一、IGBT的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在新能源汽車中應(yīng)用廣泛，是汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)高效、快速、穩(wěn)定、安全能量變換的基礎(chǔ)。新能源汽車中DC/DC拓?fù)渲饕獞?yīng)用于車載充電器，AC/DC拓?fù)渲饕獞?yīng)用于充電樁，DC/AC拓?fù)鋭t主要應(yīng)用于電機(jī)控制器。電機(jī)控制器用于實(shí)現(xiàn)大功率直流/交流變換之后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，還可用于捕獲再生制動(dòng)能量并回饋給電池組，是新能源汽車的“心臟”，決定了汽車的功能安全性，高速平穩(wěn)性和綠色舒適性。

由于新能源汽車對(duì)續(xù)航里程的高需求，使得電能管理需求更精細(xì)化，這些對(duì)絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transister,IGBT)、MOSFET、二極管等功率分立器件的需求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車，在新能源汽車中功率半導(dǎo)體占了整車半導(dǎo)體的55%左右。

功率半導(dǎo)體器件作為電能轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)、控制等電力電子裝置的基礎(chǔ)和核心，是推動(dòng)電力電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率、功率密度、體積重量等方面優(yōu)化的關(guān)鍵因素之一。

下面來(lái)看看功率半導(dǎo)體IGBT的分布，其中紅色為后置發(fā)動(dòng)機(jī)，綠色為前置發(fā)動(dòng)機(jī)。機(jī)艙地板下方是四個(gè)電池組。逆變器(藍(lán)色)集成在電機(jī)外殼中，并與其共享冷卻回路。逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)交流電，也是IGBT模組安裝的地方。

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將動(dòng)力系統(tǒng)單獨(dú)拆解來(lái)看，下圖是動(dòng)力裝置：

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動(dòng)力裝置爆炸拆解圖，其中包括電機(jī)(定子和轉(zhuǎn)子)，傳動(dòng)部分(齒輪)，和控制部分(逆變器):

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從另一個(gè)方向來(lái)看動(dòng)力裝置拆解:

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下圖是傳動(dòng)部分局部細(xì)節(jié)圖:

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下面這張圖就是本文要講解的重點(diǎn)了——逆變器！也就是功率器件IGBT安裝的位置:

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新一代的IGBT功率器件如下圖所示：

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二、IGBT基礎(chǔ)知識(shí)

1946年1月，遠(yuǎn)在太平洋彼岸的美國(guó)BELL實(shí)驗(yàn)室正式成立了一個(gè)半導(dǎo)體研究小組，小組內(nèi)有3名核心成員，分別是Schokley、Bardeen和Brattain，俗稱“晶體管三劍客”。

三劍客有自己的研究?jī)?yōu)勢(shì)，Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。

在三劍客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布萊登(Brattain)發(fā)明了點(diǎn)接觸(point?contact)晶體管。接著在1949年肖克萊(Shockley)發(fā)表了關(guān)于p?n結(jié)和雙極型晶體管的經(jīng)典論文。有史以來(lái)的第一個(gè)晶體管中，在三角形石英晶體底部的兩個(gè)點(diǎn)接觸是由相隔50μm的金箔線壓到半導(dǎo)體表面做成的，所用的半導(dǎo)體材料為鍺；當(dāng)一個(gè)接觸正偏(forward biased，即對(duì)于第三個(gè)端點(diǎn)加正電壓)，而另一個(gè)接觸反偏(reverse biased)時(shí)，可以觀察到把輸入信號(hào)放大的晶體管行為(transistoraction)。

1982年，RCA和GE公司聯(lián)合研制出了復(fù)合型晶體管——絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。IGBT兼具金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)高輸入阻抗和雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)大電流密度的特點(diǎn)，在大功率應(yīng)用領(lǐng)域擁有顯著的優(yōu)勢(shì)，一度被稱為近乎理想的功率半導(dǎo)體器件。

既然說(shuō)IGBT集成BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一身，那么什么是BJT，什么是MOSFET呢？

在了解BJT和MOSFET之前，先了解一下什么是P-N結(jié)？

半導(dǎo)體應(yīng)用離不開硅元素，來(lái)看一下硅元素的特點(diǎn)，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個(gè)電子，分別與周圍4個(gè)原子共用4對(duì)電子，這種共用電子對(duì)的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵(covalent bonding)。每個(gè)電子對(duì)組成一個(gè)共價(jià)鍵。這部分知識(shí)初中化學(xué)學(xué)過(guò)，來(lái)張圖片直觀看看：

