解密功率半导体芯片制造的安芯之道分析

解密功率半导体芯片制造的安芯之道分析

赵世彧 ,冯义文 ,解亚晶

中车永济电机有限公司    山西    永济    044502

摘要：功率半导体芯片的发展之路，需要一个相对较长的周期。从早期的硅基 IGBT，到后来的 MOSFET、 GTR，再到现在的 IGBT和 SiC，其发展历史是从硅材料向化合物半导体材料转化、从二极管结构向多结器件结构转化，以及从单一产品到多品类产品转变。随着社会经济的快速发展和环保意识的增强，人们对节能减排提出了更高要求。由于环境污染和资源枯竭问题，全球各国都在加大力度研发新型节能减排技术。而功率半导体芯片作为现代电子设备的心脏，也被寄予了厚望。在这样一个背景下，功率半导体芯片行业经历了技术、市场等一系列的变化。

关键词：功率半导体芯片；制造；方法

一、从硅基 IGBT到化合物半导体

据不完全统计，现在全球80%以上的功率半导体产品是以硅材料为基础制造出来的。尽管硅材料具有一些固有的优点，例如具有较低的击穿电压和较高的导通电阻等，但是由于其固有的缺点，如热稳定性差、功率密度低、成本高，在某些应用场景中并不适用。

20世纪70年代后期，人们开始着手研究化合物半导体材料。1978年，日本日立公司在其新型双极型晶体管研制中使用了一种在半导体中掺入少量铜和铝等稀有金属元素的新型材料（简称为“化合物半导体”），其成功研制出了功率半导体器件。随着研究的深入，到1990年代后期为止，半导体科学家们已将化合物半导体材料运用到功率电子领域。在硅和金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）基础上进行改进得到了 MOSFET和 GTR器件，同时又开发出了 SiC等第三代功率器件。

二、IGBT发展历程

IGBT作为功率半导体芯片的一种，与 MOSFET、 GTR等传统器件相比，具有驱动方式简单、导通损耗小、开关速度快等优点，因此被广泛应用于家用电器、电动工具、新能源汽车等领域。随着工艺技术的不断改进和应用市场的需求增加， IGBT正在向高性能化、高集成化的方向发展，使得其产品在效率方面不断提高。

随着 IGBT应用领域的不断拓宽，市场对 IGBT芯片的需求也不断增加。尤其是近年来，随着中国半导体产业的飞速发展以及工业自动化的加速推进，国内 IGBT行业的发展可谓是一片大好。根据中国半导体行业协会数据显示，2019年 IGBT市场规模达到了283.1亿元。

三、MOSFET技术的发展

从硅材料向化合物半导体材料转化，即从二极管结构向多结器件结构转化，即从单一产品到多品类产品。在这个过程中，我们也可以看到功率半导体行业发展的一些变化，比如在传统硅材料制作的 IGBT中加入 MOSFET技术之后，它的速度可以提高10倍以上。

这三个发展过程，代表着功率半导体行业发展的方向。

其中， MOSFET技术是 IGBT和 SiC的基础与核心技术。正是有了它，才有了现在的 IGBT和 SiC器件。所以， MOSFET技术决定着未来功率半导体行业的发展。

四、GTR与 GTR器件的发展

传统 IGBT （绝缘栅极双极型晶体管）和 GTR （金属氧化物半导体场效应晶体管）两种器件结构都是通过在 MOS结构中增加N+和P+，实现了电子的快速开关。但是，它们各自都存在着不足之处，从而使其无法满足一些应用中的性能要求。

为了解决这些问题，科学家们开始开发更复杂的器件结构。其中， GTR （金属氧化物半导体场效应晶体管）和 MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管）分别是在 MOS器件基础上增加N+和P+的结构，与传统 IGBT （绝缘栅极双极型晶体管）相比，其开关速度更快、控制简单、功耗更小。但它们都存在着不足之处：传统 IGBT可以在100V的电压下工作，而 GTR和 MOSFET仅能在40V下工作。由于 GTR和 MOSFET在电压和频率上都不能满足应用要求，因此研究人员开始研发能够承受更高电压、频率的新型器件。

五、SiC器件的发展

SiC （碳化硅）是继 Si （硅）之后，最重要的第三代宽禁带半导体材料，主要用于制作高压、高频和高温的电力电子器件。SiC在结构上具有更强的绝缘性，使得其有着更好的性能和更高的可靠性，因此它也是未来新一代电力电子器件的首选材料。

SiC器件作为第三代宽禁带半导体器件，相比于传统硅基 IGBT，具有体积小、导通损耗低、开关速度快、耐高温等优势。可以说 SiC器件是目前唯一能够在高温、高频以及大功率等领域满足电力电子器件要求的材料。

SiC功率器件正在不断地改进其性能，并实现在汽车、通信以及消费电子等领域的应用，此外，它还能够大幅提升设备效率。未来 SiC器件将是5G和新能源汽车等领域最主要的发展方向之一。

六、SiC材料特性优势

与硅材料相比， SiC具有许多突出的性能优势。

1.禁带宽度大，击穿电压高： SiC的禁带宽度是硅的3倍，理论上可以通过掺杂提升导通电阻，且受温度影响较小。

2.热稳定性好： SiC在高温下具有更高的热导率，不会出现由于温度过高导致的开关速度降低、热稳定性变差等问题。

3.频率高： SiC器件可以实现高频化设计，较传统硅基器件相比，开关频率可提升100倍以上。

4.耐高温： SiC在高温下具有更高的热导率，使其可工作在更高温度，是传统硅基材料无法比拟的。

5.功率密度大： SiC器件和硅基器件相比，功率密度更高，可以设计出更加紧凑的电路结构。

6.耐高压：与硅材料相比， SiC是非常合适的绝缘材料，可以承受更高电压等级。目前 IGBT应用最高电压等级为1000V，而 SiC MOSFET可以实现1200V以上的应用。

结束语

功率半导体芯片的发展之路，并不是一蹴而就的。经过了漫长的技术积累和产业沉淀，才让功率半导体芯片走上了规模化应用道路。在我国，随着国内产业链配套能力不断提升，国产替代和进口替代已成趋势。对国内企业而言，不能因为短期内没有实现盈利就放弃半导体产业的发展。事实上，未来，功率半导体芯片也必将朝着更高功率密度、更低功耗、更高可靠性、更低成本方向发展。相信在未来，通过国产替代和技术进步，功率半导体芯片企业能够为用户提供更加安全可靠的产品，为我国电子工业的发展作出更大的贡献。

参考文献

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