1 功率半导体器件的发展历程半导体的发现可以追溯到 19 世纪 30 年代, 法拉第发现硫化银晶体的电导特性会随着温度变化而变化 [3] ; 而半导体器件的诞生可以追溯到 20 世纪 30 年代后期对于两种现象的物理解释 1938 年, 贝尔实验室的 Walter Schottky 以半导体与金属表

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贡沃
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1 从功率半导体器件发展看电力电子技术未来胡强王思亮张世勇东方电气集团中央研究院, 成都摘要 : 电力电子在工业生产中的重要地位日益凸显, 相对落后的技术水平常使相关产业的发展受到限制功率半导体器件是电力电子产业的控制核心, 也是电子产业的有机组成部分本文在电子技术发展大背景下, 从半导体器件的源头开始, 对功率半导体器件的发展历程进行梳理, 进而从技术发展的内在规律出发, 对电力电子未来的发展方向做出理性的判断关键词 : 电力电子 ; 功率器件 ; 半导体 ; 宽禁带材料中图分类号 : TN323 文献标识码 : A 文章编号 : (2015) Power Electronic Technology Forecast Based On Power Semiconductor Development HU Qiang, WANG Siliang, ZHANG Shiyong ( Central Research Academy of Dongfang Electric Corporation, , Chengdu, China) Abstract: Power electronic technology is essential for industrial manufacture, Development of many industrial sector is normally constrained from lack of advanced technology. The core technology of the power electrionic industry focuses on the power semiconductor devices, which is also part of the electronic industry. Under the background of electronic technology development, this paper tries to clarify the developing route of power semiconductor devices from the initial starting point of view, along with a forecast of the power electronic technology in the future. Key words: power electronics; power device, semiconductor; wide-band-gap material 20 世纪 40 年代, 为满足战争对雷达探测的需求, 贝尔实验室的 Shockley William 等科学家陆续发明出金属点接触式晶体管和 PN 结型晶体 [1 - 管 2], 无意间引发了电子工业的革命从此电子这个原本深奥的物理名词逐渐成为家喻户晓的科技概念, 电子产业也成为上世纪后半期发展最为迅猛的一个产业电子技术从发展之初就沿着两条路径前进, 即微电子和电力电子, 前者体现为数字逻辑特性, 功率通常介于在千瓦与毫瓦之间, 甚至更低 ; 后者体现为模拟控制特性, 功率则通常介于千瓦与百万千瓦之间, 甚至更高微电子以逻辑器件的形式实现了大规模集成电路, 而电力电子则以功率器件的形式成就了电力能源的普及无论是微电子还是电力电子, 发展的源头都是半导体器件, 即芯片纵观国内现状, 微电子的发展一直以来受到国家的重视, 而功率器件则呈现出被边缘化的趋势, 这与发达国家二者并重的发展策略形成鲜明对比电力电子是支撑国家经济发展的核心技术, 是工业控制新能源发电轨道交通电动汽车变频家电智能电网等产业的关键控制部分, 其重要性不言而喻现状的改变亟待技术的突破相较集成电路而言, 功率半导体器件的公识度不高, 相关资料也比较欠缺本文将在宏观的半导体器件发展背景下, 对功率器件的发展历程进行梳理, 并对未来的发展趋势进行理性的分析, 希望能给读者一些启发收稿日期 : 作者简介 : 胡强 ( ), 男, 2012 年毕业于清华大学电子工程系, 工学博士, 工程师现在东方电气集团中央研究院从事功率半导体器件研究工作 79