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左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況，中間一個(gè)硅原子和四個(gè)硅兄弟共用電子。

突然有一天，物理學(xué)家想到一個(gè)問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進(jìn)群會(huì)怎樣？物理學(xué)家有一天把砷兄拉進(jìn)了群，于是奇跡發(fā)生了：

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砷兄弟最外層有5個(gè)電子，其中4個(gè)電子找到了硅家的對(duì)象，另外一個(gè)電子單著了，這個(gè)電子成了無(wú)業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導(dǎo)電性。此時(shí)的砷原子多提供了一個(gè)電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負(fù)電的載流子增加，硅變成n型半導(dǎo)體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負(fù)，取這個(gè)單詞的第一個(gè)字母，就是N。 同樣，物理學(xué)家想，既然可以拉電子多的砷元素進(jìn)群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進(jìn)群？于是物理學(xué)家把硼原子拉進(jìn)來(lái)試試。

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由于硼原子最外層只有3個(gè)電子，比硅少一個(gè)，于是本來(lái)2對(duì)電子的共價(jià)鍵現(xiàn)在成了只有一對(duì)電子，多了一個(gè)空位，成了帶正電的空穴(hole)。此時(shí)的硅基半導(dǎo)體被稱為p型半導(dǎo)體，同樣P來(lái)自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。

由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)稱為PN結(jié)。

舉個(gè)例子，P型半導(dǎo)體是一塊正方形的泥巴，這個(gè)泥巴里有很多孔洞（空穴），類似于我們看到的龍蝦洞。N型半導(dǎo)體也是一塊正方形的泥巴，這個(gè)泥巴中藏了很多龍蝦（自由電子）。當(dāng)我們把這兩塊泥巴貼在一起的時(shí)候，龍蝦就會(huì)往龍蝦洞的方向爬（電子漂移）。在電子的漂移下，PN結(jié)中形成電流。

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再說(shuō)一說(shuō)晶體管的功能，晶體管(transistor，是轉(zhuǎn)換電阻transfer resistor的縮寫)是一個(gè)多重結(jié)的半導(dǎo)體器件。通常晶體管會(huì)與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號(hào)功率增益。

在電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開關(guān)。可利用小的基極電流在極短時(shí)間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)成為開(on)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流，開是低電壓高電流。

雙極型晶體管(bipolartransistor)，或稱雙極型結(jié)晶體管(bipolar junction transistor，BJT)這個(gè)如何理解呢？

雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu)：雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)通過(guò)程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)相鄰的耦合p?n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p?n?p或n-p-n的形式。

下圖為p?n?p雙極型晶體管的透視圖，其制造過(guò)程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)，再在此n型區(qū)上以熱擴(kuò)散形成一高濃度的p＋型區(qū)，接著以金屬覆蓋p＋、n以及下方的p型區(qū)形成歐姆接觸。

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下圖為p?n?p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個(gè)p?n結(jié)。濃度最高的p＋區(qū)稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。各區(qū)域內(nèi)的濃度假設(shè)均勻分布，p?n結(jié)的概念可直接應(yīng)用在晶體管內(nèi)的結(jié)上。

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了解了BJT后，再來(lái)了解下MOSFET的定義。先了解MOSFET的前半部分，也就是MOS器件。

金屬?氧化物?半導(dǎo)體(MOS)電容在半導(dǎo)體器件中占有重要的地位，它是研究半導(dǎo)體表面特性最有用的器件之一，它也是先進(jìn)集成電路中最重要的MOSFET器件的樞紐。

理想MOS電容：MOS電容的透視結(jié)構(gòu)如下圖所示，為其剖面結(jié)構(gòu)，其中d為氧化層厚度，而V為施加于金屬平板上的電壓。當(dāng)金屬平板相對(duì)于歐姆接觸為正偏壓時(shí)，V為正值；而當(dāng)金屬平板相對(duì)于歐姆接觸為負(fù)偏壓時(shí)，V為負(fù)值。

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MOSFET有多種縮寫形式，如IGFET (insulated?gate field?effect transistor)、MISFET (metal?insulating?semiconductor field?effect transistor)、MOST (metal?oxide?semiconductor transistor)等。

n溝道MOSFET如下圖，它是一個(gè)四端點(diǎn)器件，由一個(gè)有兩個(gè)n+區(qū)域(即源極與漏極)的p型半導(dǎo)體組成。對(duì)于p溝道MOSFET，襯底和源、漏區(qū)的摻雜類型分別為n和p+。

