极晶体管。
除功率双极晶体管中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外,其余的功率半导体器件都是低频器件,一般工作在几十至几百赫兹,少数可达几千赫兹。
然而,功率电路在更高频率下工作时将凸显许多优点,例如高效、节能、减小设备体积与重量,节约原材料等。
因此在二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”,即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。
这时传统的功率半导体器件如SCR和GTR(巨型晶体管或称为电力晶体管)等因速度慢、功耗大而不再适用,以VDMOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。
新一代功率半导体器件除具有高频(相对于传统功率器件而言)工作的特点外还都是电压控制器件,因而使驱动电路简单,逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向,在国际上被称为现代功率半导体器件(ModernPowerSemiconductorDevices)。
3现代功率半导体器件的制造技术与超大规模集成电路一样都是以微细加工和MOS工艺为基础,因而为功率半导体的集成化、智能化和单片系统化提供了可能,进而促进了将功率半导体器件与其驱动和控制电路、过压、过流、过温等传感与保护电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。
1955年,Philips研究室的Lely首先在实验室用升华法成功制备了SiC单晶,SiC功率器件从二十世纪七十年代开始得到发展,得益于八十年代SiC单晶质量和制造工艺的改善,各种SiC功率器件在二十世纪九十年代得到快速发展,特别是九十年代后半期以来,伴随着SiC材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展,以SiC器件为代表的宽带半导体器件与Si基功率器件共同成为目前功率半导体器件的重要发展领域1。
下面依据图1的分类,分别就各种功率半导体器件的发展做介绍。
二、功率半导体器件的研究与发展二、功率半导体器件的研究与发展1、功率二极管功率二极管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。
为了获取高压、高频、低损耗功率二极管,研究人员正在两个方向进行探索。
一是沿用成熟的硅基器件(超大规模集成电路)工艺,通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系,二是采用新材料研制功率二4极管。
在硅基功率二极管方面,结合PN结低导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频特性两者优点于一体的JBS3、MPS4、TMBS5、TMPS6等新器件正逐渐走向成熟。
此外,为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管,许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构如SSD7、SPEED8、SFD9、ESD10、BJD11等也不断出现。
美国北卡州立大学Q.Huang提出的MOS控制二极管(MOSControlledDiodeMCD),通过单片集成的MOSFET控制PiN二极管的注入效率,使MCD正向导通时既能有PiN二极管的大注入效应,在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态,从一个全新的角度提出了改善高压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法12。
随着VDSM(超深亚微米)工艺的发展,微处理器、通讯用二次电源等都需要低电压大电流功率变换器。
随着功率变换器输出电压的降低,整流损耗成为变换器的主要损耗。
为使变换器效率达到90以上,传统的肖特基势垒整流器已不再适用,一种利用功率MOS器件低导通电阻特点的同步整流器(SynchronousRectifier)及同步整流技术应运而生13,低导通损耗功率MOS器件的迅速发展为高性能同步整流器奠定了强大的发展基础。
砷化镓(GaAs)肖特基势垒功率二极管虽然已经获得应用,但GaAs材料1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场,使得GaAs肖特基势垒功率二极管只能工作在600伏以下的电压范围内,远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。
碳化硅(SiC)材料以其宽禁带宽度(2.2-3.2eV)、高临界击穿电场(2-4106V/cm)、高饱和漂移速度(2107cm/s)、高热导率(4.9W/cm.K)、高硬度、强抗化学腐蚀性和可与Si相比较的迁移率特性而得到迅速发展。
随着SiC材料制备工艺和器件制造技术的不断完善,SiC功率器件成为目前发展最快的宽带半导体器件和功率半导体器件的研究热点。
在由美国海军资助的MURI项目中,普渡(Purdue)大学研制成功4.9kV的SiC肖特基势垒功率二极管,2004年美国Rutgers大学研制成功耐压为10.8kV、5比导通电阻为97m.cm2的SiC肖特基势垒功率二极管。
目前,商业化的SiC肖特基势垒功率二极管已经面市,Cree、IXYS、Microsemi和Infineon等许多厂商已经将SiC肖特基势垒功率二极管产品添加在其产品系列中。
Cree公司已有10A/600V和10A/1200V的SiC肖特基势垒功率二极管产品,并推出了用两个SiCSBD芯片并联封装的20A/1200VSiCSBD产品。
SiC基PiN二极管比Si基PiN二极管具有更高的阻断电压(10kV)和更高的开关速度(10倍)。
2000年5月,美国CREE公司与日本关西电力公司(KEPCO)联合研制成功世界上第一只超过12kV的SiC二极管,其正向压降仅为4.9V,目前,CREE与KEPCO研制的SiC二极管耐压已高达19.2kV,电流密度为100A/cm2时其正向压降为7.5V。
在2006年的ISPSD(InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs)会议上,Cree公司报道了在1.5cm1.5cm的4H-SiC芯片上,单管输出电流达180A的4.5kVPiN二极管14。
2、半导体功率开关器件半导体功率开关器件?
