什么是功率半導(dǎo)體？IGBT 的下一步是什么？

功率半導(dǎo)體供應(yīng)商繼續(xù)開發(fā)和交付基于傳統(tǒng)硅技術(shù)的產(chǎn)品，但硅已接近極限，并面臨來自 GaN 和 SiC 等技術(shù)的日益激烈的競爭。

作為回應(yīng)，業(yè)界正在尋找擴(kuò)展傳統(tǒng)硅基功率器件的方法。至少在短期內(nèi)，芯片制造商正在努力提高性能并延長技術(shù)。

功率半導(dǎo)體是用于多種低壓到高壓應(yīng)用的專用晶體管，例如汽車、工業(yè)、電源、太陽能和火車。這些晶體管像設(shè)備中的開關(guān)一樣工作，允許電流在“開”狀態(tài)下流動(dòng)并在“關(guān)”狀態(tài)下停止。它們提高了效率并最大限度地減少了系統(tǒng)中的能量損失。

多年來，功率半導(dǎo)體市場一直由硅基器件主導(dǎo)，即功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。這些設(shè)備于 1970 年代首次商業(yè)化，如今幾乎在每個(gè)系統(tǒng)中都能找到。這些產(chǎn)品成熟且價(jià)格低廉，但它們也有一些缺點(diǎn)，并且在某些情況下達(dá)到了理論性能極限。這就是為什么許多供應(yīng)商也在開發(fā)和交付基于兩種寬帶隙半導(dǎo)體——氮化鎵（GaN） 和碳化硅（SiC） 的新型功率器件。面世一段時(shí)間，基于 GaN 和 SiC 的功率器件在各個(gè)領(lǐng)域與硅 IGBT 和 MOSFET 競爭。GaN 和 SiC 器件效率更高，但它們也更昂貴。

總的來說，這些不同類型的功率半導(dǎo)體為客戶提供了選擇，但它們也增加了一定程度的混亂。事實(shí)證明，沒有一種功率器件可以滿足系統(tǒng)中的所有要求。這就是為什么客戶需要一系列具有不同額定電壓和價(jià)格點(diǎn)的選項(xiàng)。

GaN 和 SiC 器件近來備受關(guān)注。它們較新，并提供了各種令人印象深刻的屬性。但成熟的基于硅的設(shè)備也很重要，而且它們不會(huì)很快消失。硅基設(shè)備繼續(xù)發(fā)展，盡管速度比前幾年慢。

全球最大的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商英飛凌的應(yīng)用管理總監(jiān) Bob Yee 表示：“今天，我們看到硅仍將是功率 MOSFET 的主要形式，占據(jù)約 60% 的市場份額，即使隨著寬帶隙技術(shù)的出現(xiàn)，”?！皩拵秾⑻钛a(bǔ)并占據(jù)硅的空間，從而增加更多價(jià)值，并將在硅無法實(shí)現(xiàn)的地方實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。也就是說，寬帶隙是對(duì)硅的補(bǔ)充。但在可預(yù)見的未來，硅仍將是主力?！?/p>

換句話說，所有技術(shù)都有一席之地?？偠灾诠璧墓β拾雽?dǎo)體器件，包括 IGBT 和 MOSFET，仍占整個(gè)市場的 80% 左右。硅領(lǐng)域發(fā)生了幾項(xiàng)重要變化，包括：

? 供應(yīng)商正在推出新系列的硅基功率MOSFET、超級(jí)結(jié)器件和IGBT。? 在研發(fā)方面，業(yè)界正在推進(jìn)基于硅的 MOSFET 和 IGBT。? Lam Research 和其他公司開發(fā)了用于功率半導(dǎo)體的新設(shè)備。

功率器件分類

什么是功率半導(dǎo)體？

功率半導(dǎo)體用于電力電子領(lǐng)域。用于固態(tài)設(shè)備，電力電子控制和轉(zhuǎn)換各種系統(tǒng)中的電力，例如汽車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、太陽能和風(fēng)力渦輪機(jī)。

這些器件不同于傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET）。當(dāng)今的數(shù)字 CMOS FET 由構(gòu)建在硅頂部的源極、柵極和漏極組成。在操作中，向柵極施加電壓，使電流從源極流向漏極。

相比之下，IGBT 和大多數(shù)功率 MOSFET 是垂直器件，源極和柵極位于器件頂部，漏極位于底部。在操作中，向柵極施加電壓并且電子沿垂直方向移動(dòng)，垂直方向支持更高的電流和電壓。

