什么是功率半导体？IGBT 的下一步是什么？-电子发烧友网

功率半导体供应商继续开发和交付基于传统硅技术的产品，但硅已接近极限，并面临来自 GaN 和 SiC 等技术的日益激烈的竞争。

作为回应，业界正在寻找扩展传统硅基功率器件的方法。至少在短期内，芯片制造商正在努力提高性能并延长技术。

功率半导体是用于多种低压到高压应用的专用晶体管，例如汽车、工业、电源、太阳能和火车。这些晶体管像设备中的开关一样工作，允许电流在“开”状态下流动并在“关”状态下停止。它们提高了效率并最大限度地减少了系统中的能量损失。

多年来，功率半导体市场一直由硅基器件主导，即功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这些设备于 1970 年代首次商业化，如今几乎在每个系统中都能找到。这些产品成熟且价格低廉，但它们也有一些缺点，并且在某些情况下达到了理论性能极限。这就是为什么许多供应商也在开发和交付基于两种宽带隙半导体——氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的新型功率器件。面世一段时间，基于 GaN 和 SiC 的功率器件在各个领域与硅 IGBT 和 MOSFET 竞争。GaN 和 SiC 器件效率更高，但它们也更昂贵。

总的来说，这些不同类型的功率半导体为客户提供了选择，但它们也增加了一定程度的混乱。事实证明，没有一种功率器件可以满足系统中的所有要求。这就是为什么客户需要一系列具有不同额定电压和价格点的选项。

GaN 和 SiC 器件近来备受关注。它们较新，并提供了各种令人印象深刻的属性。但成熟的基于硅的设备也很重要，而且它们不会很快消失。硅基设备继续发展，尽管速度比前几年慢。

全球最大的功率半导体供应商英飞凌的应用管理总监 Bob Yee 表示：“今天，我们看到硅仍将是功率 MOSFET 的主要形式，占据约 60% 的市场份额，即使随着宽带隙技术的出现，”。“宽带隙将填补并占据硅的空间，从而增加更多价值，并将在硅无法实现的地方实现新的应用。也就是说，宽带隙是对硅的补充。但在可预见的未来，硅仍将是主力。”

换句话说，所有技术都有一席之地。总而言之，基于硅的功率半导体器件，包括 IGBT 和 MOSFET，仍占整个市场的 80% 左右。硅领域发生了几项重要变化，包括：

• 供应商正在推出新系列的硅基功率MOSFET、超级结器件和IGBT。• 在研发方面，业界正在推进基于硅的 MOSFET 和 IGBT。• Lam Research 和其他公司开发了用于功率半导体的新设备。

功率器件分类

什么是功率半导体？

功率半导体用于电力电子领域。用于固态设备，电力电子控制和转换各种系统中的电力，例如汽车、电机驱动器、电源、太阳能和风力涡轮机。

这些器件不同于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。当今的数字 CMOS FET 由构建在硅顶部的源极、栅极和漏极组成。在操作中，向栅极施加电压，使电流从源极流向漏极。

相比之下，IGBT 和大多数功率 MOSFET 是垂直器件，源极和栅极位于器件顶部，漏极位于底部。在操作中，向栅极施加电压并且电子沿垂直方向移动，垂直方向支持更高的电流和电压。

还有其他差异。在传统的 MOSFET 中，芯片制造商在每一代都缩小晶体管的特征尺寸，从而使芯片具有更高的晶体管密度。在功率器件中，供应商也在缩小晶体管，但还没有达到数字 CMOS 的程度。

Lam Research战略营销高级总监 Michelle Bourke 表示：“如果您考虑 MOSFET 和 IGBT，它们在规模和效率方面正在经历自己的发展轨迹。” “有些人可能会说，与 CMOS 相比，这些功能很大。但是，为了达到该设备性能所需的垂直度和配置文件控制与我们在 Lam 中遇到的一些 CMOS 问题一样具有挑战性。因此，虽然从设备的角度来看，这些功能仍然很大，但从开发的角度来看，这是我们完成的最具挑战性的过程之一。我们正在使这种情况发生。”

