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-1-现代功率半导体器件原理与应用摘要日益严重的能源和环境问题使得人们对电能变换的效率、品质越来越关注，也引导了功率半导体器件沿着高效率、高频率、高耐压、高功率、集成化、智能化等方向迅速发展。本文概要介绍了电力二极管、PowerMOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率半导体器件的工作原理,阐述了功率半导体器件与集成技术的发展现状和趋势。关键词：功率半导体器件二极管MOSFETIGBT1、引言电能是目前最重要的能源形式之一，为满足发电、输电和用电的各种不同要求，几乎所有电能从生产到消费的过程中都经过电压、电流、频率等参数的调节，可统称为电能的变换。而为满足这种电能变换需求诞生了电力电子技术，利用功率半导体器件的开关作用，实现弱电对强电的控制。徐殿国教授说过：“功率半导体器件是电力电子技术的pioneer，是电力电子变换装置的核心组件。”功率半导体器件几乎无处不在，大到机车牵引、船舶推进及风力发电，小到洗衣机、冰箱、空调等家用电器，功率半导体器件都在其中起着关键的控制作用。目前，在中小功率范围内，各种新型自关断器件如GTO（门极关断）晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等已经取代过去传统的半可控器件晶闸管。在大功率应用领域，自关断器件也开始占据越来越大的份额。为进一步提高功率等级，基于碳化硅、氮化镓、金刚石等新型材料的所谓宽禁带功率半导体器件也进入了研究和早起产品化阶段，预计数年间就将有成熟的产品推出。可以说，功率半导体器件的发展目前已呈现百花齐放的局面，但其发展却还方兴未艾，并将持续深入地影响到人们的社会和生活。[1]2、功率半导体器件2.1、分类功率半导体器件(powersemiconductordevices)是进行功率处理的半导体-2-器件。根据载流子的不同,功率半导体器件分为两类,一类为双极型号功率半导体器件；另一类为单极功率半导体器件。前者主要由功率二极管(其中肖特基势垒功率二极管属于单极功率半导体器件)、晶闸管、绝缘栅双极型晶管(IGBT)；后者主要包含以VDMOS为代表的功率MOS器件。根据材料分类主要是硅基功率半导体器件和宽禁带材料基(主要是碳化硅(SiC)和氮化稼(GaN))功率半导体器件。图1为几种典型功率半导体器件应用频率和功率范围。[2]图1典型功率半导体器件应用频率和功率范围2.2、工作原理功率半导体器件主要包括功率二极管、晶闸管、功率MOSFET、功率绝缘栅双极晶体管及宽禁带功率半导体器件等,由于篇幅有限,LeoLorenz教授重点阐述二极管、功率MOSFET、IGBT三种功率半导体器件。2.2.1、二极管对于一个基区宽度为w,掺N型杂质的PIN二极管,结构如图2所示,两边的PN结𝑗𝑝𝑖和𝑗𝑖𝑛可以用普通的PN结二极管模拟,关键是中间的I层。I层电荷的存储产生电导调制效应,他决定了PIN二极管开关的尖锋泄漏、插入损耗和恢复时间等诸多瞬态特性。-3-图2PIN二极管结构PIN二极管是由P型和N型材料之间夹一本征层而构成的结型二极管。在低频时，它具有与PN结相似的伏安特性，不仅能承受很高的反向电压，而且具有较小的正向压降，理想的PIN二极管I层材料应是本征型的，但是很难做到。实际的I层可近似认为是低掺杂的高阻层。对于具有很高反向阻断能力的PN结基本是阶跃结，也就是说一个区域的掺杂远比另一个区域要大，图3给出了𝑃+𝑛结中的情况，从中可以看出电场是很难穿透到高掺杂的区域，所以电压都由低掺杂区承担。-4-图3一个𝑃+𝑛阶跃结对于高压二极管的设计必须要在结构上加以改善，方法是在𝑝+𝑛结的低掺杂𝑛−区加一层𝑛+区，浓度要高于1019cm−3，又要低于𝑝+区域的浓度，但是𝑛+区相比𝑝+区浓度相差不要太大，如果𝑛+区浓度太低，那么当阴极的等离子已被完全耗尽时，而𝑛−区域中间还有大量的剩余载流子，结果会在阴极发射极处形成耗尽层和电场，也就是说阴极耗尽层在阳极发射极耗尽之前就已形成。