功率半导体技术是半导体领域的重要研究内容之一, 主要应用于现代电子系统的功率处理单元, 是当今消费类电子、工业控制和国防装备等领域中的关键技术之一。随着电力电子技术的不断进步，功率半导体器件作为电能转换与控制的核心元件，正朝着更高效率、更高频率和更高集成度的方向快速发展。其在新能源发电、电动汽车、智能电网以及工业自动化等领域的应用日益广泛，推动了整个电力电子系统的性能提升与结构优化。下面电子展小编就来简单聊一聊功率半导体器件与集成技术的特点和应用范围, 及功率半导体器件与集成技术的发展现状和趋势。
40 多年来, 半导体技术沿着摩尔定律的路线不断缩小芯片特征尺寸, 然而目前半导体技术已经发展到一个瓶颈: 随着线宽的越来越小, 制造成本成指数上升; 而且随着线宽接近纳米尺度, 量子效应越来越明显, 同时芯片的泄漏电流也越来越大. 因此半导体技术的发展必须考虑 “后摩尔时代” 问题.2005 年国际半导体技术发展路线图 (international technology roadmap for semiconductors, 简称 ITRS)提出了超越摩尔定律 (more than Moore) 的概念，功率半导体器件和功率集成技术在more than Moore 中扮演十分重要的角色, 主要用于现代电子系统中的变频、变压、变流、功率放大、功率管理等功率处理电路, 也是当今消费类电子、工业控制和国防装备等领域中的关键技术之一。功率半导体器件 (power semiconductor devices) 是进行功率处理的半导体器件. 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、绝缘栅双极型晶体管 (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。
功率集成电路 (power integrated circuit) 是指将高压功率器件与控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路, 是系统信号处理部分和执行部分的桥梁. 按照应用电压和电流的不同功率集成电路分类. 而用于制备功率集成电路的制造技术称之为功率集成技术.功率集成技术要实现高压器件和低压器件的工艺兼容, 尤其要选择合适的隔离技术, 为控制制造成本,还必须考虑工艺层次的复用性. 随着电子系统应用需求的发展, 要求集成更多的低压逻辑电路和存储模块, 实现复杂的智能控制; 作为强弱电桥梁的功率集成电路还必须实现低功耗和高效率; 恶劣的应用环境要求其具有良好的性能和可靠性. 因此, 功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性。
1 功率半导体器件及功率集成技术的发展趋势
1.1 功率半导体器件的发展趋势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。
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。功率MOSFET 起源于1970年代推出的垂直 V 型槽 MOSFET (vertical V-groove MOSFET, VVMOS)。在 VVMOS 基础上发展起来的垂直双扩散 MOSFET (vertical double diffused MOSFET, VDMOS),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20 kHz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、槽栅和超结型功率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。