氧化層上的金屬稱柵極(gate)，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物如WSi2的多晶硅可作柵電極，第四個(gè)端點(diǎn)為連接至襯底的歐姆接觸。

基本器件參數(shù)有溝道長(zhǎng)度L(兩個(gè)n+?p結(jié)間的距離)、溝道寬度Z、氧化層厚度d、結(jié)深度rj以及襯底摻雜濃度NA。器件中央即為MOS電容。

MOSFET的基本特性：MOSFET中源極接點(diǎn)作為電壓參考點(diǎn)。柵極無(wú)外加偏壓時(shí)，源極到漏極電極間可視為兩個(gè)背靠背相接的p?n結(jié)，而由源極流向漏極的電流只有反向漏電流。

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這些定義讀起來(lái)有些繞口，總體功能類似與一個(gè)水龍頭開關(guān)，可以控制水流流向及大小，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，可以通過(guò)下圖來(lái)看MOSFET、BJT及IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異：

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三、IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

說(shuō)了這么多，IGBT模塊是如何制造的?技術(shù)難點(diǎn)在哪呢?

下圖是幾款典型的IGBT模塊:

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對(duì)其中一款I(lǐng)GBT模塊進(jìn)行拆解，IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，在制造過(guò)程中主要可以分為兩部分，一部分是IGBT芯片的封裝及測(cè)試，另一部分是IGBT芯片的設(shè)計(jì)及制造:

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如果對(duì)IGBT模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分了解，IGBT模塊主要分以下幾部分:

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IGBT模塊主要包括以下幾個(gè)互連結(jié)構(gòu)層：

(1)芯片：包括IGBT芯片和二極管芯片，它們是IGBT模塊的核心結(jié)構(gòu)。

(2)直接敷銅陶瓷基板(DirectCopperBonded，DCB)：包括上銅層、陶瓷基板層和下銅層三個(gè)部分。上銅層的正面根據(jù)需求刻蝕成了電路，可以為IGBT芯片的集電極、發(fā)射極和柵極等電極提供中轉(zhuǎn)以及互連。陶瓷基板層常采用氧化鋁或者氮化鋁材料制成，它主要是為芯片和其下部的結(jié)構(gòu)層提供絕緣，同時(shí)為芯片和上銅層提供支撐和散熱。下銅層的主要作用是為各個(gè)芯片提供散熱路徑。

(3)銅基板：它可以為芯片提供散熱通道，同時(shí)為其上部的結(jié)構(gòu)層提供支撐。

(4)焊料層：主要起到了連通芯片、直接敷銅陶瓷基板的上銅層、直接敷銅陶瓷基板的下銅層和銅基板的作用。

(5)Al鍵合線：通常采用多根并聯(lián)的方式，鍵合線一端鍵合于芯片上，另一端鍵合于直接敷銅陶瓷基板的上銅層。Al鍵合線的主要作用是實(shí)現(xiàn)芯片與外部連接端子之間的互連。

(6)Al金屬化層：具有延展性好，導(dǎo)電性能優(yōu)等特點(diǎn)，促成了IGBT芯片與Al引線的鍵合。

(7)外部連接端子：包括發(fā)射極母排和集電極母排，它們一端跨接在直接敷銅陶瓷基板的上銅層，另一端裸露于器件外部，主要實(shí)現(xiàn)IGBT芯片與外部電路的互連。

(8)硅膠：用于保護(hù)各互連結(jié)構(gòu)層免受外部酸堿腐蝕，同時(shí)可以保護(hù)各互連結(jié)構(gòu)層免受振動(dòng)沖擊。

(9)外殼：包括由環(huán)氧樹脂制成的側(cè)框和上部的管蓋，可以保護(hù)IGBT模塊內(nèi)部的互連結(jié)構(gòu)層免受外部環(huán)境的影響。

四、IGBT模塊封裝技術(shù)