双极型器件双极型器件在半导体功率开关器件中,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,其最大电流额定值达到8kA,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/4kA的晶闸管。
晶闸管改变了整流管“不可控”的整流特性,为方便地调节输出电压提供了条件。
但其控制极(门极)仅有控制晶闸管导通的作用,不能使业已导通的晶闸管恢复阻断状态,只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。
在整流电路中,交流电源的负半周自然会关断晶闸管,但在直6流电路中,要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行,这给应用带来很大麻烦。
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(GateTurn-Off)在这种情况下应运而生并得到迅速发展,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英寸硅片上生产6kV/6kA,频率1kHz的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和dV/dt,小的安全工作区(SafeOperatingAreaSOA),以及在工作时需要一个庞大的吸收(Snubber)电路等缺点。
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特点的基础上,多种MOS栅控制且具有硬关断(HardSwitching)能力的新型大功率半导体器件在上世纪九十年代相继问世并陆续走向市场。
所谓硬关断晶闸管即是在关断时能在一个很短的时间内(如1s)完成全部阳极电流向门(栅)极的转移,此时的晶闸管关断变成了一个pnp晶体管关断模式,因而无需设置庞大、笨重且昂贵的吸收电路。
硬关断晶闸管的代表性产品包括瑞典ABB公司研制的集成栅换流晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyristorIGCT)15,16、美国硅功率公司(SiliconPowerCorp.SPCO)提出的MOS关断晶闸管(MOSTurn-OffThyristorMTO)17,18和由美国CPES(CenterforPowerElectronicsSystems)提出的发射极关断晶闸管(EmitterTurn-OffThyristorETO,该器件曾被评为oneoftheprestigious2003R&D100Awards)等19。
图2给出了上述三种器件的工作原理示意图。
由于器件关断时有着大的diG/dt(iG为器件关断时的栅极或门极抽出电流),因此要求器件内部有着非常小的连线电感LG。
如采用一个4kA的GTO,diG/dt为6kA/s,则MTO内部连线电感LG必须小于0.1nH;IGCT通过内部采用一个20V的负电源,连线电感可以放宽到3nH;ETO由于在晶闸管的栅极和阴极同时串联功率MOS,在ETO关断时,栅极串联的功率MOS导通,给阳极电流提供通道;阴极串联的功率MOS关断,强迫阴极电流断路,使ETO器件内部的连线电感可较IGCT大,但由此带来的缺点是ETO阴极串联的功率MOS在正向导通时增加了器件的导通损耗。
7双极型功率晶体管虽然存在二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化大、热容量小、过流能力低等缺点,学术界也一直有双极型功率晶体管将被功率MOS器件和IGBT所取代的观点,但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉的成本,使双极型功率晶体管仍然在功率开关器件里占有一席之地,且近年来国际上正采用一些先进的超大规模集成电路工艺(如RIE刻槽)和EDA工具来改善其电特性20。
电子科技大学最近提出的一种新结构就可在保持双极型功率晶体管其它电特性不变的情况下,通过优化设计,提高其电流增益三倍以上21,22。
由于GTR、GTO等双极型全控器件必须提供较大的控制电流,从而使得门极控制电路非常庞大,功率变换系统的体积和重量增大、效率降低。
随着新型功率MOS器件的发展,MOS型功率器件及以其为基础的新型压控型功率器件在电力电子装置特别是消费类产品的电源中获得了广泛应用。
