|
摘? 要?：介紹了現(xiàn)代硅基大功率半導(dǎo)體器件的歷史演變和新型器件結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，以及寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的現(xiàn)狀；闡述了國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體器件在軌道交通、直流輸電和新能源汽車等領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論了大功率半導(dǎo)體技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。
經(jīng)過 60 余年的技術(shù)發(fā)展，大功率半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出多種硅（Si）基功率器件，單極型器件以金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor,MOS）為代表，雙極型器件包括二極管、功率晶體管和晶閘管等，復(fù)合型器件包括絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）等。圍繞功率轉(zhuǎn)換，功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和工藝以提高功率容量、增大功率密度、降低功率損耗和提升能源轉(zhuǎn)換效率為主要的技術(shù)發(fā)展方向 [1-2] 。功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展不斷推動(dòng)著能源技術(shù)和軌道牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。1957 年晶閘管的發(fā)明使得牽引傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入電力電子技術(shù)時(shí)代 [1]，晶閘管的誕生促進(jìn)了交直傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。1965 年第 1 臺(tái)晶閘管整流機(jī)車問世，同時(shí)全球也興起了單相工頻交流電網(wǎng)電氣化的高潮。20 世紀(jì) 70 年代初，大功率晶閘管特別是門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-off Thyristor, GTO）的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了交流傳動(dòng)技術(shù)逐步取代交直傳動(dòng)技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代中期，隨著高壓 IGBT 技術(shù)的成熟，交流傳動(dòng)功率開關(guān)器件被 IGBT 所取代，在高速、重載和城市軌道交通等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。功率半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)過 60 余年發(fā)展，器件阻斷能力和通態(tài)損耗的折衷關(guān)系已逐漸逼近硅基材料物理極限，因此寬禁帶材料與器件越來越受到重視，尤其是以碳化硅（SiC）和氮化鎵 (GaN) 為代表的第 3 代半導(dǎo)體材料為大功率半導(dǎo)體技術(shù)及器件帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。與集成電路發(fā)展一樣，功率半導(dǎo)體的起源可以上溯到 1947 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的世界上第 1 只鍺基雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）[1]，基極是控制極，通過較小的輸入電流來控制集電極和發(fā)射極之間的電壓和電流。由于鍺基 BJT 在熱穩(wěn)定性方面的缺陷，20 世紀(jì) 60 年代逐漸被硅基 BJT 取代，典型的雙極型晶體管結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。功率 BJT 具有低飽和壓降和低成本優(yōu)勢(shì)，但由于其驅(qū)動(dòng)功率大和熱穩(wěn)定性差，因而逐漸被取代。1957 年，美國(guó) GE 公司發(fā)明了第 1 只用于工業(yè)功率轉(zhuǎn)換與控制的晶閘管（Silicon Controlled Rectififier, SCR）[2]，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，通過在柵極和陰極之間加上一定正電壓，器件可導(dǎo)通。晶閘管能以小電流控制較大的功率，標(biāo)志電能的變換、傳輸和應(yīng)用進(jìn)入新的技術(shù)發(fā)展時(shí)代。電力電子變換裝置開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通和能源等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，并完成大功率電能控制的目的，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中 4 kA/8 kV等級(jí)晶閘管在本世紀(jì)初已經(jīng)進(jìn)入大批量應(yīng)用。