通常，对于功率半导体，最重要的考虑因素是其他参数，例如电压（V）、Rds（on）和栅极电荷。每个功率半导体器件都有一个额定电压（V）。“VDSS 中的‘V’ 是最大允许工作电压，或漏源电压规格，”EPC 首席执行官 Alex Lidow 解释道。

导通电阻或 Rds（on）是源极和漏极之间的电阻值。栅极电荷是开启器件的电荷量。Ron x A很重要。“半导体业务的成本优化一直与芯片缩小联系在一起。此规则也适用于功率器件。Ron x A 是一个关键品质因数，它描述了提供功率器件的特定器件性能所需的硅面积。通常，当我们开发新的电源技术时，我们通过降低新技术的 Ron XA 来获得的成本优势超过了通常更复杂的生产过程的额外成本。这些成本效益可以交付给客户，是成本降低路线图的核心，”英飞凌的 Yee 说。

有多种功率半导体选项可供选择，以适应不同的应用。在硅方面，选择包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和 IGBT。功率 MOSFET 被认为是最便宜和最受欢迎的器件，用于适配器、电源和其他产品。它们用于 25 至 500 伏的应用。

超结功率 MOSFET 是增强型 MOSFET，用于 500 至 900 伏系统。同时，领先的中端功率半导体器件是用于 1，200 伏至 6.6 千伏应用的 IGBT。

硅基功率器件在各个领域与 GaN 和 SiC 竞争。GaN 和 SiC 都具有一些令人印象深刻的特性。SiC 提供 10 倍的击穿电场强度和 3 倍的硅带隙。GaN 超过了这些数字。

“宽带隙半导体具有关键优势，但它们将与基于硅的技术并行存在，”Lam Research 战略营销董事总经理 David Haynes 说。“基于硅的技术将持续很长时间。他们非常成熟。基于硅的功率器件正在进行大量的研究和技术开发。”

1969 年，日立公司描述了世界上第一个功率 MOSFET。随着时间的推移，越来越多的公司进入了功率 MOSFET 市场，并将其发展为一项大生意。

根据 Yole Développement 的数据，2020 年，整个功率 MOSFET 市场的业务规模为 75 亿美元。据 Yole 称，该市场正以每年 3.8% 的温和速度增长。Yole 称，英飞凌是最大的功率 MOSFET 供应商，其次是许多其他供应商。

功率 MOSFET 用于 25 至 500 伏的应用，几乎在每个系统中都可以找到。通常，这些设备在 200 毫米和 300 毫米晶圆厂中制造。

多年来，功率 MOSFET 得到了改进。根据 B. Jayant Baliga 在其题为“功率半导体器件基础”一书中的说法，在 1970 年代，第一批器件基于平面栅极结构。Baliga 是 IGBT 的发明者，是北卡罗来纳州立大学的教授。

这个功率 MOSFET 在顶部有一个源极和栅极，在底部有一个漏极。它有时被称为平面功率 MOSFET。

然后，根据 Baliga 的说法，在 1990 年代，供应商转向基于沟槽的栅极结构。它仍然是一个垂直设备。但是，基于沟槽的功率 MOSFET 不是具有水平栅极结构，而是在结构中具有垂直栅极。基于沟槽的功率 MOSFET 能够以更小的芯片尺寸实现更高的密度。

随着时间的推移，供应商根据应用同时使用平面和垂直栅极。他们还使用了设计和制造方面的各种创新，使他们能够继续改进他们的设备。

例如，最近，英飞凌推出了最新的功率 MOSFET 系列 — OptiMOS 6。这些器件的 Rds（on）比上一代产品低 18%。

其他供应商正在出货新的功率 MOSFET。此外，供应商正在研究更新的技术。例如，Applied Novel Devices （AND）正在开发具有类 GaN 性能的功率 MOSFET。SkyWater 是 AND 的代工合作伙伴。

“随着硅的每一代迭代，我们减小了沟槽的单元间距，”英飞凌的 Yee 说。“这就是说我们正在降低 Rds（on） x A （area）。这会导致品质因数较低，从而使应用程序能够更快地切换。Rds（on） x A 的降低使供应商能够降低 MOSFET 的总体成本，同时提高性能。”