在两个耗尽层相遇时刻，等离子被消耗完，电流瞬间变为零，就会发生一个突变，结果会导致器件损坏；所以为了有好的欧姆接触，又使器件内部不会产生过多的功耗，就得采用为𝑝+𝑛−𝑛+结构，由于中间区域掺杂较低，所以通常把𝑝+𝑛−𝑛+二极管叫做PIN二极管。[3]2.2.2、功率MOSFET功率MOSFET应用领域广阔,是中小功率领域内主流的功率半导体开关器件。作为多子导电的功率MOSFET,关断时由于没有少子而显著地减小了开关时间和开关损耗,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。目前功率MOS器件主要包括平面型(以VDMOS为代表,如图4所示)槽栅(以trenchMOSFET为代表,如图5所示)和超结(super-junction,如图6所示)型功率MOS器件。功率MOSFET是一种功率场效应器件,其导通电阻的正温度系数特性有利于多个元胞并联,从而获得较大电流。为减小功率MOSFET的导通电阻,除优化器件结构(或研发新结构)外,一个有效的办法就是增加单位面积内的元胞数量,即增加元胞密度。因此,高密度成为制造高性能功率MOSFET的技术关键。而对于常规平VDMOS,进一步减小元胞尺寸受到VDMOS结构中相邻元胞间JFET效应的限制,这驱使功率槽栅MOSFET在低压低功耗领域迅速发展。由于功率槽栅MOSFET结构中没有平面栅功率MOSFET所固有的JFET电阻,使得功率槽栅MOSFET的单元密度可以随着加工工艺特征尺寸的降低而迅速提高。如日本东芝公司在其开发的深槽积累-5-层模式功率MOSFET中,其单元尺寸0.4µm,33V耐压下导通电阻仅10mΩ.𝑚𝑚2为适应同步整流技术的发展,众多厂家从器件结构和封装技术着手,发展了更低R𝑜𝑛∗Q𝐺优值的功率MOSFET,如:窄沟槽(narrowtrench)结构槽底厚栅氧(thickbottomoxide)结构、W形槽栅(W-shapedgatetrenchMOSFET)结构和深槽积累层结构。TI公司结合RFLDMOS结构的低栅电荷、电荷平衡机理的低导通电阻及引入𝑛+Sinker所具有的双面冷却所研发的NexFETTM获得好的市场效果。为拓展功率MOSFET在高压领域的应用,西门子半导体(现Infineon)在1998年推出了基于Super-junction(或Multi-RESURF或3DRESURF,电子科技大学陈星弼院士的专利中称其为复合缓冲层:CompositeBufferLayer)的CoolMOS。由于采用新的耐压层结构,CoolMOS在保持功率MOSFET优点的同时,又有着极低的导通损耗(Ron.∝BV1.23)。日本Renesas电子推出具有50µm深锥形P型柱-6-区的超结功率MOS结构(如图7所示),通过优化锥角度和P型深槽掺杂浓度分布,其击穿电压达到736V,导通电阻只有16.4mΩ·𝑐𝑚2,而且有效降低了击穿电压与电荷非平衡之间的敏感度。[4]目前国际上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我国华虹NEC(联合东南大学、电子科技大学及苏州博创集成电路设计有限公司等单位)等多家公司采用该技术生产低功耗功率MOSFET。2.2.3、IGBT（绝缘栅双极晶体管）绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,简称IGBT)是一种集金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅电极电压控制特性和双极结型晶体管(BJT)的低导通电阻特性于一身的全控型功率半导体器件,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、导通电阻小、电流密度高,开关损耗低及工作频率高等特性,是比较理想的半导体功率开关器件。IGBT器件的结构与VDMOS器件颇为相似,所不同的只是背面用𝑝+衬底取代了通常的𝑛+材料,这使得器件的性能与VDMOS有了很大的差别。