2 1 功率半导体器件的发展历程半导体的发现可以追溯到 19 世纪 30 年代, 法拉第发现硫化银晶体的电导特性会随着温度变化而变化 [3] ; 而半导体器件的诞生可以追溯到 20 世纪 30 年代后期对于两种现象的物理解释 1938 年, 贝尔实验室的 Walter Schottky 以半导体与金属表面存在稳定的空间电荷区解释了金属半导体之间的非线性电流传输现象, 肖特基二极管也因此得名 [4] ; 1940 年, 同样是贝尔实验室的 Russlel. Ohl 在研究用于雷达探测的整流器时, 发现了硅的 PN 结效应 [5] 前者启发了场效应管的发明, 而后者是硅半导体器件的基础功率半导体器件的发展路线也是按照这两个方向展开, 最终融合到一起 1. 1 基于 PN 结的功率半导体器件发展基于 Russlel. Ohl 的发现, 形成了功率二极管的雏形, 通常以 P - i - N 的形式出现, 其基本结构如图 1 所示 P + ( 掺杂浓度较高的 P 型硅 ) 与 N - drift( 漂移区 ) 载流子的相互扩散形成天然的内建电场, 内建电场的存在会形成一个势垒阻止载流子继续扩散当阳极 (Anode) 接负电压, 阴极 (Cathode) 接正电压时, 内建电场被加强, 器件呈现出关断状态 ; 当阳极接正电压, 阴极接负电压时, 内建电场被弱化, 载流子继续扩散, 器件呈现出导通状态图 1 P - i - N 整流二极管 P - i - N 整流二极管的出现稍晚于肖特基整流二极管 (1. 2 节 ), 后者早期的耐压只能到 100 V, 而同期 P - i - N 二极管则可以到 500 V 原因是肖特基二极管是一种单极型 ( Unipolar) 器件, 即工作时只有一种载流子电子, 随着耐压的增加, 其导通压降迅速增加而 P - i - N 尽管厚度随着耐压增加, 导通电阻增加相对较慢 1948 年, Shockley William 首次提出少子注入 ( minority carrier injection) 的概念对这个现象进行解释 : 大量空穴通过阳极注入到漂移区, 极大地改善了漂移区的电导调制效应, 因此 P - i - N 二极管工作过程中同时存在电子和空穴两种载流子的输运过程, 这也是后来所有双极型 (Bipolar) 半导体器件的工作机制基于这种认识, Shockley William 将 2 个 PN 结背靠背叠在一起, 发明了 PNP 双极型晶体管 [6], 而这也通常被人们定义为电子工业革命的开始相较整流二极管的不可控性, 大功率晶体管 (GTR) 实现了半导体器件的可控性, 其基本结构如图 2 所示当基极 (Base) 接正电压时, 空穴注入 P 型基区 (P - base), 2 个背靠背的 PN 结内建电场均被削弱, 载流子可以在集电极 ( Collector) 与发射极 (Emitter) 之间输运 ; 当基极断路时, PN 结恢复内建电场, 实现关断图 2 NPN 型功率晶体管基本结构晶体管不仅可以作为开关, 通过集电极和发射极的信号会随着基极信号的变化而变化, 并且增益可以通过调整掺杂浓度漂移区宽度等参数来控制通过达林顿连接 ( 多个晶体管链接 ) 可以实现功率的高倍放大, 因此很快在微波放大器中得到应用 Shockley William 这个巧妙的设计在两年之后才被贝尔实验室的另一位化学家 Gordon Teal 实现, 其原因是缺乏足够纯度和均匀性的半导体材料 Gordon Teal 基于 Czochralski 在 1917 年发明的直拉单晶法 [7], 制备了单晶锗, 并成功制造出 NPN 型晶体管 [8] 在那以后, 基于硅的晶体管才问世晶体管的出现对于微电子集成电路的发展起 80