還有其他差異。在傳統(tǒng)的 MOSFET 中，芯片制造商在每一代都縮小晶體管的特征尺寸，從而使芯片具有更高的晶體管密度。在功率器件中，供應(yīng)商也在縮小晶體管，但還沒有達(dá)到數(shù)字 CMOS 的程度。

Lam Research戰(zhàn)略營銷高級(jí)總監(jiān) Michelle Bourke 表示：“如果您考慮 MOSFET 和 IGBT，它們?cè)谝?guī)模和效率方面正在經(jīng)歷自己的發(fā)展軌跡?！?“有些人可能會(huì)說，與 CMOS 相比，這些功能很大。但是，為了達(dá)到該設(shè)備性能所需的垂直度和配置文件控制與我們?cè)?Lam 中遇到的一些 CMOS 問題一樣具有挑戰(zhàn)性。因此，雖然從設(shè)備的角度來看，這些功能仍然很大，但從開發(fā)的角度來看，這是我們完成的最具挑戰(zhàn)性的過程之一。我們正在使這種情況發(fā)生。”

通常，對(duì)于功率半導(dǎo)體，最重要的考慮因素是其他參數(shù)，例如電壓 （V）、Rds（on） 和柵極電荷。每個(gè)功率半導(dǎo)體器件都有一個(gè)額定電壓 （V）。“VDSS 中的‘V’ 是最大允許工作電壓，或漏源電壓規(guī)格，”EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 解釋道。

導(dǎo)通電阻或 Rds（on） 是源極和漏極之間的電阻值。柵極電荷是開啟器件的電荷量。Ron x A很重要。“半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的成本優(yōu)化一直與芯片縮小聯(lián)系在一起。此規(guī)則也適用于功率器件。Ron x A 是一個(gè)關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，它描述了提供功率器件的特定器件性能所需的硅面積。通常，當(dāng)我們開發(fā)新的電源技術(shù)時(shí)，我們通過降低新技術(shù)的 Ron XA 來獲得的成本優(yōu)勢超過了通常更復(fù)雜的生產(chǎn)過程的額外成本。這些成本效益可以交付給客戶，是成本降低路線圖的核心，”英飛凌的 Yee 說。

有多種功率半導(dǎo)體選項(xiàng)可供選擇，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。在硅方面，選擇包括功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET 和 IGBT。功率 MOSFET 被認(rèn)為是最便宜和最受歡迎的器件，用于適配器、電源和其他產(chǎn)品。它們用于 25 至 500 伏的應(yīng)用。

超結(jié)功率 MOSFET 是增強(qiáng)型 MOSFET，用于 500 至 900 伏系統(tǒng)。同時(shí)，領(lǐng)先的中端功率半導(dǎo)體器件是用于 1，200 伏至 6.6 千伏應(yīng)用的 IGBT。

硅基功率器件在各個(gè)領(lǐng)域與 GaN 和 SiC 競爭。GaN 和 SiC 都具有一些令人印象深刻的特性。SiC 提供 10 倍的擊穿電場強(qiáng)度和 3 倍的硅帶隙。GaN 超過了這些數(shù)字。

“寬帶隙半導(dǎo)體具有關(guān)鍵優(yōu)勢，但它們將與基于硅的技術(shù)并行存在，”Lam Research 戰(zhàn)略營銷董事總經(jīng)理 David Haynes 說?！盎诠璧募夹g(shù)將持續(xù)很長時(shí)間。他們非常成熟。基于硅的功率器件正在進(jìn)行大量的研究和技術(shù)開發(fā)?！?/p>

1969 年，日立公司描述了世界上第一個(gè)功率 MOSFET。隨著時(shí)間的推移，越來越多的公司進(jìn)入了功率 MOSFET 市場，并將其發(fā)展為一項(xiàng)大生意。

根據(jù) Yole Développement 的數(shù)據(jù)，2020 年，整個(gè)功率 MOSFET 市場的業(yè)務(wù)規(guī)模為 75 億美元。據(jù) Yole 稱，該市場正以每年 3.8% 的溫和速度增長。Yole 稱，英飛凌是最大的功率 MOSFET 供應(yīng)商，其次是許多其他供應(yīng)商。

功率 MOSFET 用于 25 至 500 伏的應(yīng)用，幾乎在每個(gè)系統(tǒng)中都可以找到。通常，這些設(shè)備在 200 毫米和 300 毫米晶圓廠中制造。

多年來，功率 MOSFET 得到了改進(jìn)。根據(jù) B. Jayant Baliga 在其題為“功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)”一書中的說法，在 1970 年代，第一批器件基于平面柵極結(jié)構(gòu)。Baliga 是 IGBT 的發(fā)明者，是北卡羅來納州立大學(xué)的教授。