在講解IGBT模塊制造環(huán)節(jié)時(shí)，我們先了解IGBT模塊的封裝部分。

典型功率模塊的外觀及截面如下圖所示，其中上銅層布置功率半導(dǎo)體/二極管芯片/鍵合線等電氣部分，由DBC提供電路布局、絕緣、傳熱、機(jī)械支撐等功能，散熱基板向上支撐襯板，向下與散熱介質(zhì)接觸。傳熱路徑上主要部件依次為功率芯片、芯片焊料、上銅層、陶瓷、下銅層、DBC焊料與基板。

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下圖是一款I(lǐng)GBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在IGBT模塊內(nèi)部集成了6個(gè)IGBT芯片，分別命名為IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。這6個(gè)IGBT芯片分為上、下兩個(gè)半橋臂，其中，IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ并聯(lián)連接組成上半橋臂，IGBT Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ并聯(lián)連接組成下半橋臂，兩個(gè)半橋臂之間串聯(lián)連接。每個(gè)IGBT芯片的兩端反并聯(lián)有1個(gè)二極管，用于實(shí)現(xiàn)續(xù)流。

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在解決IGBT封裝問題上，大部分精力集中在解決IGBT模塊的散熱上，畢竟任何功率器件在溫度過(guò)高的環(huán)境下更容易老化失效。

在IGBT的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，主要從兩方面進(jìn)行了考慮，一方面就是封裝過(guò)程中引線鍵合方式，俗稱綁定(英文Bonding的讀音)，另一方面就是芯片的布局方式優(yōu)化。

在引線鍵合方式的優(yōu)化上，綁定落點(diǎn)數(shù)量的增加有利于降低芯片金屬層中落點(diǎn)周圍的電流密度，當(dāng)新增一個(gè)落點(diǎn)后，芯片金屬層的最大電流密度降低了20%，這使得功率循環(huán)性能提高了4倍。自此，多落點(diǎn)綁定線結(jié)構(gòu)在高電流大面積芯片中廣泛采用。

為了有效緩解綁定落點(diǎn)的熱應(yīng)力，多樣化的綁定線布局方式可用于降低芯片溫度。ABB公司提出了一種多落點(diǎn)綁定線結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)布線之間的對(duì)比如圖所示。

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根據(jù)對(duì)IGBT模塊芯片不同布局方式進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)，IGBT芯片在不同布局方式下，散熱情況存在差異：

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因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電控功率模塊封裝布局熱優(yōu)化上進(jìn)行了初步實(shí)踐。針對(duì)多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)調(diào)整芯片的位置，使其離射極電極位置更近，芯片布置從部分交錯(cuò)式改為水平對(duì)齊式，從而使芯片支路電流不均衡度從50%降低到33%。

根據(jù)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，布局設(shè)計(jì)自由度有回路數(shù)量、芯片布局范式、DBC尺寸、綁定布線范式、綁定DBC落點(diǎn)位置、開爾文布線、射極電極位置等。

下圖是不同公司IGBT模塊芯片布局方式：

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通過(guò)匯總了各模塊的封裝布局特征，歸納可知綁定線含并排式、交錯(cuò)式、疊層式，多芯片布局含部分交錯(cuò)式、連續(xù)交錯(cuò)式、水平對(duì)齊式、豎直對(duì)齊式等。

其中圖(g)(h)采用多芯片布局采用雙回路結(jié)構(gòu)。圖(d)多芯片間采用了串聯(lián)式開爾文布線結(jié)構(gòu)。圖(g)射極電極設(shè)立在芯片1之下。

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通過(guò)對(duì)IGBT芯片布局的優(yōu)化，可有效降低芯片支電流，降低單芯片發(fā)熱量，下圖是將3片芯片布局方式進(jìn)行優(yōu)化后，芯片支路電流的變化。

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五、IGBT芯片制造技術(shù)

功率器件IGBT模塊芯片生產(chǎn)流程長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，細(xì)節(jié)較多，但整理工藝流程如下圖所示：

1.基板

IGBT基板是P-N結(jié)

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2.B+注入

使用離子注入設(shè)備，對(duì)P-N結(jié)進(jìn)行離子注入

3.絕緣膜形成

通過(guò)CVD形成掩膜絕緣層

4.掩膜用絕緣膜加工

通過(guò)刻蝕和去膠處理絕緣膜

5.P+注入

使用離子注入設(shè)備進(jìn)行P離子注入

6.形成溝槽

通過(guò)刻蝕形成溝槽

7.形成絕緣膜

再次通過(guò)CVD形成絕緣膜

8.絕緣膜加工

通過(guò)刻蝕和去膠處理絕緣膜

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9.形成Emitter電極

通過(guò)濺射或蒸鍍形成電極

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10.形成P+FS層

通過(guò)離子注入設(shè)備形成P+FS層

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11.形成B+(Collector)