尽管如此，推进功率 MOSFET 仍存在挑战。“进一步降低品质因数［Rds（on） x 栅极电荷］，同时保持器件的热特性始终是一个挑战，”Yee 说。

虽然供应商正在寻找通过新设备获得更高性能的方法，但他们也在调整晶圆厂的制造工艺。一般来说，功率MOSFET工艺已经成熟，但也存在一些问题。

在晶圆厂中，供应商对平面栅极和沟槽栅极功率 MOSFET 使用许多相同的工艺步骤，但存在关键差异。对于这两种技术，第一步都是在衬底上沉积一层薄的 N+ 外延层。该层称为漂移区。

掩模层沉积在器件上。掩模覆盖了设备的顶部，设备两侧的边缘除外。据北卡罗来纳州立大学的巴利加介绍，边缘注入了 P 型掺杂剂。

Epi 堆栈的厚度是关键。Epi 层厚度与最终器件的阻断电压直接相关。“（例如），更厚和更轻掺杂的外延（堆叠）支持更高的击穿电压，但导通电阻增加，”Alpha & Omega Semiconductor 表示。

然后，在器件上形成沟槽。沟槽的尺寸由原始设计定义。在某些情况下，沟槽尺寸可以测量到 1.5 微米或更小。

为了形成沟槽，在器件上沉积另一个掩模层。这一次，中间部分被暴露，其中注入了N型掺杂剂。

为了形成沟槽，在表面上沉积氧化物。沟槽被图案化，然后被蚀刻。沟槽填充有栅极材料。最后，形成源极和漏极。

所有这些步骤都很重要，尤其是蚀刻工艺。

同时，推进超级结 MOSFET

功率 MOSFET 也有一些局限性。所以几年前，业界开发了超结功率MOSFET。超结器件仍以硅为基础，用于 500 至 900 伏的应用。

这些器件类似于功率 MOSFET。最大的区别在于，超级结MOSFET在结构内由垂直的高纵横比P/N柱组成，具有一些优势。

“超结功率 MOSFET 可在更小的空间内实现更大的功率。其次，它为关键任务应用提供了可靠性，”英飞凌的 Yee 说。“每一代，我们都在不断改进设备参数，例如 1） Rds（on）; 2）降低栅极电荷；以及，3） Eoss（存储在输出电容中的能量）。”

事实上，这些设备还在不断发展。例如，英飞凌的超结功率 MOSFET 系列，称为 CoolMOS，目前已进入第七代。新一代正在酝酿之中。此外，Alpha & Omega、Magnachip、Rohm、Toshiba 等公司正在出货新的超结功率 MOSFET。

然而，一般来说，超结技术正在达到其极限。“经过 20 年的发展，超级结功率 MOSFET 在 Rds（on） x A 方面存在物理限制，”Yee 说。“但仍然会有几代超级结的改进。宽带隙的出现无疑将在未来几年接管这种对性能提升的追求。重申一下，在可预见的未来，超结 MOSFET 将与宽带隙技术共存。”

供应商仍在寻找扩展超结器件的方法，但也存在一些挑战。传统上，为了在晶圆厂中制造超级结 MOSFET，供应商在基板上堆叠多个外延层。在每一层，都有一个掩膜和注入步骤。这又在器件中形成 P 型柱。然后，形成源极、漏极和栅极。

这种方法有效，但产生的 N 型和 P 型结构更大。这反过来又会影响芯片尺寸。

因此，在 2008 年，电装开发了一种不同的方法，并在市场上获得了成功。在该流程中，N型外延层沉积在衬底上。接下来，使用蚀刻工具，在外延层中以高纵横比形成垂直沟槽。