功率MOS器件、IGBT等均是电压控制型器件,可用一些专用的高压集成电路进行控制,甚至可以把功率器件和控制、保护电路等做在一个芯片上,大大促进了功率集成电路的发展,使电力电子(功率电子)技术产生了新的飞跃,促进了功率变换系统向智能化、小型化和高性能方向发展。
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多数载流子器件多数载流子器件多子导电的功率MOS器件显著地减小了开关时间,因而很容易达到100kHz(a)IGCT模式(c)ECT模式(b)MTO模式LGLGLG(a)IGCT模式(c)ECT模式(b)MTO模式LGLGLG图2三种常见硬关断晶闸管器件的工作原理示意图8的开关频率,冲破了电力电子系统中20kHz这一长期被认为不可逾越的障碍。
功率MOS器件是低压(100V)范围内最好的功率开关器件23,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MOS器件的应用带来了很大困难。
此外,随着半导体工艺技术的迅速发展,IC内部的电源电压越来越低,所需处理的电流越来越大,对功率半导体器件的要求也越来越苛刻。
为满足系统不断提高的性能指标,功率MOS器件的工艺水平已进入亚微米甚至向深亚微米发展,利用Spacer技术研制的小单元尺寸功率MOS器件和槽栅功率MOS器件(也称为TMOS或RMOS或UMOS等)已工业化生产,IR公司生产的第八代(Gen-8)HEXFET元胞密度到达每平方英寸1.12亿个元胞,IRF1704的最高工作温度高达200C。
功率MOS器件是一个三端半导体开关,常常用于电路的电源和负载控制。
功率MOS器件导通电阻越小,它能通过的电流越大,如用于电脑的CPU、Memory,TFT背光、风机等的供电控制,都要求功率MOS器件体积要小、导通电流要大。
特别是随着CPU主频不断提高,内部电源电压不断降低,要求初始启动电流越来越大,常常需要80A甚至100A以上的电流。
在既定的小体积封装内要达到大的开关电流的目的,除改善封装的热特性外,唯一可行的办法就是减小器件的导通电阻。
减小功率MOS器件导通电阻的方法除优化器件结构(或研发新器件结构)外,另一个有效办法是增加单位面积内的元胞(Cell)数量,即增加密度。
因此,高密度成为当今制造高性能功率MOS器件的技术关键。
在低压低功耗功率MOS器件领域,功率槽栅MOS器件(TrenchMOSFETs)得到迅速发展。
图3是功率槽栅MOS器件结构示意图和其导通电阻表达式。
由于功率槽栅MOS器件结构中没有平面栅功率MOS器件所固有的JFET电阻,使得功率槽栅MOS器件的单元密度(celldensity)可以随着加工工艺特征尺寸的降低而迅速提高。
美国AATI公司采用0.35m工艺生产的功率槽栅MOS器件,其单元密度高达每平方英寸287M个元胞。
为进一步提高功率槽栅MOS器件性能,人们还提出了包括槽底部厚栅氧(ThickBottomOxide)结构24、W形槽栅9(W-shapedgatetrenchMOSFET)结构25和深槽积累层26结构等。
图4示出了日本东芝公司提出的深槽积累层模式功率MOS器件结构示意图26,其单元尺寸仅0.4m,通过在n衬底和槽栅底部间引入一薄n型缓冲层,提高了器件耐压,试验达到了33V耐压、10mmm2导通电阻。
此外,在功率MOS器件研究中,采用自对准工艺减少掩膜版次数、采用非均匀漂移区降低导通电阻,以及降低RONQG优值(FOM:
FigureOfMerit)的新结构、新工艺等正不断涌现。
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SuperJunction结构结构在功率MOS器件设计中,击穿电压(BV)与比导通电阻(Ron)的关系很严峻,有着基本关系式Ron=5.9310-9(BV)2.527。
为了解决这对矛盾,一种基于电子科技大学陈星弼院士中美发明专利28,打破了传统功率MOS器件理论极限29,30,被国际上盛誉为“功率MOS器件领域里程碑”的新型功率MOS器件-CoolMOSTMDrainGateN-driftSourceN+P+N-epi0.2m0.2m100nmN+-substrateDrainGateN-driftSourceN+P+N-epi0.2m0.2m100nmN+-substrate图3槽栅MOSFET结构示意图图4深槽积累层模式功率MOS器件结构示意图10于1998年问世并很快走向市场31,32。
CoolMOSTM由于采用新的耐压层(陈院士称为复合缓冲层:
CompositeBufferLayer)结构(国际上又称为SuperJunction结构或Multi-RESURF结构或3DRESURF结构等)33,在几乎保持功率MOS器件所有优点的同时,又有着极低的导通损耗(Ron=2.610-7bBV1.23)34。
目前国际上已有包括Infineon、IR、Toshiba等多家公司采用该技术生产低功耗功率MOS器件。
这里需特别指出的是,陈院士的CB及异型岛结构发明,是一种耐压层上的结构创新,不仅可用于垂直功率MOS器件,还可用于功率IC的关键器件LDMOS以及SBD、SIT(静电感应晶体管)等多子功率半导体器件中35-37,可称为功率半导体器件发展史上的里程碑式结构,该发明由此也名列2002年信息产业部三项信息技术重大发明之首位。
图5示出采用传统技术的VDMOS器件结构和采用SuperJunction结构的CoolMOSTM器件结构示意图。
从图中可以清晰的看出,CoolMOSTM器件采用交替的P、N结构代替传统功率MOS器件中低掺杂漂移层作电压支持层。
在CoolMOSTM器件导通过程中,只有其多数载流子(图中N沟器件为电子)参与导电,因此其开关特性与传统功率MOS器件相似。
当器件加反向偏置电压时,复合缓冲层将产生一个横向电场,使PN结耗尽。
当电压达到一定值时,复合缓冲层完全耗尽,将起到电压支持层的作用。
由于复合缓冲层中P柱和N柱的掺杂浓度可远高于通常的耐压区,从而使其正向导通时的导通电阻大大降低,进而改善导通电阻与器件耐压之间的矛盾。
在图5所示的结构中,漂移区完全由SuperJunction(SJ)部分组成,这种结构的缺点是工艺实现困难,必须通过多次外延或刻蚀加离子注入的方法完成。
最PPGATESOURCEDRAINN-epiN+subNN+N-epiN+P-BaseP-BaseGATESOURCEDRAINN+subP-BaseNNP-BaseN-Epi(a)VDMOS结构(b)CoolMOSTM结构PPGATESOURCEDRAINN-epiN+subNN+N-epiN+P-BaseP-BaseGATESOURCEDRAINN+subP-BaseNNP-BaseN-Epi(a)VDMOS结构(b)CoolMOSTM结构图5功率MOS器件结构示意图11近,国际上提出了一种半SJ结构(Semi-SuperJunction)38,39,如图6所示。
半SJ结构的漂移区由SJ和BAL(BottomAssistLayer)两部分构成,它将SJ特性与传统VDMOS结构相结合,不但具有优良的电特性,而且工艺难度和制造成本也大大降低。
半SJ结构的出现不仅给设计带来了极大的灵活性,同时为800V乃至1000V以上高压低功耗功率MOS器件的产业化提供了一条新途径。
迅速发展的智能功率集成电路对所集成的主要功率器件的性能提出了更高要求,希望此类功率器件具有较高的击穿电压能力、低的导通电阻、高的工作频率、低自热效应以及较好的器件隔离性。
横向双扩散MOSFET(LDMOSFET,简称LDMOS)是智能功率集成电路中最常用的功率器件。
众所周知,硅(Si)材料制成的半导体高压功率器件中,LDMOS的比导通电阻(SpecificOn-resistance)相较于纵向双扩散MOSFET(VDMOSFET,简称VDMOS)为大。
而较大的比导通电阻导致了器件尺寸的增大,从而增加了制造成本。
在LDMOS中用于承担耐压的漂移区需要用低浓度掺杂,但另一方面,要降低器件正向导通时的导通电阻,又要求作为电流通道的漂移区具有高掺杂浓度,这就形成了击穿电压BV与导通电阻Ron之间的矛盾。
如果使用SuperJunction思想,将横向结构中的N漂移区用N与P相互交替的SuperJunction部分代替(如图7所示),也能降低其开态的导通电阻,缓解BV与Ron的矛盾关系。
图7中横向的SuperJunction由于受到纵向电场的影响,使SuperJunction中对称的P与N层不能完全同时耗尽,纵向电场辅助耗尽N型区使同浓度的P型区在器件达到击穿电压时不能完全耗尽,这种现象被国际上称之为衬底辅助耗尽图6Semi-SuperJunction结构12效应(substrate-assisted-depletioneffects)40。
衬底辅耗尽效应的本质是SuperJunction电荷平衡条件被打破。
通常情况下,SuperJunction必须满足以下条件32.22ApDnCSssqNdqNdE=700V)inThinSOIDevice.In:
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