通過(guò)離子注入設(shè)備形成B+(Collector)

12.形成Collector

通過(guò)濺射或蒸鍍形成Collector

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通過(guò)上述工藝，完成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IGBT芯片的制造流程。

下圖是詳細(xì)IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

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根據(jù)對(duì)IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，又可分為PT型、NPT型、FS型，如下圖所示：

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六、SiCIGBT優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

目前報(bào)道的Si IGBT最高耐壓是8.4kV，并且已經(jīng)非常接近Si器件的極限。同時(shí)，工作頻率和結(jié)溫也是限制Si IGBT的主要因素之一。

碳化硅(SiliconCarbide,SiC)絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)在超高壓電力傳輸系統(tǒng)等超高壓應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

SiC于1823年在斯德哥爾摩karolinska大學(xué)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中被Jons Berzelius教授發(fā)現(xiàn)。1987年，美國(guó)CREE報(bào)導(dǎo)了其制造的6H-SiC單晶，宣布SiC正式進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代，CREE也成為全球第一家制造和銷售SiC晶片和器件的公司。

2001年推出第一款商業(yè)SiC二極管器件，SiC開關(guān)管器件逐漸成熟，SiC結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction Field Effect Transistor,JFET)、金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的開發(fā)逐步從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段進(jìn)入商業(yè)化階段。JFET器件和MOSFET器件為單極型器件，其開關(guān)速度高，主要適用于0.6kV~10kV 的范圍，雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction transistor,BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(InsulatorGate Bipolar Transistor,IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(Gate Turn-off Thyristor,GTO)為雙極型器件，適用于10kV以上高壓范圍。

2006年發(fā)布了世界首款SiC商業(yè)化開關(guān)器件JFET器件。2008年分別發(fā)布了首款SiC BJT器件和常關(guān)型的SiC JFET。但MOSFET器件的產(chǎn)品化一直處于空白之中。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展尤其是柵氧界面處理技術(shù)的成熟，2010年Cree和Rohm推出了平面柵MOSFET產(chǎn)品。

2015年Rohm從原來(lái)的平面柵MOSFET切換技術(shù)路線成為了雙溝槽柵MOSFET，Infineon于2017年發(fā)布了溝槽柵MOSFET產(chǎn)品。

下表中列出了幾種常見半導(dǎo)體的材料特性，從中可以看出4H-SiC的禁帶寬度是Si的約3倍，同一溫度下SiC擁有更低的本征載流子濃度；臨界電場(chǎng)約10倍，使SiC可以耐受更高的電壓；飽和漂移速度約2倍，使SiC器件具有高速、高頻的特性優(yōu)勢(shì)；熱導(dǎo)率約3倍，使SiC器件可以在更高的溫度下工作，減小散熱系統(tǒng)體積從而減小整機(jī)體積。

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同時(shí)，雖然SiC是化合物半導(dǎo)體材料，但是仍然可以在其上通過(guò)熱氧化的方法形成二氧化硅(SiO2)層，這對(duì)于制造SiC柵控型器件非常有利。以上種種優(yōu)勢(shì)使得SiC和氮化鎵(GalliumNitride,GaN)、金剛石材料(Diamond)一起被譽(yù)為發(fā)展前景十分廣闊的第三代半導(dǎo)體材料。

得益于SiC優(yōu)良的材料特性，SiC IGBT在超高壓(≥15kV)應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的地位，例如電力傳輸、電力存儲(chǔ)、超高壓電網(wǎng)接口等超高壓電力傳輸系統(tǒng)，以及艦船全電推進(jìn)系統(tǒng)中的電能管理系統(tǒng)、全電推動(dòng)航天器。

目前，SiC IGBT已經(jīng)成為各國(guó)半導(dǎo)體研究工作的重點(diǎn)。

七、SiCIGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET是目前碳化硅器件中最受關(guān)注的開關(guān)型器件，主要功率器件的企業(yè)(Cree、ST、Rohm、Infineon等)都推出了相關(guān)的產(chǎn)品。每代產(chǎn)品都在元胞設(shè)計(jì)、導(dǎo)通壓降以及柵極驅(qū)動(dòng)電壓方面不斷進(jìn)步。其中Cree和ST專注于平面柵MOSFET的開發(fā)，Rohm公司推出了第一代和第二代平面柵MOSFET之后推出了第三代的溝槽柵MOSFET，亦采用了溝槽柵MOSFET。MOSFET器件的發(fā)展趨勢(shì)就是更小的比導(dǎo)通電阻。