在晶閘管發(fā)明后的幾十年，陸續(xù)研究開發(fā)了雙向晶閘管、光觸發(fā)晶閘管和非對(duì)稱晶閘管等新型結(jié)構(gòu)器件 [3]，極大地豐富了晶閘管家族，為交直傳動(dòng)和高壓直流輸電等大功率應(yīng)用提供了更多的選擇。為了克服晶閘管無法通過柵極關(guān)斷的弱點(diǎn)，門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-off Thyristor, GTO）于 1960 年被推出 [4] ，通過門極環(huán)繞分立陰極并聯(lián)、降低導(dǎo)通時(shí)飽和深度等結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了門極關(guān)斷控制，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的配套電路，提高了可靠性。目前，GTO 容量已達(dá)到 10 kA/10 kV，在各種自關(guān)斷型器件中容量最大，在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。1997 年，瑞士ABB 公司研發(fā)的集成門極換流晶閘管（Integrated GateCommutated Thyristor, IGCT）將 GTO 單元、反并聯(lián)二極管和驅(qū)動(dòng)控制電路集成在一起（IGCT 晶圓和典型封裝形式如圖 3 所示），成為一種具有低成本、低損耗、高功率密度和高可靠性的新型器件 [5] 。
1959 年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出 MOSFET[6]，并將其應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域。功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)如圖 4所示，采用傳統(tǒng) MOSFET 設(shè)計(jì)原理，通過大量元胞并聯(lián)和垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高耐壓和大電流能力，通過改變“柵極 - 源極”之間的電壓，控制器件開關(guān)狀態(tài)。功率 MOSFET 是一種壓控型器件，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的集成化，具有正溫度系數(shù)，有利于多個(gè)器件的并聯(lián)使用。功率 MOSFET 通過多數(shù)載流子導(dǎo)電，其開關(guān)速度很快，工作頻率很高，但隨著器件耐壓提高，通態(tài)電阻急劇增大，二者形成相互制約，限制了其在高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。
在 20 世紀(jì) 80 年代初，通過把 MOSFET 與 BJT 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，促成了新型功率器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的發(fā)明 [7] ，其思路是通過電壓控制的 MOSFET 給 BJT 提供基極電流，實(shí)現(xiàn)器件的高輸入阻抗和低導(dǎo)通損耗。IGBT 由美國(guó) GE 公司和 RCA 公司于 1983 年推出，并于 1986年開始形成系列化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，當(dāng)“柵極- 發(fā)射極”之間的電壓超過 MOSFET 的柵極閾值電壓時(shí)，MOS 溝道打開，向 PNP 型 BJT 基極注入電流，開通 BJT。由于集電極側(cè) P 型半導(dǎo)體向 N 型基區(qū)注入少子，在基區(qū)中形成了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，可在保證耐壓的同時(shí)，極大地降低導(dǎo)通電阻，形成了耐壓與導(dǎo)通電阻的良好折衷關(guān)系。IGBT 集 MOSFET 電壓控制特性和 BJT 低導(dǎo)通電阻特性于一體，具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、輸入阻抗大、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)損耗低、工作頻率高等特點(diǎn)，繼承了 MOSFET 較寬的安全工作區(qū)（Safe Operation Area, SOA）特性，是電力電子器件家族中最重要的成員之一。IGBT 經(jīng)歷了平面穿通型、平面非穿通型、溝槽柵場(chǎng)截止型和精細(xì)溝槽柵型等 7 代結(jié)構(gòu)的迭代優(yōu)化，并衍生出了逆導(dǎo)型 IGBT（Reverse Conducting IGBT, RC-IGBT）、逆阻型 IGBT （Reverse Blocking IGBT, RB-IGBT）和超級(jí)結(jié)型 IGBT（Super Junction IGBT, SJ-IGBT）等新型器件結(jié)構(gòu)。
RC-IGBT 將 IGBT 元胞和快恢復(fù)二極管（FastRecovery Diode, FRD）元胞集成在 1 個(gè)芯片上 [8] ，F(xiàn)RD與 IGBT 反并聯(lián)連接，其結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。RC-IGBT 將集電極部分 P 型摻雜區(qū)域替換為 N 型摻雜區(qū)域，從而與發(fā)射極 P 型摻雜區(qū)域形成 PIN（P-Intrinsic-N）二極管，作為續(xù)流二極管使用。目前，RC-IGBT 除了應(yīng)用在電壓諧振外，還擴(kuò)展到硬開關(guān)領(lǐng)域。RB-IGBT 結(jié)構(gòu)如圖 7所示 [9]，利用 RB-IGBT 反向并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)雙向切換，在T 型中點(diǎn)箝位三電平逆變器中，可以提高功率轉(zhuǎn)換效率。
