功率半導體供應商繼續開發和交付基于傳統硅技術的產品，但硅已接近極限，并面臨來自 GaN 和 SiC 等技術的日益激烈的競爭。

作為回應，業界正在尋找擴展傳統硅基功率器件的方法。至少在短期內，芯片制造商正在努力提高性能并延長技術。

功率半導體是用于多種低壓到高壓應用的專用晶體管，例如汽車、工業、電源、太陽能和火車。這些晶體管像設備中的開關一樣工作，允許電流在“開”狀態下流動并在“關”狀態下停止。它們提高了效率并最大限度地減少了系統中的能量損失。

多年來，功率半導體市場一直由硅基器件主導，即功率 MOSFET、超結功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。這些設備于 1970 年代首次商業化，如今幾乎在每個系統中都能找到。這些產品成熟且價格低廉，但它們也有一些缺點，并且在某些情況下達到了理論性能極限。這就是為什么許多供應商也在開發和交付基于兩種寬帶隙半導體——氮化鎵（GaN） 和碳化硅（SiC） 的新型功率器件。面世一段時間，基于 GaN 和 SiC 的功率器件在各個領域與硅 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。事實證明，沒有一種功率器件可以滿足系統中的所有要求。這就是為什么客戶需要一系列具有不同額定電壓和價格點的選項。

GaN 和 SiC 器件近來備受關注。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備也很重要，而且它們不會很快消失。硅基設備繼續發展，盡管速度比前幾年慢。

全球最大的功率半導體供應商英飛凌的應用管理總監 Bob Yee 表示：“今天，我們看到硅仍將是功率 MOSFET 的主要形式，占據約 60% 的市場份額，即使隨著寬帶隙技術的出現，”。“寬帶隙將填補并占據硅的空間，從而增加更多價值，并將在硅無法實現的地方實現新的應用。也就是說，寬帶隙是對硅的補充。但在可預見的未來，硅仍將是主力?！?/p>

換句話說，所有技術都有一席之地?？偠灾?，基于硅的功率半導體器件，包括 IGBT 和 MOSFET，仍占整個市場的 80% 左右。硅領域發生了幾項重要變化，包括：

? 供應商正在推出新系列的硅基功率MOSFET、超級結器件和IGBT。? 在研發方面，業界正在推進基于硅的 MOSFET 和 IGBT。? Lam Research 和其他公司開發了用于功率半導體的新設備。

功率器件分類

什么是功率半導體？

功率半導體用于電力電子領域。用于固態設備，電力電子控制和轉換各種系統中的電力，例如汽車、電機驅動器、電源、太陽能和風力渦輪機。

這些器件不同于傳統的金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET）。當今的數字 CMOS FET 由構建在硅頂部的源極、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，垂直方向支持更高的電流和電壓。

還有其他差異。在傳統的 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，供應商也在縮小晶體管，但還沒有達到數字 CMOS 的程度。

Lam Research戰略營銷高級總監 Michelle Bourke 表示：“如果您考慮 MOSFET 和 IGBT，它們在規模和效率方面正在經歷自己的發展軌跡。” “有些人可能會說，與 CMOS 相比，這些功能很大。但是，為了達到該設備性能所需的垂直度和配置文件控制與我們在 Lam 中遇到的一些 CMOS 問題一樣具有挑戰性。因此，雖然從設備的角度來看，這些功能仍然很大，但從開發的角度來看，這是我們完成的最具挑戰性的過程之一。我們正在使這種情況發生?！?/p>

通常，對于功率半導體，最重要的考慮因素是其他參數，例如電壓 （V）、Rds（on） 和柵極電荷。每個功率半導體器件都有一個額定電壓 （V）?！癡DSS 中的‘V’ 是最大允許工作電壓，或漏源電壓規格，”EPC 首席執行官 Alex Lidow 解釋道。

導通電阻或 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。“半導體業務的成本優化一直與芯片縮小聯系在一起。此規則也適用于功率器件。Ron x A 是一個關鍵品質因數，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，當我們開發新的電源技術時，我們通過降低新技術的 Ron XA 來獲得的成本優勢超過了通常更復雜的生產過程的額外成本。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。

有多種功率半導體選項可供選擇，以適應不同的應用。在硅方面，選擇包括功率 MOSFET、超結功率 MOSFET 和 IGBT。功率 MOSFET 被認為是最便宜和最受歡迎的器件，用于適配器、電源和其他產品。它們用于 25 至 500 伏的應用。