然后，根据电装的说法，P 型材料被沉积在沟槽中，形成 P 型柱。这导致设备具有交替的 P/N 列。形成栅极、源极和漏极。

“（这种方法）改善了击穿电压和特定导通电阻之间的权衡关系，”Denso 的 Jun Sakakibara 在 2008 年的原始论文中说。

这里存在一些制造挑战，即在结构内制作高纵横比（HAR）沟槽。

“制造超级结 MOSFET 有不同的机制，”Lam 的 Haynes 说。“其中许多涉及高纵横比沟槽蚀刻。这些纵横比可以是 40:1 到 50:1。并且越来越多的纵横比可以高达 80:1 或 100:1。这是硅蚀刻的一系列新挑战。与 IGBT 或传统 MOSFET 沟槽不同，这些极深的 HAR 超级结 MOSFET 沟槽无法使用 CMOS 制造中使用的稳态蚀刻工艺类型进行蚀刻。”

换句话说，它需要一种不同的解决方案，即反应离子蚀刻（RIE）工具。“它们需要使用深度反应离子蚀刻工艺进行蚀刻，该工艺在蚀刻和侧壁钝化沉积之间切换，以实现深度蚀刻能力，”Haynes 说。

在 RIE 中，第一步是蚀刻掉结构的一部分，然后将其钝化。然后，您重复该过程，直到蚀刻完成。这称为博世工艺。

多年来，一些供应商已经为这些应用程序开发了 RIE 工具。

IGBT 的下一步是什么？

与此同时，IGBT 仍然是领先的中档功率器件。IGBT 是一种垂直器件，它结合了 MOSFET 的开关速度和双极器件的导电性。

据 Yole 称，IGBT 在 2020 年的业务价值为 54 亿美元，预计每年增长 7.5%。富士、英飞凌、Littlefuse、三菱、安森美、东芝等都在这里展开竞争。

这些器件用于汽车、消费和工业应用。在一些电池电动汽车（BEV）中，IGBT 用于牵引逆变器，它为电机提供牵引力以驱动车辆。

特斯拉在其 Model 3 BEV 中使用具有竞争力的 SiC 功率器件作为牵引逆变器。展望未来，BEV 制造商可能会同时将 IGBT 和 SiC 器件用于功率逆变器。

多年来，IGBT 得到了改进。去年，英飞凌推出了基于其第七代 IGBT 系列的新模块。采用微图案沟槽技术，这些器件的开关损耗比以前的产品低 24%。

与功率 MOSFET 一样，IGBT 由平面或沟槽栅极结构组成。在更先进的基于沟槽的 IGBT 中，该工艺首先在衬底上沉积四个交替外延层（PNPN）。

表面经过 P 型注入步骤。然后，为了形成沟槽，对该结构进行构图和蚀刻。然后用栅极材料填充沟槽结构。最后，采用沉积技术，在顶部形成发射极，在底部形成集电极。

IGBT 已经存在了几十年，但最新的器件面临着一些制造挑战。“如果你采用 IGBT，就会通过制造越来越薄的晶圆来降低导通电阻，同时提高功率密度，”Lam 的 Haynes 说。“当你增加功率密度时，你会增加沟槽的密度。你可以从过去是方形或六边形的单元阵列变成非常密集的沟槽。”

沟槽的纵横比也增加了。“现在，您使用的特征尺寸可能是 7 到 10 微米深。随着图案密度的接近，纵横比正在增加，”Haynes说。“但在 RIE 蚀刻工艺中，您需要良好的轮廓控制。它们在非常高的电压下工作。沟槽的任何畸形或沟槽轮廓的任何不均匀都可能导致故障。”

还有其他挑战。“在晶圆的正面，您正在对栅极和源极（MOSFET）/发射极（IGBT）连接进行接触金属化。由于功率器件涉及高电流，因此金属必须比常规半导体器件厚，”KLA 公司 SPTS 的 PVD 产品管理高级总监 Chris Jones 说。“金属，通常是通过 PVD 沉积的铝合金（通常是 AlSi 或 AlSiCu），可以是 3μm 或高达 10μm 厚的任何东西。接触往往是基于长沟槽的结构，但也可以存在圆形或开槽接触。尺寸通常为 1-2μm 宽，具有低纵横比。但随着人们使用更先进的设备，他们可能会将触点尺寸缩小到 0.5μm 宽度，纵横比为 2:1。将铝放入低纵横比触点相对容易。