SJ-IGBT 通過在傳統(tǒng) MOSFET 的漂移區(qū)中引入超結(jié)結(jié)構(gòu)，可達(dá)到導(dǎo)通損耗的明顯降低 [10]；通過優(yōu)化電場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)在超薄芯片上保持所需的擊穿電壓。SJ IGBT 漂移區(qū)由摻雜極性相反但凈摻雜濃度相等的柱構(gòu)成，用來實(shí)現(xiàn)電荷補(bǔ)償，其基本結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。
第 1 代至第 7 代 IGBT 的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)比如表 1 [11]所示，每一代 IGBT 芯片在電流密度、耐壓性能、開關(guān)性能和導(dǎo)通性能方面，都比上一代產(chǎn)品更具明顯優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了對(duì)半導(dǎo)體材料更高效利用的目的。20 世紀(jì) 90 年代，注入增強(qiáng)柵晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT）[12] 由東芝公司提出，并開始替代 GTO。IEGT 的結(jié)構(gòu)示意如圖 9 所示，其元胞結(jié)構(gòu)與 IGBT 類似，但其柵極比 IGBT 更深更寬，增加了柵極至發(fā)射極的電阻，阻止載流子流過發(fā)射極側(cè)以增加 N 型基區(qū)中發(fā)射極附近載流子濃度，這種結(jié)構(gòu)在較高“集電極 - 發(fā)射極”電壓的情況下，有助于減小導(dǎo)通壓降。
經(jīng)過近 60 多年的持續(xù)開發(fā)與迭代，傳統(tǒng)硅基功率器件性能已經(jīng)逐漸逼近硅材料的極限，21 世紀(jì)初，各產(chǎn)業(yè)龍頭相繼開始了以 SiC 和 GaN 為代表的寬禁帶（Wide Bangap, WBG）器件的研發(fā) [13]。由于 WBG 材料在躍遷能級(jí)、飽和漂移速率和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能方面具有優(yōu)勢(shì)， SiC MOSFET 和 GaN 高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor, HEMT）等器件 [14]非常適合應(yīng)用于高壓、高溫、高頻和高功率密度等領(lǐng)域，這也帶來了電力電子器件發(fā)展的新機(jī)遇。如圖 10 所示，寬禁帶半導(dǎo)體器件的成熟與應(yīng)用，極大地拓展了功率半導(dǎo)體器件家族的應(yīng)用領(lǐng)域，具有了更優(yōu)異的器件性能和更廣闊的開關(guān)頻率范圍。
目前，以 IV 族化合物 SiC 和 III-V 族化合物 GaN為代表的第3代半導(dǎo)體材料成為了最受重視的材料 [15] 。SiC 以其 3.26 eV 的寬帶隙和高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，在1 200 V 以上的功率器件應(yīng)用中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，SiC MOSFET 正逐漸在電動(dòng)汽車和新能源等高端應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)越來越多的市場(chǎng)份額。但 SiC 襯底和外延材料還不夠成熟，高活躍性的碳原子的存在使 SiC 晶圓面臨高缺陷密度、成本高和器件良率低等一系列挑戰(zhàn)，同時(shí)SiC MOSFET 柵極氧化層普遍存在可靠性問題，這是SiC 功率半導(dǎo)體器件工藝的主要難題之一 [16] 。GaN 目前主要應(yīng)用于 650 V 電壓等級(jí)以下，其特殊的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和二維電子氣可以產(chǎn)生極高的電子遷移率，達(dá)到極高的開關(guān)頻率，在射頻和藍(lán)光 LED 等高頻領(lǐng)域得到深入研究和應(yīng)用。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，GaN 器件在 5G 通信、數(shù)據(jù)中心、不間斷電源（UPS）和快速充電等領(lǐng)域也得到了廣泛關(guān)注。目前，主流GaN 器件是在硅襯底上生長(zhǎng)的，從而能夠與硅器件共用工藝平臺(tái)，硅基 GaN 在成本上占據(jù)顯著優(yōu)勢(shì) [17] 。此外，以氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石為代表的禁帶寬度超過 4 eV 的超寬禁帶半導(dǎo)體材料也受到了人們的關(guān)注 [18]。但由于這類超寬禁帶半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝復(fù)雜和成本過高，限制了其市場(chǎng)規(guī)模，目前主要用于超高壓器件和高敏傳感器等特殊應(yīng)用領(lǐng)域 [19] 。伴隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命與進(jìn)步，大功率半導(dǎo)體器件發(fā)展 60 多年，圍繞器件的功率容量、工作頻率和轉(zhuǎn)換效率經(jīng)歷了 3 次大的技術(shù)跨越：① 從半控型晶閘管到全控型 GTO，促進(jìn)了傳動(dòng)技術(shù)從直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)的進(jìn)步。