图8为1GBT—个元胞的剖面结构示意图。图8IGBT元胞的剖面结构示意图-7-图9IGBT器件的等效电路从图9的等效电路图中可以理解IGBT的工作机制,相当于把MOSFET作为输入端,把PNP晶体管作为输出端的MOS型输入反向达林顿晶体。[5]一般情况下,为了满足一定的击穿电压要求,𝑛−漂移区(driftregion)会选择较厚且轻掺杂的外延层,当器件处于开态,正面MOSFET的沟道形成后,它将𝑛+发射区与𝑛−漂移区连接起来,由于此时集电极𝑝+加的是正向偏压,𝐽1结为正向偏置,使得大量空穴(少子)注入到𝑛−漂移区,从而使得𝑛−漂移区的载流子浓度大大增加,产生电导调制效应,使𝑛−漂移区的电导率迅速增加,对于外延层电阻占据总导通电阻主导地位的高压IGBT器件而言,其导通电阻的下降是非常明显的。这些大量的空穴与流经沟道的电子复合,形成连续的沟道电流,而另一部分则直接经P阱,流向𝑛+发射区和发射极,总的电流使器件正向导通的电流密度得到很大的提髙。这也是IGBT区别于VDMOS的本质所在。未来IGBT将继续向精细图形、槽栅结构、载流子注入增强、和薄片加工工艺发展,其中薄片加工工艺极具挑战(Infineon公司2011年已经展示其8英寸、40µm厚IGBT芯片)。同时,电网等应用的压接式IGBT、更多的集成也是IGBT的发展方向,如从中低功率向高功率发展的RC-IGBT。2．3、功率半导体器件的发展路线图图10是功率半导体器件的发展路线图,从图中可以看出,提高功率密度和降-8-低损耗始终是功率半导体器件发展的方向，硅材料平台仍是主流的功率器件工艺平台,对这个工艺平台进行持续优化,并开发一些专用工艺技术,包括深槽工艺结构、超薄圆片结构、背面扩散技术及多层连接技术等等,代表性的器件的有Sub-micronMOSFET、MPS-Diode、LPT-CSTBT、ReverseconductingIGBT,ReverseBlockingIGBT和Super-junctionMOSFET等,并且性能在持续提升。硅工艺平台将能持续到2030年左右。未来属于宽禁带材料,目前已有宽禁带功率半导体器件包括二极管、MOSFET等,但是原材料缺陷密度的还需要进一步降低,预计SiC工艺平台、GaN工艺平台(尤其是硅基GaN工艺)在2015年左右会真正走向成熟,目前Gree、Fairchild、Infineon、ONSemiconductor、IR、Ti、ST等等都在从事相关技术研究和产品开发。除以上两种宽禁带材料外,Diamond材料也将是一种有潜力功率半导体材料，预计在2025年会被使用，在这两者中间还有一种混合平台,严格地说该平台不是一种器件制造平台,而是一种功率模块制造平台,主要是用特殊封装技术制备宽禁带材料功率器件及硅基功率器件的集成功率模块,可以大幅提升功率模块的整体性能,目前最常见的应用是硅基IGBT和SiC二极管的集成模块,预计此种混合工艺平台在2035年前会一直被广泛使用。图10功率半导体器件发展线路图-9-参考文献[1]Linder,S.功率半导体器件---器件与应用.肖曦，李虹等译.北京：机械工业出版社，2009：序言[2]V.Benda,“PowerSemiconductors-Stateoftheartandfuturetrends”,GlobalJournalofTechnology&Optimization,2011,2(1),pp.1-8[3]Linder,S.功率半导体器件---器件与应用.肖曦，李虹等译.北京：机械工业出版社，2009：50–77.[4]TamakiT,NakazawaY,KanaiH,etal.Verticalchargeimbalanceeffecton600V-classtrench-fillingsuperjunctionpowerMOSFETs.In:ProceedingsoftheInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,2011