提高功率密度和降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-micron MOSFET、MPS-Diode、LPT-CSTBT、Reverse conducting IGBT, Reverse Blocking IGBT 和 Super-junction MOSFET 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、Infenion、ON Semiconductor、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。
1.2 功率集成技术的发展
在20 世纪80 年代中期以前, 功率集成电路是由双极工艺制造而成, 主要应用领域是音频放大和电机控制, 但随着对逻辑控制部分功能要求的不断提高, 功耗和面积越来越大. 对双极工艺来说, 工艺线宽减小所带来的芯片面积的缩小非常有限. 而CMOS 器件具有非常低的功耗,并且随着工艺线宽的减小, 芯片面积可以按比例减小, 因此逻辑部分用CMOS电路来替代双极型电路成为必然, 另外DMOS功率器件可以提供大功率且不需要直流驱动, 在高速开关应用中具有优势。因此,BCD (bipolar-CMOS-DMOS) 集成技术也就应运而生, 顾名思义,BCD 集成工艺就是将双极晶体管, 低压CMOS 器件, 高压 DMOS 器件及电阻, 电容等无源器件在同一工艺平台上集成的技术。BCD 工艺可以充分利用集成的3 种有源器件的优点: 双极器件的低噪声, 高精度和大电流密度等;CMOS 器件的高集成度, 方便的逻辑控制和低功耗等;DMOS 器件的快开关速度, 高输入阻抗和良好的热稳定性等。这些优点使BCD工艺具有非常广泛的应用, 如DC-DC 转换等电源管理,LCD驱动,LED 驱动,PDP 显示驱动及全/半桥驱动等。根据系统应用电压的不同, 可以将基于BCD工艺的功率集成电路分为3 类:100 V 以下,100∼300 V及 300 V 以上。100 V 以上的 BCD 工艺则根据不同应用领域的需求, 不断优化发展, 低损耗和高可靠是其追求的目标。
2未来技术发展的若干问题
2.1 功率半导体器件技术发展的若干问题
高能效、高击穿电压 (3300∼6500 V)、高电流密度、高可靠性 IGBT 或基于 IGBT 的智能功率模块 (IPM) 的研制3300∼6500 V 耐压级别的器件主要应用于电网、高铁、工业变频、舰船等战略产业领域. 器件设计的关键是优化通态压降、快速开关、高耐压等关键特性参数之间的折衷。需解决的关键问题有: 增强发射极侧载流子注入效率、控制集电极侧载流子浓度、EMI 问题、IPM 中高效的热系统等。 在器件制造方面, 槽栅、薄片工艺、精细图形等是亟待解决的关键问题。系列 SiC 功率半导体器件和全SiC 功率模块的研制。由于 SiC 功率整流器结构相对简单, 特别是 SiC SBD 器件已经比较成熟, 因此针对国内 SiC 器件研究水平,笔者认为应优先大力发展 SiC 整流器 (包括 SBD、JBS、PiN), 从器件结构设计和耐压机理分析入手, 寻找快速跟进国外同类器件性能的有效途径, 加快我国 SiC 整流器实用化进程。关键问题是低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性, 同时应加快工艺研究, 为未来SiC MOSFET 和 IGBT 器件发展打好基础, 其中的关键问题是薄栅氧工艺及器件的可靠性等问题。硅基 GaN 功率半导体器件与集成技术.硅基 GaN 功率半导体器件与集成技术是目前宽禁带功率半导体器件的研究重点, 也是 more than Moore 思想的典型体现。随着大直径 Si 基 GaN 外延技术的逐步成熟并商用化, 硅基 GaN 功率半导体技术有望成为高性能低成本功率系统解决方案。目前,国际上对 Si 基 GaN 功率半导体的研究一方面是分离器件的产品化研究, 主要研究包括增强型技术、优化击穿电压与导通电阻、封装与可靠性、失效机理与理论研究等; 另一方面, 以香港科技大学、台积电、NS等为代表的高校和企业也开始对 Si 基 GaN 智能功率集成技术开展了前期研究, 而功率集成技术是未来功率系统的选择, 也是今后的发展方向.功率半导体器件和功率模块中可靠性及失效机理分析。随着功率半导体器件应用领域的不断扩大, 以及功率半导体器件工作模式的特殊性, 功率半导体器件需要具有高的可靠性。而功率半导体器件发展的模块化和系统化趋势也要求模块或系统具有高的可靠性. 其关键问题在于设计的模块或系统具有良好的热系统、良好的绝缘性、良好的电流浪涌能力、良好的抗宇宙射线能力, 可能的解决途径是: 器件结构的创新、优化工艺制程或采用新材料。