② 從電流驅(qū)動(dòng) GTO 到電壓驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，應(yīng)用更簡(jiǎn)單和智能。③ 從硅基 IGBT 到寬禁帶器件，系統(tǒng)更加緊湊和輕量化、損耗更低、開關(guān)速度更快。2 國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體器件技術(shù)研究與應(yīng)用國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體器件開發(fā)始于 20 世紀(jì) 60 年代初，從硅整流二極管和晶閘管起步，經(jīng)過近 60 年的發(fā)展，已經(jīng)具備大功率晶閘管、IGCT、IGBT 和寬禁帶器件的設(shè)計(jì)、開發(fā)與制造能力，滿足了工業(yè)、能源和交通等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。功率半導(dǎo)體器件伴隨我國(guó)鐵道電氣化事業(yè)的發(fā)展而成長(zhǎng)壯大，見證了我國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，可支撐“雙碳”愿景下交通與能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求。中國(guó)鐵道電氣化的發(fā)展史也是國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步史。1971 年，國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域研發(fā)出 500 A/2 400 V 硅整流二極管，用其替代了汞引燃管，電力機(jī)車進(jìn)入硅整流時(shí)代；1979 年，研制成功直徑 50.2 mm 600 A/2 800 V 晶閘管，滿足了 SS3 型相控整流電力機(jī)車應(yīng)用需要；1985年，引進(jìn)美國(guó)西屋公司2.5英寸（63.5 mm）晶閘管制造技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了SS4 型、SS6 型、SS8 型和 SS9 型電力機(jī)車所需要的直徑 66.7 mm 和直徑 76.2 mm 系列燒結(jié)型功率半導(dǎo)體器件；1999 年，自主研發(fā)并掌握了先進(jìn)的全壓接技術(shù)，開發(fā)了直徑 88 mm 全壓接晶閘管和整流二極管，滿足了 SS7 型電力機(jī)車應(yīng)用需求，同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了直徑 125mm 3 500 V 全壓接器件，并應(yīng)用在 SS4G 電力機(jī)車上，徹底結(jié)束了機(jī)車硅機(jī)組器件并聯(lián)歷史，提高了應(yīng)用可靠性。經(jīng)過 40 年的發(fā)展，全國(guó)產(chǎn)化的功率器件滿足了韶山系列電力機(jī)車批量應(yīng)用需求，有力支撐了中國(guó)鐵道電氣化事業(yè)的健康發(fā)展。21 世紀(jì)，中國(guó)鐵路進(jìn)入高速重載時(shí)代，急需開發(fā)高壓 IGBT 以支撐交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)化主要有“引進(jìn)芯片 + 自主封裝”和“并購(gòu)→消化吸收→再創(chuàng)新”2 種技術(shù)路線，并且 2 種路線都獲得了發(fā)展。牽引級(jí)高壓IGBT模塊是基于平面柵“U型”元胞、發(fā)射極注入增強(qiáng)和平面柵軟穿通（SPT）結(jié)構(gòu)特征而設(shè)計(jì)開發(fā)的第4代“DMOS+ IGBT”和配套的FRD芯片[20] ，基于該芯片研制了 1 500 A/3 300 V 高功率密度 IGBT 模塊 [21-22]，并在“和諧號(hào)”大功率機(jī)車和地鐵牽引變流器中獲得應(yīng)用和批量推廣。2014 年，自主設(shè)計(jì)并建成全球首條直徑 200 mm 高壓 IGBT 芯片生產(chǎn)線，開發(fā)了以高能質(zhì)子注入和激光退火為特征的低溫緩沖層技術(shù)和成套先進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了高壓 IGBT 芯片制造從直徑150 mm 到直徑 200 mm 晶圓工藝的技術(shù)跨越 [23]。基于200 mm 晶圓工藝技術(shù)平臺(tái)，開發(fā)了 1 500 A/3 300 V，750 A/6 500 V 高性能 IGBT 模塊 [24-27]，總體性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，滿足了“復(fù)興號(hào)”高速鐵路應(yīng)用需求，現(xiàn)場(chǎng)失效率優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。中國(guó)鐵道電氣化 60 多年來，從交直傳動(dòng)到交流傳動(dòng)，從普速輕載到高速重載，國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件（如圖 11 和圖 12 所示）起到了巨大推動(dòng)作用，高壓 IGBT在中國(guó)高鐵的應(yīng)用正逐步展開，并將快速擴(kuò)大應(yīng)用。