這個(gè)功率 MOSFET 在頂部有一個(gè)源極和柵極，在底部有一個(gè)漏極。它有時(shí)被稱為平面功率 MOSFET。

然后，根據(jù) Baliga 的說法，在 1990 年代，供應(yīng)商轉(zhuǎn)向基于溝槽的柵極結(jié)構(gòu)。它仍然是一個(gè)垂直設(shè)備。但是，基于溝槽的功率 MOSFET 不是具有水平柵極結(jié)構(gòu)，而是在結(jié)構(gòu)中具有垂直柵極?；跍喜鄣墓β?MOSFET 能夠以更小的芯片尺寸實(shí)現(xiàn)更高的密度。

隨著時(shí)間的推移，供應(yīng)商根據(jù)應(yīng)用同時(shí)使用平面和垂直柵極。他們還使用了設(shè)計(jì)和制造方面的各種創(chuàng)新，使他們能夠繼續(xù)改進(jìn)他們的設(shè)備。

例如，最近，英飛凌推出了最新的功率 MOSFET 系列 — OptiMOS 6。這些器件的 Rds（on） 比上一代產(chǎn)品低 18%。

其他供應(yīng)商正在出貨新的功率 MOSFET。此外，供應(yīng)商正在研究更新的技術(shù)。例如，Applied Novel Devices （AND） 正在開發(fā)具有類 GaN 性能的功率 MOSFET。SkyWater 是 AND 的代工合作伙伴。

“隨著硅的每一代迭代，我們減小了溝槽的單元間距，”英飛凌的 Yee 說?！斑@就是說我們正在降低 Rds（on） x A （area）。這會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)較低，從而使應(yīng)用程序能夠更快地切換。Rds（on） x A 的降低使供應(yīng)商能夠降低 MOSFET 的總體成本，同時(shí)提高性能?！?/p>

盡管如此，推進(jìn)功率 MOSFET 仍存在挑戰(zhàn)?！斑M(jìn)一步降低品質(zhì)因數(shù) ［Rds（on） x 柵極電荷］，同時(shí)保持器件的熱特性始終是一個(gè)挑戰(zhàn)，”Yee 說。

雖然供應(yīng)商正在尋找通過新設(shè)備獲得更高性能的方法，但他們也在調(diào)整晶圓廠的制造工藝。一般來說，功率MOSFET工藝已經(jīng)成熟，但也存在一些問題。

在晶圓廠中，供應(yīng)商對(duì)平面柵極和溝槽柵極功率 MOSFET 使用許多相同的工藝步驟，但存在關(guān)鍵差異。對(duì)于這兩種技術(shù)，第一步都是在襯底上沉積一層薄的 N+ 外延層。該層稱為漂移區(qū)。

掩模層沉積在器件上。掩模覆蓋了設(shè)備的頂部，設(shè)備兩側(cè)的邊緣除外。據(jù)北卡羅來納州立大學(xué)的巴利加介紹，邊緣注入了 P 型摻雜劑。

Epi 堆棧的厚度是關(guān)鍵。Epi 層厚度與最終器件的阻斷電壓直接相關(guān)。“（例如），更厚和更輕摻雜的外延（堆疊）支持更高的擊穿電壓，但導(dǎo)通電阻增加，”Alpha & Omega Semiconductor 表示。

然后，在器件上形成溝槽。溝槽的尺寸由原始設(shè)計(jì)定義。在某些情況下，溝槽尺寸可以測量到 1.5 微米或更小。

為了形成溝槽，在器件上沉積另一個(gè)掩模層。這一次，中間部分被暴露，其中注入了N型摻雜劑。

為了形成溝槽，在表面上沉積氧化物。溝槽被圖案化，然后被蝕刻。溝槽填充有柵極材料。最后，形成源極和漏極。

所有這些步驟都很重要，尤其是蝕刻工藝。

同時(shí)，推進(jìn)超級(jí)結(jié) MOSFET

功率 MOSFET 也有一些局限性。所以幾年前，業(yè)界開發(fā)了超結(jié)功率MOSFET。超結(jié)器件仍以硅為基礎(chǔ)，用于 500 至 900 伏的應(yīng)用。

這些器件類似于功率 MOSFET。最大的區(qū)別在于，超級(jí)結(jié)MOSFET在結(jié)構(gòu)內(nèi)由垂直的高縱橫比P/N柱組成，具有一些優(yōu)勢。

