BOB半岛浅析功率半导体IGBT及SiC技术的相关知识

　　器。用于实现大功率直流/交流变换之后驱动电动机，还可用于捕获再生制动能量并回馈给电池组，是新能源汽车的“心脏”，决定了汽车的功能安全性，高速平稳性和绿色舒适性。

　　由于新能源汽车对续航里程的高需求，使得电能管理需求更精细化，这些对绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transister,IGBT)、MOSFET二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车，在新能源汽车率半导体占了整车半导体的55%左右。

　　功率半导体器件作为电能转换、驱动、控制等电力电子装置的基础和核心，是推动电力电子系统转化效率、功率密度、体积重量等方面优化的关键因素之一。

　　下面来看看功率半导体IGBT的分布，其中红色为后置发动机，绿色为前置发动机。机舱地板下方是四个电池组。逆变器(蓝色)集成在电机外壳中，并与其共享冷却回路。逆变器将电池的直流电转换为电机交流电，也是IGBT模组安装的地方。

　　1946年1月，远在太平洋彼岸的美国BELL实验室正式成立了一个半导体研究小组，小组内有3名核心成员，分别是Schokley、Bardeen和Brattain，俗称“晶体管三剑客”。

　　三剑客有自己的研究优势，Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。

　　在三剑客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布莱登(Brattain)发明了点接触(point‒contact)晶体管。接着在1949年肖克莱(Shockley)发表了关于p‒n结和双极型晶体管的经典论文。有史以来的第一个晶体管中，在三角形石英晶体底部的两个点接触是由相隔50μm的金箔线压到半导体表面做成的，所用的半导体材料为锗；当一个接触正偏(forward biased，即对于第三个端点加正电压)，而另一个接触反偏(reverse biased)时，可以观察到把输入信号放大的晶体管行为(transistoraction)。

　　既然说IGBT集成BJT和MOSFET的优点于一身，那么什么是BJT，什么是MOSFET呢？

　　半导体应用离不开硅元素，来看一下硅元素的特点，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。这部分知识初中化学学过，来张图片直观看看：

　　左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况，中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

　　突然有一天，物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉进群会怎样？物理学家有一天把砷兄拉进了群，于是奇迹发生了：

　　砷兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。

　　硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。 同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

　　由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。

　　举个例子，P型半导体是一块正方形的泥巴，这个泥巴里有很多孔洞（空穴），类似于我们看到的龙虾洞。N型半导体也是一块正方形的泥巴，这个泥巴中藏了很多龙虾（自由电子）。当我们把这两块泥巴贴在一起的时候，龙虾就会往龙虾洞的方向爬（电子漂移）。在电子的漂移下，PN结中形成电流。

　　再说一说晶体管的功能，晶体管(transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写)是一个多重结的半导体器件。通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益。

　　在电路中晶体管的主要作用是当作开关。可利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)成为开(on)(反之亦然)。关是高电压低电流，开是低电压高电流。

　　双极型晶体管(bipolar transistor)的结构：双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p‒n结所组成，其结构可为p‒n‒p或n-p-n的形式。

　　下图为p‒n‒p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区，再在此n型区上以热扩散形成一高浓度的p＋型区，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区形成欧姆接触。

　　下图为p‒n‒p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p‒n结。浓度最高的p＋区称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区(collector，用C表示)。各区域内的浓度假设均匀分布，p‒n结的概念可直接应用在晶体管内的结上。

　　了解了BJT后，再来了解下MOSFET的定义。先了解MOSFET的前半部分，也就是MOS器件。

　　金属‒氧化物‒半导体(MOS)电容在半导体器件中占有重要的地位，它是研究半导体表面特性最有用的器件之一，它也是先进集成电路中最重要的MOSFET器件的枢纽。

　　理想MOS电容：MOS电容的透视结构如下图所示，为其剖面结构，其中d为氧化层厚度，而V为施加于金属平板上的电压。当金属平板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值；而当金属平板相对于欧姆接触为负偏压时，V为负值。

　　n沟道MOSFET如下图，它是一个四端点器件，由一个有两个n+区域(即源极与漏极)的p型半导体组成。对于p沟道MOSFET，衬底和源、漏区的掺杂类型分别为n和p+。

　　氧化层上的金属称栅极(gate)，高掺杂或结合金属硅化物如WSi2的多晶硅可作栅电极，第四个端点为连接至衬底的欧姆接触。

　　基本器件参数有沟道长度L(两个n+‒p结间的距离)、沟道宽度Z、氧化层厚度d、结深度rj以及衬底掺杂浓度NA。器件中央即为MOS电容。

　　MOSFET的基本特性：MOSFET中源极接点作为电压参考点。栅极无外加偏压时，源极到漏极电极间可视为两个背靠背相接的p‒n结，而由源极流向漏极的电流只有反向漏电流BOB半岛体育。