為適應(yīng)軌道交通綠色、環(huán)保和智能的發(fā)展要求，配合新一代高性能牽引變流器研究，基于 6 英寸 SiC芯片生產(chǎn)線工藝能力，設(shè)計(jì)開發(fā)了 32 A/3 300 V、47 A/3 300 V SiC MOSFET 和配套的肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)，開展了 SiC 芯片低感封裝技術(shù)研究與工藝探索，研制了如圖 12 所示的450 A/3 300 V 半橋型混合 SiC 模塊和 750 A/3 300 V 半橋型全 SiC 模塊 [28-29] 。
在國(guó)產(chǎn)功率器件服務(wù)中國(guó)軌道交通的 40 余年，在高壓大功率晶閘管設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)并掌握了先進(jìn)的全壓接技術(shù)。2006 年初，面向國(guó)家特高壓直流輸電重大戰(zhàn)略需求，配合國(guó)家電網(wǎng)公司開始研制 6 英寸高壓直流輸電晶閘管。通過鋁雜質(zhì)源轉(zhuǎn)移擴(kuò)散方法 [30]，優(yōu)化雜質(zhì)分布，突破了高溫深結(jié)擴(kuò)散、雙負(fù)斜角臺(tái)面造型和防爆封裝等關(guān)鍵技術(shù)，研制出全球第 1 只 6 英寸 4 000 A/8 000 V 高壓晶閘管 [31-32]；基于靈寶背靠背直流工程需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了6 英寸 4 500 A/7 200 V 晶閘管；經(jīng)過多輪技術(shù)迭代和工程驗(yàn)證，自主研發(fā)了 ±1 100 kV 特高壓直流輸電用6 英寸 5 000 A/8 500 V 晶閘管 [33]（如圖 13 所示），并先后完成國(guó)內(nèi)外 20 余個(gè)高壓直流輸電工程項(xiàng)目應(yīng)用。我國(guó)晶閘管技術(shù)實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)跑，支撐了特高壓直流輸電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用和接入并網(wǎng)，以及柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對(duì)具有自主關(guān)斷能力的大功率半導(dǎo)體器件提出了迫切需求 [34-36]?；陔娋W(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)和對(duì)產(chǎn)品參數(shù)均勻性的要求，通過引入 JFET區(qū)注入、空穴阻擋層 (Hole Barrier) 和臺(tái)面柵 (TerraceGate) 等元胞優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型 IGBT 元胞設(shè)計(jì)，提升了 IGBT 芯片整體性能，同時(shí)基于此設(shè)計(jì)開發(fā)了智能電網(wǎng)用焊接型高功率密度 1 500 A/3 300 V IGBT模塊，其芯片結(jié)構(gòu)和模塊開關(guān)特性如圖 14 所示 [37] ，該產(chǎn)品已在廈門柔直和渝鄂背靠背等工程中獲得成功。
隨著電力系統(tǒng)的電力電子柔性化進(jìn)程加快，焊接型 IGBT 模塊在容量、效率、電路拓?fù)浜涂煽啃缘确矫娑茧y以滿足應(yīng)用需求，而壓接型 IGBT 作為一種容量更大、更易串聯(lián)應(yīng)用的新型封裝形式，是高壓柔性直流輸配電技術(shù)的關(guān)鍵核心器件?；趹?yīng)用需求，對(duì)大規(guī)模 IGBT 芯片壓接封裝過程中面臨的“機(jī) - 電 - 熱”強(qiáng)耦合條件下的芯片均流原理已有了深入研究 [38-40] ：文獻(xiàn) [40] 首次完成了大尺寸 IGBT 芯片設(shè)計(jì)研究，及其力學(xué)增強(qiáng)、方形陶瓷管殼和壓接封裝等關(guān)鍵技術(shù)研究；文獻(xiàn) [38] 提出了 IGBT 低時(shí)延?xùn)艠O互連與元胞柵電阻結(jié)構(gòu)，完成了 IGBT 元胞開關(guān)同步與均流控制技術(shù)研究，開發(fā)了全球最大容量的 600 A/4 500 V IGBT 芯片；文獻(xiàn) [39] 提出了 IGBT 大芯片低溫銀燒結(jié)工藝與芯片增強(qiáng)技術(shù)，解決了高壓 IGBT 壓接封裝過程中的均壓和均流等技術(shù)難題，研制了低損耗和高關(guān)斷能力的3 600 A/4 500 V 大容量壓接型 IGBT, 其元胞結(jié)構(gòu)、芯片和模塊如圖 15 所示，產(chǎn)品在張北 ±500 kV 直流電網(wǎng)和烏東德 ±800 kV 特高壓直流輸電工程獲得成功應(yīng)用與推廣。
此外，國(guó)產(chǎn) IGCT 通過優(yōu)化 P 基區(qū)摻雜分布、使用質(zhì)子輻照和配套新型門驅(qū)等關(guān)鍵技術(shù)增強(qiáng)了 IGCT 門極載流子抽取效率，研制出直徑為 91 mm 的 5 kA/4.5 kVIGCT ( 圖 16 (a)) [41]，可作為高壓柔性直流輸電技術(shù)的另一種解決方案。在 2018 年 12 月投入運(yùn)行的珠海“互聯(lián)網(wǎng) +”智慧能源示范工程中，雞山換流站的10 kV/10 MW 模塊化多電平變流器（Mudular MultilevelConverter, MMC）采用了國(guó)產(chǎn) IGCT 器件，這是國(guó)產(chǎn)器件在柔性直流輸電換流閥上的首次應(yīng)用；在建設(shè)中的東莞交直流混合配電網(wǎng)，也應(yīng)用了基于 IGCT-Plus技術(shù)研發(fā)的 ±375 V 固態(tài)式直流斷路器，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)IGCT-Plus 器件在固態(tài)式直流斷路器中的首次應(yīng)用，如圖 16 (b) [42] 所示。