超結功率 MOSFET 是增強型 MOSFET，用于 500 至 900 伏系統。同時，領先的中端功率半導體器件是用于 1，200 伏至 6.6 千伏應用的 IGBT。

硅基功率器件在各個領域與 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 倍的擊穿電場強度和 3 倍的硅帶隙。GaN 超過了這些數字。

“寬帶隙半導體具有關鍵優勢，但它們將與基于硅的技術并行存在，”Lam Research 戰略營銷董事總經理 David Haynes 說。“基于硅的技術將持續很長時間。他們非常成熟。基于硅的功率器件正在進行大量的研究和技術開發?！?/p>

1969 年，日立公司描述了世界上第一個功率 MOSFET。隨著時間的推移，越來越多的公司進入了功率 MOSFET 市場，并將其發展為一項大生意。

根據 Yole Développement 的數據，2020 年，整個功率 MOSFET 市場的業務規模為 75 億美元。據 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 供應商，其次是許多其他供應商。

功率 MOSFET 用于 25 至 500 伏的應用，幾乎在每個系統中都可以找到。通常，這些設備在 200 毫米和 300 毫米晶圓廠中制造。

多年來，功率 MOSFET 得到了改進。根據 B. Jayant Baliga 在其題為“功率半導體器件基礎”一書中的說法，在 1970 年代，第一批器件基于平面柵極結構。Baliga 是 IGBT 的發明者，是北卡羅來納州立大學的教授。

這個功率 MOSFET 在頂部有一個源極和柵極，在底部有一個漏極。它有時被稱為平面功率 MOSFET。

然后，根據 Baliga 的說法，在 1990 年代，供應商轉向基于溝槽的柵極結構。它仍然是一個垂直設備。但是，基于溝槽的功率 MOSFET 不是具有水平柵極結構，而是在結構中具有垂直柵極。基于溝槽的功率 MOSFET 能夠以更小的芯片尺寸實現更高的密度。

隨著時間的推移，供應商根據應用同時使用平面和垂直柵極。他們還使用了設計和制造方面的各種創新，使他們能夠繼續改進他們的設備。

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） 比上一代產品低 18%。

其他供應商正在出貨新的功率 MOSFET。此外，供應商正在研究更新的技術。例如，Applied Novel Devices （AND） 正在開發具有類 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。“這就是說我們正在降低 Rds（on） x A （area）。這會導致品質因數較低，從而使應用程序能夠更快地切換。Rds（on） x A 的降低使供應商能夠降低 MOSFET 的總體成本，同時提高性能。”

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

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

在晶圓廠中，供應商對平面柵極和溝槽柵極功率 MOSFET 使用許多相同的工藝步驟，但存在關鍵差異。對于這兩種技術，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。

掩模層沉積在器件上。掩模覆蓋了設備的頂部，設備兩側的邊緣除外。據北卡羅來納州立大學的巴利加介紹，邊緣注入了 P 型摻雜劑。

Epi 堆棧的厚度是關鍵。Epi 層厚度與最終器件的阻斷電壓直接相關。“（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計定義。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，推進超級結 MOSFET

功率 MOSFET 也有一些局限性。所以幾年前，業界開發了超結功率MOSFET。超結器件仍以硅為基礎，用于 500 至 900 伏的應用。

這些器件類似于功率 MOSFET。最大的區別在于，超級結MOSFET在結構內由垂直的高縱橫比P/N柱組成，具有一些優勢。

“超結功率 MOSFET 可在更小的空間內實現更大的功率。其次，它為關鍵任務應用提供了可靠性，”英飛凌的 Yee 說?！懊恳淮?，我們都在不斷改進設備參數，例如 1） Rds（on）; 2） 降低柵極電荷；以及，3） Eoss（存儲在輸出電容中的能量）?！?/p>

事實上，這些設備還在不斷發展。例如，英飛凌的超結功率 MOSFET 系列，稱為 CoolMOS，目前已進入第七代。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功率 MOSFET。

然而，一般來說，超結技術正在達到其極限?！敖涍^ 20 年的發展，超級結功率 MOSFET 在 Rds（on） x A 方面存在物理限制，”Yee 說?！暗匀粫袔状壗Y的改進。寬帶隙的出現無疑將在未來幾年接管這種對性能提升的追求。重申一下，在可預見的未來，超結 MOSFET 將與寬帶隙技術共存?！?/p>