“超結(jié)功率 MOSFET 可在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率。其次，它為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供了可靠性，”英飛凌的 Yee 說?！懊恳淮?，我們都在不斷改進(jìn)設(shè)備參數(shù)，例如 1） Rds（on）; 2） 降低柵極電荷；以及，3） Eoss（存儲(chǔ)在輸出電容中的能量）?！?/p>

事實(shí)上，這些設(shè)備還在不斷發(fā)展。例如，英飛凌的超結(jié)功率 MOSFET 系列，稱為 CoolMOS，目前已進(jìn)入第七代。新一代正在醞釀之中。此外，Alpha & Omega、Magnachip、Rohm、Toshiba 等公司正在出貨新的超結(jié)功率 MOSFET。

然而，一般來說，超結(jié)技術(shù)正在達(dá)到其極限?！敖?jīng)過 20 年的發(fā)展，超級(jí)結(jié)功率 MOSFET 在 Rds（on） x A 方面存在物理限制，”Yee 說。“但仍然會(huì)有幾代超級(jí)結(jié)的改進(jìn)。寬帶隙的出現(xiàn)無疑將在未來幾年接管這種對(duì)性能提升的追求。重申一下，在可預(yù)見的未來，超結(jié) MOSFET 將與寬帶隙技術(shù)共存?！?/p>

供應(yīng)商仍在尋找擴(kuò)展超結(jié)器件的方法，但也存在一些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，為了在晶圓廠中制造超級(jí)結(jié) MOSFET，供應(yīng)商在基板上堆疊多個(gè)外延層。在每一層，都有一個(gè)掩膜和注入步驟。這又在器件中形成 P 型柱。然后，形成源極、漏極和柵極。

這種方法有效，但產(chǎn)生的 N 型和 P 型結(jié)構(gòu)更大。這反過來又會(huì)影響芯片尺寸。

因此，在 2008 年，電裝開發(fā)了一種不同的方法，并在市場上獲得了成功。在該流程中，N型外延層沉積在襯底上。接下來，使用蝕刻工具，在外延層中以高縱橫比形成垂直溝槽。

然后，根據(jù)電裝的說法，P 型材料被沉積在溝槽中，形成 P 型柱。這導(dǎo)致設(shè)備具有交替的 P/N 列。形成柵極、源極和漏極。

“（這種方法）改善了擊穿電壓和特定導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系，”Denso 的 Jun Sakakibara 在 2008 年的原始論文中說。

這里存在一些制造挑戰(zhàn)，即在結(jié)構(gòu)內(nèi)制作高縱橫比 （HAR） 溝槽。

“制造超級(jí)結(jié) MOSFET 有不同的機(jī)制，”Lam 的 Haynes 說?！捌渲性S多涉及高縱橫比溝槽蝕刻。這些縱橫比可以是 40:1 到 50:1。并且越來越多的縱橫比可以高達(dá) 80:1 或 100:1。這是硅蝕刻的一系列新挑戰(zhàn)。與 IGBT 或傳統(tǒng) MOSFET 溝槽不同，這些極深的 HAR 超級(jí)結(jié) MOSFET 溝槽無法使用 CMOS 制造中使用的穩(wěn)態(tài)蝕刻工藝類型進(jìn)行蝕刻?！?/p>

換句話說，它需要一種不同的解決方案，即反應(yīng)離子蝕刻 （RIE） 工具?！八鼈冃枰褂蒙疃确磻?yīng)離子蝕刻工藝進(jìn)行蝕刻，該工藝在蝕刻和側(cè)壁鈍化沉積之間切換，以實(shí)現(xiàn)深度蝕刻能力，”Haynes 說。

在 RIE 中，第一步是蝕刻掉結(jié)構(gòu)的一部分，然后將其鈍化。然后，您重復(fù)該過程，直到蝕刻完成。這稱為博世工藝。

多年來，一些供應(yīng)商已經(jīng)為這些應(yīng)用程序開發(fā)了 RIE 工具。

IGBT 的下一步是什么？

與此同時(shí)，IGBT 仍然是領(lǐng)先的中檔功率器件。IGBT 是一種垂直器件，它結(jié)合了 MOSFET 的開關(guān)速度和雙極器件的導(dǎo)電性。

據(jù) Yole 稱，IGBT 在 2020 年的業(yè)務(wù)價(jià)值為 54 億美元，預(yù)計(jì)每年增長 7.5%。富士、英飛凌、Littlefuse、三菱、安森美、東芝等都在這里展開競爭。

這些器件用于汽車、消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。在一些電池電動(dòng)汽車 （BEV） 中，IGBT 用于牽引逆變器，它為電機(jī)提供牽引力以驅(qū)動(dòng)車輛。