車規(guī)級(jí)功率器件要適應(yīng)汽車應(yīng)用場(chǎng)景下高溫、高濕和強(qiáng)振動(dòng)的運(yùn)行環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下頻繁啟停、功率循環(huán)與溫度沖擊的應(yīng)用工況，使得電動(dòng)汽車更高效、更節(jié)能地完成能量的傳遞與輸出。電動(dòng)汽車性能的不斷提升對(duì)功率器件提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在芯片損耗、模塊電流輸出能力和溫度循環(huán)壽命 3 個(gè)方面，低損耗與整車電耗、續(xù)駛里程強(qiáng)相關(guān)，電流輸出能力關(guān)系到電機(jī)輸出功率，而溫度循環(huán)壽命代表功率器件適應(yīng)不同環(huán)境的可靠性與使用壽命。為了降低芯片損耗，薄片技術(shù)與精細(xì)溝槽成為主流發(fā)展方向，我國(guó)也開發(fā)了汽車用 IGBT 芯片的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、技術(shù)和工藝 [43-44]（如圖 17 所示），嵌入式發(fā)射極溝槽 IGBT （Recessed Emitter Trench IGBT, RETIGBT）芯片通態(tài)損耗同比降低 15% 以上，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，柵極電阻對(duì)開關(guān)損耗具有更好的調(diào)控效果。圖 17(c) 實(shí)線與虛線分別代表國(guó)外主流產(chǎn)品與國(guó)產(chǎn) IGBT，藍(lán)線與紅線分別代表關(guān)斷損耗與開通損耗。對(duì)于 750 V 車規(guī)級(jí)的 IGBT 芯片而言，電流密度已從200 A/cm2 和 275 A/cm2 ，發(fā)展到 315 A/cm2 ，通過逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高芯片電流密度， 750 V 車規(guī)級(jí) IGBT 芯片電流密度有望超過 350 A/cm2。
目前，750 V 功率器件是乘用車應(yīng)用的主流，1 200 V 功率器件是電動(dòng)大巴應(yīng)用的主流。隨著快充技術(shù)的發(fā)展，功率器件阻斷電壓會(huì)逐步提高到 1 200 V，SiC MOSFET 開關(guān)頻率將從硅基 IGBT 的 10 kHz 提高到 15 kHz 或更高，電流密度與開關(guān)損耗的折衷更有優(yōu)勢(shì)，但必須解決好溝槽柵設(shè)計(jì)、柵氧可靠性、薄片工藝等關(guān)鍵技術(shù)和材料成本高、制造效率低的劣勢(shì)。
車規(guī)級(jí)功率器件封裝面臨功率密度與應(yīng)用可靠性的巨大挑戰(zhàn)，需解決好模塊低感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高散熱效率封裝和高溫封裝等一系列材料、結(jié)構(gòu)和工藝上的難題。滿足 175 ℃高溫運(yùn)行是車規(guī)級(jí)別器件基本需求，因此平面封裝和雙面散熱模塊有很好的應(yīng)用前景。國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)功率器件已經(jīng)形成包括標(biāo)準(zhǔn)封裝、Pin-fifin（針翅）單面水冷和雙面散熱封裝等系列化產(chǎn)品（見圖 18），可以滿足各種功率等級(jí)電機(jī)控制器應(yīng)用需求，并通過了車廠嚴(yán)格驗(yàn)證與考核，開始批量應(yīng)用推廣，有能力支撐汽車電動(dòng)化的應(yīng)用進(jìn)程。綜上所述，基于國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體在軌道交通、電力系統(tǒng)和汽車電動(dòng)化 3 個(gè)領(lǐng)域多年的技術(shù)積累，形成了晶閘管、IGCT、IGBT 和 SiC 完整的技術(shù)體系和產(chǎn)能布局，可支撐基于“雙碳”愿景下新能源的生產(chǎn)、輸送、配電、儲(chǔ)能、用電環(huán)節(jié)功率半導(dǎo)體應(yīng)用需求。3 大功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)由于資源的消耗與環(huán)境的巨大壓力，節(jié)能減排和綠色低碳成為普遍的發(fā)展共識(shí)。功率半導(dǎo)體器件朝著提升功率密度、提高開關(guān)速度、降低工作損耗、提高工作溫度和增強(qiáng)可靠性等方向發(fā)展和創(chuàng)新，在很大程度上滿足了社會(huì)各行業(yè)多樣化的應(yīng)用需求；但同時(shí)也面臨著器件結(jié)構(gòu)精細(xì)化、功能集成與智能化、熱管理與可靠性、新型材料與工藝等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。以IGBT 為例，隨著元胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化和尺寸減小，元胞的密度不斷增加，承受大電流能力不斷增強(qiáng)，芯片的功率密度在近 30 年來增加了 8 倍以上 [45]，達(dá)到了 250 kW/cm2。小型化、精細(xì)化和集成化將是功率器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和發(fā)展的主旋律。