供應商仍在尋找擴展超結器件的方法，但也存在一些挑戰。傳統上，為了在晶圓廠中制造超級結 MOSFET，供應商在基板上堆疊多個外延層。在每一層，都有一個掩膜和注入步驟。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，但產生的 N 型和 P 型結構更大。這反過來又會影響芯片尺寸。

因此，在 2008 年，電裝開發了一種不同的方法，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，根據電裝的說法，P 型材料被沉積在溝槽中，形成 P 型柱。這導致設備具有交替的 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通電阻之間的權衡關系，”Denso 的 Jun Sakakibara 在 2008 年的原始論文中說。

這里存在一些制造挑戰，即在結構內制作高縱橫比 （HAR） 溝槽。

“制造超級結 MOSFET 有不同的機制，”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 80:1 或 100:1。這是硅蝕刻的一系列新挑戰。與 IGBT 或傳統 MOSFET 溝槽不同，這些極深的 HAR 超級結 MOSFET 溝槽無法使用 CMOS 制造中使用的穩態蝕刻工藝類型進行蝕刻?！?/p>

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

在 RIE 中，第一步是蝕刻掉結構的一部分，然后將其鈍化。然后，您重復該過程，直到蝕刻完成。這稱為博世工藝。

多年來，一些供應商已經為這些應用程序開發了 RIE 工具。

IGBT 的下一步是什么？

與此同時，IGBT 仍然是領先的中檔功率器件。IGBT 是一種垂直器件，它結合了 MOSFET 的開關速度和雙極器件的導電性。

據 Yole 稱，IGBT 在 2020 年的業務價值為 54 億美元，預計每年增長 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、消費和工業應用。在一些電池電動汽車 （BEV） 中，IGBT 用于牽引逆變器，它為電機提供牽引力以驅動車輛。

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 制造商可能會同時將 IGBT 和 SiC 器件用于功率逆變器。

多年來，IGBT 得到了改進。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，這些器件的開關損耗比以前的產品低 24%。

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

表面經過 P 型注入步驟。然后，為了形成溝槽，對該結構進行構圖和蝕刻。然后用柵極材料填充溝槽結構。最后，采用沉積技術，在頂部形成發射極，在底部形成集電極。

IGBT 已經存在了幾十年，但最新的器件面臨著一些制造挑戰?！叭绻悴捎?IGBT，就會通過制造越來越薄的晶圓來降低導通電阻，同時提高功率密度，”Lam 的 Haynes 說。“當你增加功率密度時，你會增加溝槽的密度。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。它們在非常高的電壓下工作。溝槽的任何畸形或溝槽輪廓的任何不均勻都可能導致故障?！?/p>

還有其他挑戰?！霸诰A的正面，您正在對柵極和源極 （MOSFET）/發射極 （IGBT） 連接進行接觸金屬化。由于功率器件涉及高電流，因此金屬必須比常規半導體器件厚，”KLA 公司 SPTS 的 PVD 產品管理高級總監 Chris Jones 說?！敖饘?，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 10μm 厚的任何東西。接觸往往是基于長溝槽的結構，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的設備，他們可能會將觸點尺寸縮小到 0.5μm 寬度，縱橫比為 2:1。將鋁放入低縱橫比觸點相對容易。

盡管如此，供應商仍在繼續開發基于硅的 IGBT。然后，在研發方面，供應商和大學正在研究新奇的設備。

例如，在 2020 年 IEDM 會議上，多家實體發表了一篇關于 3.3kV 背柵 IGBT （BC-IGBT） 的論文。東京大學、三菱、東芝等為這項工作做出了貢獻。

BC-IGBT 由結構頂部和底部的柵極組成。東京大學的研究員 Takuya Saraya 在論文中說：“IGBT 的一個主要缺點是其開關頻率相對較低，因為其基區會積累電荷載流子?！?“通過使用背面 MOS 柵極來加速電子漏極和阻止空穴注入，實現了 60% 以上的關斷損耗降低?！?/p>

開發背柵 IGBT 的一種方法是制造兩個獨立的器件，然后將它們粘合在一起。但這增加了等式的成本。

在BC-IGBT技術中，研究人員開發了一種常規的IGBT。然后他們在設備底部實施了傳統的溝槽工藝。兩個門都對齊了。

結論

基于硅的功率半導體將存在很長時間，并且沒有跡象表明它們會永遠消失。但 GaN 和 SiC 器件正在大舉進軍。因此，系統制造商有多種選擇來滿足功率半導體的需求。

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自semiengineering