3 到了极大地促进作用, 但是对于功率器件应用来说, GTR 存在 2 个明显的短板 : 一是受限于电流增益, 电压适用范围较小, 直到 1970s 才出现 500 V 的达林顿管 [9] ; 二是漂移区存在的大量载流子在关断时需要较长时间的自然复合, 使其应用频率范围受到限制 1957 年, 美国 GE 公司的 Robert N. Hall 团队发明了半导体晶闸管 ( 简称晶闸管, 也被称为可控硅, SCR) 晶闸管的出现也标志着电力电子技术这门学科的诞生, 从此以后微电子与电力电子的发展呈现出清晰而不同的轨迹晶闸管的基本机构如图 3 所示, 呈现出 PNPN 的结构特点晶闸管可以看作是一个 PNP 晶体管和一个 NPN 晶体管通过基极集电极互联而得到当基极 ( Base) 施加一个触发电流, 内部的两个晶体管会自动为对方提供基极电流, 从而在整个开启过程中无需额外的驱动电流, 这也是晶闸管相较 GTR 的优势之一需要说明的是, 为保障较高的阻断电压, 需要在电流较小 ( 漏电流 ) 时尽量抑制 NPN 晶体管的电流增益 ; 但是当导通的时候需要 NPN 晶体管具有较高的电流增益, 使得晶闸管具有较低的导通压降这个矛盾可以通过 P - base 和 N + 阴极局部短路来解决, 如图 3 所示图 3 半导体晶闸管基本结构晶闸管属于半控型器件, 可以通过基极触发开启, 却不能控制它的关断, 因此晶闸管只能用于交流系统, 当电压反相时自动关断为解决这个问题, 1960 年 Ligten 和 Navon 提出一种可关断的晶闸管设计 ( GTO) [10], 以满足直流系统 ( 如机车 ) 的需求, 其基本结构如图 4(a) 所示 GTO 导通的机理与 SCR 相同, 但是关断的时候需要将电流从基极导出由于 GTO 是为直流电路所设计, 因此并不需要考虑反向电压阻断, 出现了非对称的 GTO 设计, 如图 4(b) 所示通过在 P + 与 N 型漂移区之间增加 1 层重掺 N 型缓冲层 (N - buffer), 这样使得漂移区厚度减小后同样可以承受高电压, 只是内部电场分布由三角形变成了四边形, 如图 4 所示漂移区厚度减小可以降低 GTO 的导通压降和关断时间, 这一思路在之后的功率器件设计中也得到了应用图 4 门极可关断晶闸管 (GTO) 相较 SCR 而言, GTO 优势明显但也有一些固有的缺陷, 如关断时间较长基极驱动复杂功耗较大等随着额定功率和频率的逐渐提升, GTO 的 SOA( 安全工作区域 ) 愈发不能满足实际需求 ; 此外受限于基极电感, 通过基极提供的电流大小受到限制, 电流太大可能导致 GTO 的二次开启这些问题都很难通过物理器件结构设计来规避, 而需要外围电路或者器件复合来实现, 这也是进入 20 世纪 90 年代之后围绕 GTO 发展的两个主要方向最为典型的代表就是 IGCT( 集成门极换流晶闸管 ) 和 ETO( 发射极关断晶闸管 ) [11-12] 1. 2 基于金属半导体结构的功率器件发展历程基于 Walter Schottky 对于金属半导体之间的非线性电流传输特性的解释, 贝尔实验室的理论物理学家 J. Bardeen 推测界面空间电荷区的存在会阻止电场渗透到金属内, 从而起到承压的作用 J. Bardeen 找来实验学家 Walter Brattain 一起研究这种表面态, 并很快形成了肖特基 ( Schottky) 二极管的雏形, 基本机构如图 5 所示由于功函数不同, 电子会从半导体表面往金属定向移动, 从而在金属与半导体界面形成空间电荷区而半导体一侧会形成一个电子势垒, 阻止电子的定向移动, 最终达到平衡状态当金属表面接正电压, 半导 81

4 体表面接负电压时, 电子从金属表面流出, 半导体内部的电子继续朝金属移动, 势垒被削弱, 实现器件的导通 ; 反之势垒增强, 器件呈关断状态图 5 肖特基整流二极管基本结构肖特基二极管的出现早于 PN 结二极管, 主要集中在低压高频的应用领域 1947 年, J. Bardeen 和 Walter Brattain 又在此基础上提出金属点接触晶体管的概念, 即在半导体 2 个位置制作金属点接触, 形成肖特基二极管背靠背的结构, 以实现放大器的功能 ( 双极型晶体管的设计也得益于这种思路 ) [1] 肖特基二极管晶体管的出现, 证明了半导体表面可以存在稳定的空间电荷区, 这为场效应 (Electric - field) 晶体管的出现奠定了基础场效应晶体管的结构最早在 1926 年由波兰物理学家 Julius Lilienfeld 提请了专利申请, 他提出一种基于硫化铜半导体的场效应晶体管, 遗憾的是当时并未得到重视 [13] 1959 年, 贝尔实验室的 John Atalla 和 Dawon Kahng 第 1 次成功制备了硅基绝缘栅场效应晶体管 ( MOSFET, 简写为 MOS) [14], 其基本结构如图 6 所示栅极与半导体被一薄层绝缘层所隔开, 当栅极 ( Gate) 施加正电压时, 