2.2 功率集成技术发展若干问题
100 V 以下的 BCD 集成工艺朝着更小线宽, 更高密度集成, 更高可靠性的方向发展, 关键问题在于：如何在深亚微米的 CMOS 工艺平台中集成高性能功率器件, 同时实现高度智能化: 当前 BCD工艺的小线宽已达到0.13 µm, 开始朝 90 nm, 65 nm 发展, 借助于先进的 CMOS 工艺平台, 高性能功率器件及高度智能化成为电源管理等应用的 BCD 工艺所面临的一个挑战, 采用如super junction的功率器件来降低功耗可能是一个不错的技术, 与此同时还需要进一步集成高性能 CPU、快速存储器等模块, 实现高度智能化 (PSoC). 40∼80 V 之间的 BCD 工艺主要应用在汽车电子中, 汽车电子要求在严格的环境下 (高低温, 高湿, 振动) 以及零缺陷. 这对工艺的可靠性提出了严格的要求, 集成的器件必须有良好的 HCI, SOA, HTRB, EM 等可靠性性能.BCD 工艺的集成度已经达到百万门级, 金属互连也已经达到了 6 层, 集成的器件类型也越来越多, 工艺的复杂度越来越高, 工艺的成本也越来越高,如何在保持性能不变的前提下降低成本是 100 V 以下的高密度 BCD 工艺面临的另一个挑战, 这需要提高工艺层次的复用性, 对工艺流程及器件性能做全面折中优化。100∼300 V BCD 集成工艺的应用领域主要是 PDP 驱动芯片、半桥驱动芯片, 其总体发展趋势是小型化和大功率化,SOI BCD 工艺仍是未来一段时间内的主流工艺, 采用更小尺寸是其发展的必然趋势, 带来的关键问题是: 保证输出功率不受影响的前提下不断缩小芯片面积, 但在电流密度达到IGBT 的极限后, 是否有其他性能更佳的结构或者材料, 是一个值得研究的方向, 面积缩小带来的另一个问题是芯片散热问题, 其中 SOI 材料的散热问题是当前可靠性研究的一个重点方向. 除此之外, 还有诸如高低压串扰、高温反偏 (HTRB) 失效等问题都是这一电压区间 BCD 工艺必须解决的关键技术问题。300∼1200 V 的高压 BCD 工艺主要面向 AC-DC, 高压 LED 驱动, 桥式驱动及 IPM 模块等市场, 促使 BCD 工艺向高压方向发展, 带来的关键问题是: 高低压模块之间的隔离, 桥式驱动电平移位电路高侧驱动的电压从 0∼600 V 之间浮动, 非常容易产生latch-up 问题, 这就要求高低侧电路之间彻底隔离, 避免latch-up 是外延工艺的高压 BCD 工艺需要解决的一个关键问题. 高压互连线跨过隔离结构会导致其耐压的下降, 因此需要在隔离结构方面创新。高压器件在高压 BCD 工艺中一般作为后期的功率输出级, 其功耗直接影响整个芯片的效率, 目前的工艺大多采用 double Resurf 与场板技术来达到功率器件的耐压要求, 如何在给定的耐压下降低高压器件的导通电阻, 提高电流输出能力并降低功耗是高压 BCD 急需解决的问题, 采用新型的 3D 高压器件可能是一个很好的发展方向.SOI 高压 BCD在 IPM 模块中用很大的技术优势, 如隔离性好, 无 latch-up,抗辐射性强, 集成度高等. 然而 SOI 材料成本较 Si 高, 高压器件在大电流, 大电压下工作产生的热量大, 而SOI 材料的散热性较差, 因此, 材料成本和散热是 SOI 高压 BCD 工艺需要解决的两个问题. 高压 BCD 中无源器件的性能也是不能忽略的一个方面, 高性能, 高稳定性无源器件的集成也是高压集成工艺需要解决的一个关键问题。
3结语
功率半导体器件与集成技术作为现代电力电子系统的核心支撑，其发展水平直接影响到新能源、智能制造等战略性新兴产业的进步。电子展小编认为，随着技术的不断演进，功率电子系统将在更广泛的领域中发挥关键作用，推动能源利用效率的提升与绿色低碳发展的实现。
文章来源：半导体封装工程师之家