3.1 器件結(jié)構(gòu)與技術(shù)融合器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是功率器件性能提升的前提和關(guān)鍵，功率器件以二極管、BJT 和 MOSFET 這 3 種基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，派生出各種不同結(jié)構(gòu)與性能的器件，其中，控制端采用 MOS 電壓驅(qū)動(dòng)、輸出端用具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的 BJT 實(shí)現(xiàn)電流輸出是一種最理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與技術(shù)的融合可實(shí)現(xiàn) IGBT 優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。從理論上講，MOS 控制的晶閘管（MCT）[46] 能實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出，但面臨著包括原理和實(shí)現(xiàn)工藝等諸多方面的巨大挑戰(zhàn)；IGCT 在開發(fā)過程中借鑒了高壓IGBT 緩沖層和透明陽極等方面的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，有利于改善 IGCT 關(guān)斷特性 [47]。基區(qū)少子壽命調(diào)控可以改善功率器件動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)的均勻性。因此，將 IGBT、晶閘管和IGCT作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同創(chuàng)新、共同提高。類碳金剛石（Diamond Like Carbon, DLC）具有優(yōu)異的電、力學(xué)和熱性能，在高壓晶閘管臺(tái)面終端結(jié)構(gòu)上使用 DLC 鈍化材料 [48]，可以降低高溫漏電流和改善晶閘管高溫特性。DLC 作為一種性能優(yōu)異的半絕緣鈍化材料，對(duì) IGBT 和 FRD 等高壓器件的 HV-H3TRB（高壓、高溫和高溫反向偏置）性能也有顯著改善作用。提高柵極可靠性和降低 / 延緩?fù)嘶?Si 基器件和SiC 基 MOS 柵控器件的關(guān)鍵研究方向。目前，溝槽柵介質(zhì)主要使用 SiO2，但是隨著蝕刻工藝和光刻技術(shù)的進(jìn)步，通過多次氧化、蝕刻和光刻的復(fù)雜交替運(yùn)用，可以將溝道氧化層部分做得較薄，而將其他位置氧化層做得較厚，這樣可以將柵極電容和電荷降低到較低的水平。3.2 設(shè)計(jì)與制造精細(xì)化沒有精細(xì)化，就沒有晶閘管到 GTO，繼而 GTO 到IGCT 的技術(shù)進(jìn)步，也沒有 IGBT 芯片功率密度的逐步提升。設(shè)計(jì)和制造工藝精細(xì)化是器件性能和功率密度提升的最關(guān)鍵要素，就設(shè)計(jì)層面來說，與集成電路相比，功率器件的結(jié)構(gòu)和尺寸還未面臨小尺寸效應(yīng)的難題，元胞尺寸縮小和密度增大還有一定的發(fā)展空間。但隨著尺寸進(jìn)一步縮小，基于高溫和高電場(chǎng)下的載流子輸運(yùn)可能產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象，需要加強(qiáng)這方面的基礎(chǔ)理論探索與前沿共性技術(shù)研究。受限于功率器件制造設(shè)備和工藝水平，目前精細(xì)化的制造依然存在較大難度，器件的精細(xì)化設(shè)計(jì)和精細(xì)制造工藝能力的提升已經(jīng)成為當(dāng)前大功率半導(dǎo)體行業(yè)的主要發(fā)展方向之一，應(yīng)該充分發(fā)揮材料和裝備等產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)勢(shì)，協(xié)同創(chuàng)新。隨著 IGBT 精細(xì)溝槽技術(shù)的發(fā)展，由于元胞尺寸減小特別是臺(tái)面特征尺寸的縮減，芯片金屬化填孔與互連工藝已經(jīng)成為瓶頸，使用傳統(tǒng)的熱鋁濺射工藝無法控制在金屬填入時(shí)空洞的產(chǎn)生，而在高溫下具有較好流動(dòng)性、延展性和導(dǎo)電性的鎢金屬將成為一個(gè)好的技術(shù)解決方案。同時(shí)，晶圓減薄和深緩沖層離子注入技術(shù)成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。薄片技術(shù)可以顯著降低芯片損耗，但可能帶來耐壓和薄片后續(xù)工藝等方面難題，薄片技術(shù)很大程度上代表了工藝制造水平。在濃度很高的硅基襯底上生長(zhǎng)所需濃度和厚度的外延層，并形成一個(gè)完美濃度梯度的工藝成本很高。使用氫質(zhì)子的注入技術(shù)，配合一定的退火溫度和時(shí)間，可以將注入的氫質(zhì)子濃度形成多峰的高斯分布，從背面表面到體內(nèi)一定深度的區(qū)域也可以形成一個(gè)緩沖的梯度 [44，49] 。功率半導(dǎo)體技術(shù)面臨著功能集成和智能化的挑戰(zhàn)，因此，芯片和封裝層面的傳感和監(jiān)測(cè)技術(shù)成為主要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。通過 IGBT 與 FRD 單芯片集成，IGBT 封裝更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行過程中結(jié)溫波動(dòng)更小有利于提高應(yīng)用可靠性；通過在 IGBT 芯片上集成電流和溫度傳感器，可以把芯片結(jié)溫和電流等信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到驅(qū)動(dòng)保護(hù)單元，監(jiān)測(cè)芯片本身的健康狀態(tài)和壽命，充分發(fā)揮芯片潛能，使 IGBT 應(yīng)用系統(tǒng)更加智能化。