会在绝缘层与半导体层界面处积累一层电子 ( 称为沟道 ), 从而使得源极 ( Source) 和漏极 ( Drain) 导通 ; 撤去栅极电压后, 沟道消失, MOS 恢复关断由于 MOS 是电压控制器件, 因此驱动功耗很小, 并且开关速度很快, 可以用于高频率场合图 6 绝缘栅场效应管的基本结构示意图 Fairchild 实验室的 C. T Sah 和 Frank Wanlass 于 1963 年公开了一种 MOS 晶体管, 包含 P 型沟道和 N 型沟道 ( 后被人称为 CMOS), 为集成电路的发展奠定了基础 [15] MOS 概念的提出为功率半导体器件的进步也起到了极大的启发作用得益于硅材料制备技术的进步, 20 世纪 70 年代, 垂直结构的功率 MOS 器件陆续出现功率 MOS 与逻辑 MOS 所不同的是扩散区厚度更大, 最早出现的功率 MOS 晶体管得益于一种 V 型挖槽工艺, 其基本结构如图 7 ( a) 所示, 通常被称为 VMOS [16] VMOS 存在 3 个难以克服的问题 : 1 是氢氧化钾针对不同晶向的腐蚀速率不同导致形貌难以控制 ; 2 钾离子对栅氧存在很大的污染风险 ; 3V 型槽的尖端易造成电场集聚, 降低击穿电压由于这些问题, VMOS 很快被淘汰平面栅场效应晶体管 ( DMOS) 的出现弥补了 VMOS 的缺点, 其基本结构如图 7 ( b) 所示与 VMOS 不同的是, DMOS 的沟道通过高温扩散自动形成, 很大程度上简化了制作工艺 DMOS 很快投入商业使用, 并开拓了 10 khz - 50 khz 的高频率应用领域 DMOS 存在一个固有缺陷 : 电子通过 P - base 之间的空间进入扩散区, 由于耗尽区的影响, 这个空间很狭小, 使得导通电阻增大 ( 定义为 JFET 效应 ) UMOS 出现之后, 这个问题得到了有效解决, 其结构如图 7 ( c) 所示 UMOS 的出现得益于 20 世纪 80 年代末期集成电路中动态随机 ( 存取 ) 存储器 ( DRAM) 的广泛应用, 使得硅的沟槽刻蚀工艺得到了大力发展, 该工艺也很快被借鉴到功率器件的开发中 UMOS 实际上结合了 VMOS 和 DMOS 的优点, 并规避了二者的缺点功率 MOS 器件高频率易驱动的特点使其得到了广泛的应用, 但是单极型载流子的工作特点使得阻断电压通常只能做到几百伏中国的陈星弼院士提出名为 coolmos 的新型结构, 极大地改善了承受电压与导通电阻的这对矛盾 [17] ( 遗憾的是受限于国内半导体加工水平, 目前市面上的 coolmos 产品均为国外品牌 ) 前述功率器件都只能在特定的应用领域发挥自身的特长, 如何集成各种器件结构的优点成为 20 世纪 70 年代的研究热点, 绝缘栅双极型晶体管 82

5 图 7 场效应晶体管结构示意图 (IGBT) 就是在这种背景下诞生的 IGBT 实际是将功率 MOS 和 GTR 集成在一起的一种器件, 其基本结构如图 8( a) 所示 1979 年, 印度科学家 Baliga 首次证明了 IGBT 的概念 [18], 1983 年 IGBT 正式投入市场, 并很快成为 5 kw 单管到 200 kw 模块领域的主流器件当 IGBT 导通时, 空穴从集电极注入, 电子从发射极注入, 使得 IGBT 成为一种双极型器件, 扩散区产生良好的电导调制效应, 导通电阻得到有效降低当 UMOS 成功制备后, 沟槽栅也很快引入 IGBT 结构中 [19], 如图 8 ( b) 所示, IGBT 的导通电阻也因为消除了 JFET 效应而进一步降低受非对称 GTO 结构启发 ( 如图 4( b) 所示 ), IGBT 结构的扩散区与集电极之间也引入一层高掺杂的缓冲层 ( N - buffer), 从而可以将扩散区做得更薄, 导通压降和关断损耗也得到有效控制, 这项技术也定义为场截止技术兼具场截止技术和沟槽型栅极技术的 IGBT 从 20 世纪 90 年代至今一直是最受欢迎的功率半导体器件 IGBT 的出现对电力电子产业的发展起到了极大地促进作用, 很快成为中高功率中高频率的主流功率器件为进一步提高 IGBT 的应用功率范围, 对 IGBT 结构进行局部调整后出现了一些新型功率器件, 最为典型的就是 IEGT( 注入增强型 IGBT), 在此不再赘述近 20 年来, 功率器件结构没有发生重大的突破, 其发展趋势呈现出集成复合的特点, 例如将驱动传感器散热器等单元集成在一起的智能功率模块 (IPM) 等 2 功率半导体器件的未来发展方向通过对发展历程的梳理可以看出, 功率半导图 8 绝缘栅双极型晶体管基本结构体器件的发展之路与整个电子行业的发展紧密相关结合过去半个多世纪的发展, 可以对电力电子的未来发展方向进行理性的推测 2. 