　　这些定义读起来有些绕口，总体功能类似与一个水龙头开关，可以控制水流流向及大小，在内部结构上，可以通过下图来看MOSFET、BJT及IGBT内部结构差异：

　　对其中一款IGBT模块进行拆解，IGBT模块内部结构如下图所示，在制造过程中主要可以分为两部分，一部分是IGBT芯片的封装及测试，另一部分是IGBT芯片的设计及制造:

　　(2)直接敷铜陶瓷基板(DirectCopperBonded，DCB)：包括上铜层、陶瓷基板层和下铜层三个部分。上铜层的正面根据需求刻蚀成了电路，可以为IGBT芯片的集电极、发射极和栅极等电极提供中转以及互连。陶瓷基板层常采用氧化铝或者氮化铝材料制成，它主要是为芯片和其下部的结构层提供绝缘，同时为芯片和上铜层提供支撑和散热。下铜层的主要作用是为各个芯片提供散热路径。

　　(4)焊料层：主要起到了连通芯片、直接敷铜陶瓷基板的上铜层、直接敷铜陶瓷基板的下铜层和铜基板的作用。

　　(5)Al键合线：通常采用多根并联的方式，键合线一端键合于芯片上，另一端键合于直接敷铜陶瓷基板的上铜层。Al键合线的主要作用是实现芯片与外部连接端子之间的互连。

　　(6)Al金属化层：具有延展性好，导电性能优等特点，促成了IGBT芯片与Al引线)外部连接端子：包括发射极母排和集电极母排，它们一端跨接在直接敷铜陶瓷基板的上铜层，另一端裸露于器件外部，主要实现IGBT芯片与外部电路的互连。

　　(9)外壳：包括由环氧树脂制成的侧框和上部的管盖，可以保护IGBT模块内部的互连结构层免受外部环境的影响。

　　的外观及截面如下图所示，其中上铜层布置功率半导体/二极管芯片/键合线等电气部分，由DBC提供电路布局、绝缘、传热、机械支撑等功能，散热基板向上支撑衬板，向下与散热介质接触。传热路径上主要部件依次为功率芯片、芯片焊料、上铜层、陶瓷、下铜层、DBC焊料与基板。

　　下图是一款IGBT模块的内部结构，在IGBT模块内部集成了6个IGBT芯片，分别命名为IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。这6个IGBT芯片分为上、下两个半桥臂，其中，IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ并联连接组成上半桥臂，IGBT Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ并联连接组成下半桥臂，两个半桥臂之间串联连接。每个IGBT芯片的两端反并联有1个二极管，用于实现续流。

　　在解决IGBT封装问题上，大部分精力集中在解决IGBT模块的散热上，毕竟任何功率器件在温度过高的环境下更容易老化失效。

　　在IGBT的封装结构优化上，主要从两方面进行了考虑，一方面就是封装过程中引线键合方式，俗称绑定(英文Bonding的读音)，另一方面就是芯片的布局方式优化。

　　在引线键合方式的优化上，绑定落点数量的增加有利于降低芯片金属层中落点周围的电流密度，当新增一个落点后，芯片金属层的最大电流密度降低了20%，这使得功率循环性能提高了4倍BOB半岛体育。自此，多落点绑定线结构在高电流大面积芯片中广泛采用。

　　为了有效缓解绑定落点的热应力，多样化的绑定线布局方式可用于降低芯片温度。ABB公司提出了一种多落点绑定线结构，它与传统布线之间的对比如图所示。

　　根据对IGBT模块芯片不同布局方式进行热力学仿真分析发现，IGBT芯片在不同布局方式下，散热情况存在差异：

　　因此，国内外学者在电控功率模块封装布局热优化上进行了初步实践。针对多芯片并联结构调整芯片的位置，使其离射极电极位置更近，芯片布置从部分交错式改为水平对齐式，从而使芯片支路电流不均衡度从50%降低到33%。

　　的设计，布局设计自由度有回路数量、芯片布局范式、DBC尺寸、绑定布线范式、绑定DBC落点位置、开尔文布线、射极电极位置等。下图是不同公司IGBT模块芯片布局方式：

　　通过汇总了各模块的封装布局特征，归纳可知绑定线含并排式、交错式、叠层式，多芯片布局含部分交错式、连续交错式、水平对齐式、竖直对齐式等。

　　其中图(g)(h)采用多芯片布局采用双回路结构。图(d)多芯片间采用了串联式开尔文布线结构。图(g)射极电极设立在芯片1之下。

　　通过对IGBT芯片布局的优化，可有效降低芯片支电流，降低单芯片发热量，下图是将3片芯片布局方式进行优化后，芯片支路电流的变化。

　　芯片制造技术功率器件IGBT模块芯片生产流程长，工艺复杂，细节较多，但整理工艺流程如下图所示：

　　目前报道的Si IGBT最高耐压是8.4kV，并且已经非常接近Si器件的极限。同时，工作频率和结温也是限制Si IGBT的主要因素之一。

　　电力传输系统等超高压应用领域具有广泛的应用潜力。SiC于1823年在斯德哥尔摩karolinska大学的化学实验室中被Jons Berzelius教授发现。1987年，美国CREE报导了其制造的6H-SiC单晶，宣布SiC正式进入了一个高速发展的时代，CREE也成为全球第一家制造和销售SiC晶片和器件的公司。