特斯拉在其 Model 3 BEV 中使用具有競爭力的 SiC 功率器件作為牽引逆變器。展望未來，BEV 制造商可能會(huì)同時(shí)將 IGBT 和 SiC 器件用于功率逆變器。

多年來，IGBT 得到了改進(jìn)。去年，英飛凌推出了基于其第七代 IGBT 系列的新模塊。采用微圖案溝槽技術(shù)，這些器件的開關(guān)損耗比以前的產(chǎn)品低 24%。

與功率 MOSFET 一樣，IGBT 由平面或溝槽柵極結(jié)構(gòu)組成。在更先進(jìn)的基于溝槽的 IGBT 中，該工藝首先在襯底上沉積四個(gè)交替外延層 （PNPN）。

表面經(jīng)過 P 型注入步驟。然后，為了形成溝槽，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)圖和蝕刻。然后用柵極材料填充溝槽結(jié)構(gòu)。最后，采用沉積技術(shù)，在頂部形成發(fā)射極，在底部形成集電極。

IGBT 已經(jīng)存在了幾十年，但最新的器件面臨著一些制造挑戰(zhàn)?！叭绻悴捎?IGBT，就會(huì)通過制造越來越薄的晶圓來降低導(dǎo)通電阻，同時(shí)提高功率密度，”Lam 的 Haynes 說?！爱?dāng)你增加功率密度時(shí)，你會(huì)增加溝槽的密度。你可以從過去是方形或六邊形的單元陣列變成非常密集的溝槽?！?/p>

溝槽的縱橫比也增加了。“現(xiàn)在，您使用的特征尺寸可能是 7 到 10 微米深。隨著圖案密度的接近，縱橫比正在增加，”Haynes說。“但在 RIE 蝕刻工藝中，您需要良好的輪廓控制。它們?cè)诜浅８叩碾妷合鹿ぷ?。溝槽的任何畸形或溝槽輪廓的任何不均勻都可能?dǎo)致故障?！?/p>

還有其他挑戰(zhàn)?！霸诰A的正面，您正在對(duì)柵極和源極 （MOSFET）/發(fā)射極 （IGBT） 連接進(jìn)行接觸金屬化。由于功率器件涉及高電流，因此金屬必須比常規(guī)半導(dǎo)體器件厚，”KLA 公司 SPTS 的 PVD 產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Chris Jones 說。“金屬，通常是通過 PVD 沉積的鋁合金（通常是 AlSi 或 AlSiCu），可以是 3μm 或高達(dá) 10μm 厚的任何東西。接觸往往是基于長溝槽的結(jié)構(gòu)，但也可以存在圓形或開槽接觸。尺寸通常為 1-2μm 寬，具有低縱橫比。但隨著人們使用更先進(jìn)的設(shè)備，他們可能會(huì)將觸點(diǎn)尺寸縮小到 0.5μm 寬度，縱橫比為 2:1。將鋁放入低縱橫比觸點(diǎn)相對(duì)容易。

盡管如此，供應(yīng)商仍在繼續(xù)開發(fā)基于硅的 IGBT。然后，在研發(fā)方面，供應(yīng)商和大學(xué)正在研究新奇的設(shè)備。

例如，在 2020 年 IEDM 會(huì)議上，多家實(shí)體發(fā)表了一篇關(guān)于 3.3kV 背柵 IGBT （BC-IGBT） 的論文。東京大學(xué)、三菱、東芝等為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。

BC-IGBT 由結(jié)構(gòu)頂部和底部的柵極組成。東京大學(xué)的研究員 Takuya Saraya 在論文中說：“IGBT 的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其開關(guān)頻率相對(duì)較低，因?yàn)槠浠鶇^(qū)會(huì)積累電荷載流子?！?“通過使用背面 MOS 柵極來加速電子漏極和阻止空穴注入，實(shí)現(xiàn)了 60% 以上的關(guān)斷損耗降低。”

開發(fā)背柵 IGBT 的一種方法是制造兩個(gè)獨(dú)立的器件，然后將它們粘合在一起。但這增加了等式的成本。

在BC-IGBT技術(shù)中，研究人員開發(fā)了一種常規(guī)的IGBT。然后他們?cè)谠O(shè)備底部實(shí)施了傳統(tǒng)的溝槽工藝。兩個(gè)門都對(duì)齊了。

結(jié)論

基于硅的功率半導(dǎo)體將存在很長時(shí)間，并且沒有跡象表明它們會(huì)永遠(yuǎn)消失。但 GaN 和 SiC 器件正在大舉進(jìn)軍。因此，系統(tǒng)制造商有多種選擇來滿足功率半導(dǎo)體的需求。

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semiengineering