1 集成复合型器件发展无论是基于 PN 结还是基于金属半导体的功率器件, 基本是按照一维结构向多维组合结构的路线发展进入 20 世纪 90 年代后, 单个器件结构再无大的突破, 转而向复合型器件方向发展如基于 GTO 发展起来的 IGCT ETO 等, 基于 IGBT MOSFET 发展起来的 IPM 等将不同特长的器件不同功能的单元集成在一个模块中将是功率器件下一步发展的重要方向 2. 2 微电子与电力电子融合发展微电子与电力电子发展之初并没有严格分离, 后来根据应用背景不同逐渐分支成两个学科从发展历程来看, 功率器件的结构及工艺与微电子器件的发展也是紧密相关的国外领先企业往往是兼具两个领域的业务, 而国内两个方向却泾渭分明两个方向在人才技术沟通等方面的融合将有力推进电力电子的发展 83

6 2. 3 新型半导体材料发展从以硫化银硫化铜为代表的二元金属硫化物开始, 半导体材料也经历了漫长的发展在器件结构进步空间有限的情况下, 满足日益苛刻的应用需求需要新型材料的突破, 尤其是以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带半导体备受关注 [20] 基于 4H - SiC 的肖特基二极管已经投入市场, 并且在 3000 V 以上已经呈现出取代 P - i - N 二极管的趋势宽禁带半导体材料的突破很可能是电力电子首次独立于微电子的进步 3 结语电力电子产业是支撑国家经济发展的核心技术产业, 而功率半导体器件是电力电子的核心所在, 我国在技术人才设备等全面处于落后状态在国外对我国进行技术封锁的情况下, 传统的引进吸收创新模式已经显现出力不从心在对功率半导体器件的技术发展轨迹进行梳理后, 可以清晰地把握未来的发展脉络, 明确研究工作的重心, 在此基础上发展先进技术, 最终摆脱国外的束缚, 实现电力电子产业的完全自主化参考文献 : [1] J. Bardeen and W. H. Brattain. The Transistor, A Semi - Conductor Triode[ J]. Phys. Rev. 1948, 74: pp [2] Shockley, William. The Theory of P- N Junctions in Semiconductors and P- N Junction Transistors[ J]. Bell System Technical Journal, 1949, Vol. 28 No. 3: pp [3] Faraday, M. Experimental Researches in Electricity, Volume 1. [ C ]. ( London: Richard and John Edward Taylor, 1839 ) : pp [4] W. Schottky. Zur Halbleitertheorie der Sperrschicht - und Spitzengleichrichter [ J ]. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 1939, vol. 113: pp. 813 [5] R. S. OHL. Light - Sensitive Electric Device [ P]. U. S Patent: , May 27, 1941 January 1948: pp , 23 [7] Czochralski, J. Ein neues Verfahren zur Messung der ristallisationsgeschwindigkeit der Metalle [ J ]. Zeitschrift fèur Physikalische Chemie, Vol. 92, 1917: pp. 219 [8] Teal, Gordon K. Methods of Producing Semiconductive Bodies[ P]. U. S. Patent 2, 727, 840, June 15, 1950 [9] Adler, M. S. et al., The evolution of power device technology[j]. Electron Devices, IEEE