隨著材料生長(zhǎng)和工藝的逐步成熟，SiC逐步應(yīng)用于垂直功率器件。然而早期由于受到SiC離子注入工藝水平的制約，研究人員采用外延摻雜的方式來(lái)生長(zhǎng)MOSFET的N+區(qū)和P阱區(qū)。由于溝槽型MOSFET工藝較為簡(jiǎn)單，1993年該工藝成為最先被用于研制SiC MOSFET器件。

由于溝槽型MOSFET耐壓較低，并且隨著離子注入和高溫退火激活工藝的不斷成熟，研究重點(diǎn)又從溝槽型MOSFET變?yōu)槠矫鏂烹p注入MOSFET(DMOSFET)。

傳統(tǒng)N溝道穿通型SiC IGBT器件的元胞結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中(a)是平面型結(jié)構(gòu)， (b)是溝槽型結(jié)構(gòu)。

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在芯片制造時(shí)，碳化硅材料中N型離子注入工藝，常見摻雜離子包括氮離子(N)和磷離子(P)。針對(duì)碳化硅材料中P型離子注入，常見的摻雜離子包括鋁離子(Al)和硼離子(B)。

離子注入工藝后，注入?yún)^(qū)域產(chǎn)生大量的缺陷，且摻雜離子大部分處于原子間隙位置，未能產(chǎn)生有效地激活，因而需要退火工藝對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)。

碳化硅平面柵MOSFET器件的工藝如下圖所示。

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第一個(gè)工序需要在外延片上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的制作，且需要使用該對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與后面的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。第二至第四個(gè)工序，都需要離子注入工藝。離子注入工藝決定了結(jié)的形貌和相互關(guān)系，在平面柵MOSFET中尤其重要。

第二個(gè)工序利用Al元素進(jìn)行P阱的離子注入。

第三個(gè)工序利用N元素進(jìn)行N+的離子注入。

第四個(gè)工序利用Al元素同時(shí)進(jìn)行源區(qū)以及結(jié)終端區(qū)域的離子注入。

第五個(gè)工序中需要高溫退火和熱氧化工藝。

第六個(gè)工序工藝生長(zhǎng)多晶硅柵及其圖形化刻蝕工藝。

第七個(gè)工序是鈍化層工藝。

第八個(gè)工序是歐姆接觸工藝。

通過(guò)上述主要工藝后，即完成碳化硅平面柵MOSFET器件的制造。

SiC是寬禁帶半導(dǎo)體材料，相比Si而言具有更大的禁帶寬度，更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)和熱導(dǎo)率等優(yōu)異的材料特性。因此在相同條件下，SiC電力電子器件具有更高的阻斷電壓，更大的輸出功率、更高的工作頻率以及更好的溫度特性等優(yōu)勢(shì)。

八、總結(jié)

隨著SiC MOSFET器件逐步使用，對(duì)其技術(shù)性能的要求越來(lái)越高，其中器件的可靠性成為關(guān)注重點(diǎn)。從平面柵和溝槽柵的對(duì)比來(lái)看，平面柵MOSFET由于不存在柵槽，因此其可靠性相對(duì)優(yōu)異。在市場(chǎng)上，平面柵MOSFET已逐步進(jìn)入市場(chǎng)，甚至部分進(jìn)入了電動(dòng)車領(lǐng)域，而溝槽柵MOSFET正在進(jìn)行可靠性的測(cè)試。

如今使用碳化硅MOSFET體二極管作為續(xù)流二極管的場(chǎng)合越來(lái)越多，而其體二極管由于為PN二極管，因此其開啟電壓較高，會(huì)帶來(lái)較高的導(dǎo)通損耗。同時(shí)PN二極管也會(huì)在高溫使用場(chǎng)景中帶來(lái)較大的反向恢復(fù)電荷，導(dǎo)致整機(jī)應(yīng)用的效率降低。

總的來(lái)說(shuō)，在新能源汽車應(yīng)用越來(lái)越成熟的情況下，IGBT的功能及材料的提升也將得到快速發(fā)展。

審核編輯：劉清