當(dāng)前相關(guān)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)主要集中于中低壓 IGBT 和低壓 MOSFET 領(lǐng)域，在集成少數(shù)傳感單元的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加其他傳感功能，開發(fā)集成驅(qū)動(dòng)保護(hù)芯片單元和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)的智能功能單元。以此為基礎(chǔ)，逐步開發(fā)面向軌道交通、電力傳輸和汽車電動(dòng)化等高端應(yīng)用領(lǐng)域的集成化與智能化功率半導(dǎo)體器件。高頻化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提高系統(tǒng)效率的主流技術(shù)，軌道交通、電力系統(tǒng)和汽車電動(dòng)化等領(lǐng)域都存在高頻化的需求。電力電子器件高頻化可以減小感性元件與容性元件體積和質(zhì)量，改善電能質(zhì)量，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。以 SiC 和 GaN 為代表的寬禁帶材料，具有比硅材料更高的飽和電子遷移率和臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，因此寬禁帶器件具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率，是功率器件高頻化的主要方向。SiC 和 GaN 襯底及其外延材料存在缺陷密度高和制造效率低等問題，SiC 柵氧也存在界面態(tài)高和容易退化等問題，因此在發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高壓、高溫和高頻應(yīng)用的基礎(chǔ)上，如何解決可靠性與降低成本方面還有很長(zhǎng)一段路要走。基于 WBG 材料的功率 MOSFET 和 HEMT 等器件，其開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到幾十 MHz，不斷促進(jìn)電力電子系統(tǒng)向高電壓、高效率、高功率密度和小型化等方向發(fā)展。然而，這種高頻化的發(fā)展趨勢(shì)，也對(duì)功率器件的高速驅(qū)動(dòng)、過壓保護(hù)、并聯(lián)均流和電磁干擾（EMI）防護(hù)等技術(shù)提出了新的要求，因此開發(fā)先進(jìn) WBG 封裝結(jié)構(gòu)，提高器件可靠性、提升抗宇宙射線能力、增大安全工作區(qū)、開發(fā)驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)等方面，將是 WBG 器件高頻化的發(fā)展趨勢(shì)。功率器件結(jié)溫每提高 10 ℃，其壽命就會(huì)降低一半左右。因此，先進(jìn)的熱管理技術(shù) [50] 已經(jīng)成為大功率半導(dǎo)體技術(shù)重要的發(fā)展方向。芯片與封裝應(yīng)該作為一個(gè)整體協(xié)同優(yōu)化，采用先進(jìn)封裝技術(shù)和高效散熱材料，減少散熱界面，優(yōu)化散熱路徑，最大限度地降低因異質(zhì)界面材料熱膨脹系數(shù)（CTE）失配而引起的疲勞與蠕變，從而提高模塊散熱效率與可靠性。目前，直接水冷散熱技術(shù)已經(jīng)成為汽車級(jí)功率模塊的主流散熱技術(shù)，雙面散熱、雙面直接水冷和相變散熱等技術(shù)的研發(fā)日益成熟，將成為功率器件高效散熱的趨勢(shì)。在可靠性方面，需提升芯片的極限能力和安全工作區(qū)，同時(shí)采用先進(jìn)封裝技術(shù)，如燒結(jié)、擴(kuò)散焊接、平面無引線封裝（如直接端子鍵合、銅帶鍵合）、3D封裝、倒裝芯片、嵌入式封裝等；開發(fā)新型高溫抗?jié)?、抗硫化的封裝材料（如高溫硅膠、高溫樹脂、高溫外殼材料等）。本文詳細(xì)介紹了主流功率半導(dǎo)體器件的歷史沿革和最新研究進(jìn)展，闡述了國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展規(guī)律、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。在新型器件結(jié)構(gòu)、先進(jìn)制造工藝、寬禁帶材料及器件等研究成果的支撐下，基于應(yīng)用需求，全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，半導(dǎo)體器件正朝著更高電流密度、更高工作溫度、更高工作頻率、更低損耗和更低成本的方向快速迭代，呈現(xiàn)出以第 1代半導(dǎo)體材料和器件完全成熟并占據(jù)市場(chǎng)，第 2 代材料和器件具有獨(dú)特的性能和特殊應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，第 3 代材料和器件正重點(diǎn)突破并且潛力巨大的發(fā)展局面，形成了以晶閘管、IGCT、MOSFET 和 IGBT 等為代表的功率半導(dǎo)體器件家族，滿足了各種電力生產(chǎn)、傳輸、控制、轉(zhuǎn)換等不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。功率半導(dǎo)體器件健康發(fā)展有力地支撐了21世紀(jì)人類面臨的新一輪電氣化革命，為全球環(huán)境和資源保護(hù)、碳達(dá)峰和碳中和等人類共同目標(biāo)提供了電力電子技術(shù)基礎(chǔ)和器件的全面解決方案。
|