Transactions, Vol. 31, 1984: pp [10] R. H. van Ligten and D. Navon, Base Turn - Off of p - n - p - n Switches[ J]. IRE WES - CON Convention Record, Part 3 on Electron Devices, 1960: pp [11] P. K. Steimer, et, al., IGCT - a New Emerging Technology for High Power, Low Cost Inverters[ C]. IEEE Industry Applications Conference, [12] Y. Li, A. Q. Huang and F. C. Lee, Introducing the emitter turn - off thyristor ( ETO) [ C]. IEEE Industry Applications Society 33 rd Annual Meeting, 1998: pp [13 ] Lilienfeld. J. E. Method and apparatus for controlling electric currents[ P]. U. S. Patent, No , 1926 [14] Kahng. Down, Electric field controlled semiconductor device[ P]. U. S. Patent, No , 1963 [15] Wanlass, F. M. and Sah, C. T, Nanowatt logic using field- effect metal- oxide semiconductor triodes[ C]. International Solid State Circuits Conference Digest of Technical Papers, 1963: pp [16] K. P Lisiak and J. Berger, Optimization of non- planar power MOS transistor[ J]. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED- 25, 1978: pp [17 ] Xingbi, Chen. Super - Junction voltage sustaining layer with alternating semiconductor and high-k dielectric regions[ P]. U. S. Patent. No , 2007 [18] B. J. Baliga, Enhancement and depletion mode vertical - channel MOS gated thyristor [ J ]. Electronics Lett., Vol. 15, 1979: pp [19] H. R. Change and B. J. Baliga. 500V N - channel IGBT with Trench gate structure [ J ]. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 36, 1989: pp [20] F Di Giovanni, S Buonomo. Latest developments in Silicon Carbide MOSFETs: Advantages and benefits vs. application[ C]. AEIT Annual Conference, 2013 [6] Shockley, William. Bell Labs lab notebook [ C ]. No , 84

場效電晶體簡介.doc

場效電晶體簡介.doc (field effect transistor FET) FET (gate G ) FET (source S ) FET (drain D ) n (n-channel FET) p (p-channel FET) n FET n (channel) p FET p (channel) 1 n p FET FET (unipolar devices) 1 n p FET FET BJT FET