　　(Gate Turn-off Thyristor,GTO)为双极型器件，适用于10kV以上高压范围。2006年发布了世界首款SiC商业化开关器件JFET器件。2008年分别发布了首款SiC BJT器件和常关型的SiC JFET。但MOSFET器件的产品化一直处于空白之中。随着工艺技术的发展尤其是栅氧界面处理技术的成熟，2010年Cree和Rohm推出了平面栅MOSFET产品。

　　下表中列出了几种常见半导体的材料特性，从中可以看出4H-SiC的禁带宽度是Si的约3倍，同一温度下SiC拥有更低的本征载流子浓度；临界电场约10倍，使SiC可以耐受更高的电压；饱和漂移速度约2倍，使SiC器件具有高速、高频的特性优势；热导率约3倍，使SiC器件可以在更高的温度下工作，减小散热系统体积从而减小整机体积。

　　同时，虽然SiC是化合物半导体材料，但是仍然可以在其上通过热氧化的方法形成二氧化硅(SiO2)层，这对于制造SiC栅控型器件非常有利。以上种种优势使得SiC和

　　(GalliumNitride,GaN)、金刚石材料(Diamond)一起被誉为发展前景十分广阔的第三代半导体材料。得益于SiC优良的材料特性，SiC IGBT在超高压(≥15kV)应用领域具有不可替代的地位，例如电力传输、电力存储、超高压电网

　　等超高压电力传输系统，以及舰船全电推进系统中的电能管理系统、全电推动航天器。目前，SiC IGBT已经成为各国半导体研究工作的重点。

　　碳化硅MOSFET是目前碳化硅器件中最受关注的开关型器件，主要功率器件的企业(Cree、ST、Rohm、Infineon等)都推出了相关的产品。每代产品都在元胞设计、导通压降以及

　　电压方面不断进步。其中Cree和ST专注于平面栅MOSFET的开发，Rohm公司推出了第一代和第二代平面栅MOSFET之后推出了第三代的沟槽栅MOSFET，亦采用了沟槽栅MOSFET。MOSFET器件的发展趋势就是更小的比导通电阻。随着材料生长和工艺的逐步成熟，SiC逐步应用于垂直功率器件。然而早期由于受到SiC离子注入工艺水平的制约，研究人员采用外延掺杂的方式来生长MOSFET的N+区和P阱区。由于沟槽型MOSFET工艺较为简单，1993年该工艺成为最先被用于研制SiC MOSFET器件。

　　由于沟槽型MOSFET耐压较低，并且随着离子注入和高温退火激活工艺的不断成熟，研究重点又从沟槽型MOSFET变为平面栅双注入MOSFET(DMOSFET)。

　　传统N沟道穿通型SiC IGBT器件的元胞结构如下图所示，其中(a)是平面型结构， (b)是沟槽型结构。

　　在芯片制造时，碳化硅材料中N型离子注入工艺，常见掺杂离子包括氮离子(N)和磷离子(P)。针对碳化硅材料中P型离子注入，常见的掺杂离子包括铝离子(Al)和硼离子(B)。

　　离子注入工艺后，注入区域产生大量的缺陷，且掺杂离子大部分处于原子间隙位置，未能产生有效地激活，因而需要退火工艺对缺陷进行修复。

　　第一个工序需要在外延片上进行对准标记的制作，且需要使用该对准标记与后面的图形进行对准。第二至第四个工序，都需要离子注入工艺。离子注入工艺决定了结的形貌和相互关系，在平面栅MOSFET中尤其重要。

　　SiC是宽禁带半导体材料，相比Si而言具有更大的禁带宽度，更高的临界击穿场强和热导率等优异的材料特性。因此在相同条件下，SiC电力电子器件具有更高的阻断电压，更大的输出功率、更高的工作频率以及更好的温度特性等优势。

　　随着SiC MOSFET器件逐步使用，对其技术性能的要求越来越高，其中器件的可靠性成为关注重点。从平面栅和沟槽栅的对比来看，平面栅MOSFET由于不存在栅槽，因此其可靠性相对优异。在市场上，平面栅MOSFET已逐步进入市场，甚至部分进入了电动车领域，而沟槽栅MOSFET正在进行可靠性的测试。

　　如今使用碳化硅MOSFET体二极管作为续流二极管的场合越来越多，而其体二极管由于为PN二极管，因此其开启电压较高，会带来较高的导通损耗。同时PN二极管也会在高温使用场景中带来较大的反向恢复电荷，导致整机应用的效率降低BOB半岛体育。

　　文章出处：【微信号：bdtdsj，微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

　　规格书中的规格值的比较，Eon为开关导通损耗，Eoff为开关关断损耗、Err为恢复损耗。全

　　元件来适应略微增加的开关频率，但由于无功能量循环而增加传导损耗［2］。因此，开关模式电源一直是向更高效率和高BOB半岛浅析功率半导体IGBT及SiC技术的相关知识