功率半导体器件发展概述
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SJ 结构是在器件不承担电压的方向上引入新的电 场，对器件工作的漂移区（N-区）达到最大的电荷补偿 （如图 3），在这种思想提出之后，国际上开展了一系列 关于 SJ 的研究工作[11-12]。 3.1 纵向结构的 SJ 结构
纵向结构的 SJ 主要有完全和不完全两种结构。 完全的纵向 SJ 结构：
纵向型 SJ 结构的主要特点是用 N 型与 P 型相互交 叠的形式代替了传统上必须承担一定击穿电压的 N-漂移 区，由于 N 与 P 耗尽后，形成 Z 方向的电场（图 1），这 个电场有效补偿了 N-漂移区的浓度，使 N-区的浓度可以 设计的很高，且 N 型区与 P 型区完全耗尽后，电势分布 从源端到漏端线性增加，电场分布趋于理想的均匀分布， 这就满足了击穿电压的要求，通过分析具有 N 区与 P 区
半 SJ 结构（Semi-Super Junction）： 图 1 的结构是完全的 SJ 结构，即器件工作的 N 型
漂移区完全由 SJ 部分组成，这种结构的缺点是目前工艺 上实现比较困难，必须通过多次外延或刻蚀加离子注入 的方法完成。最近，国际上提出了一种半 SJ 结构，命名 为 Semi-Super Junction 结构[13]，是将 SJ 的部分与传统 的 VDMOS 部分相结合（图 2），在设计上具有很大的灵 活性，这样可以在击穿电压和比导通电阻上得到 VDMOS 结构与 SJ 折中的效果。
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
功率半导体器件发展概述
段宝兴 张波 李肇基
电子科技大学 IC 设计中心，成都 610054 Email: bxduan@163.com
摘 要 本文回顾了功率半导体器件的发展历史，针对硅基和 SOI 基功率半导体材料论述了功率器件的发展现状，以及作为 新型结构的 SJ 和类 SJ 的最新进展。概述了解决功率器件发展中一对主要矛盾（击穿电压和比导通电阻）的新技术。
功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号 处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等 集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集 成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着 PIC 的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直 或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能 功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分 支，是功率 SoC（System on Chip）的核心技术，它将信 息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命 的关键技术[1]。 2．功率半导体器件发展现状
横向双扩散 LDMOS 由于器件的漏极、源极和栅极 都在芯片的表面，易于通过内部连接与低压信号电路集 成，所以在 HVIC 和 PIC 中作为高压功率器件特别适用。 虽然提高击穿电压的终端技术有多种，但在 HVIC 和 PIC 中常用的是场板和 RESURF[5（] REduced SURface Field） 技术,通过 RESURF 技术可以不需要生长厚的外延层， 用传统的集成技术在 5-8µm 的薄外延层上制造出高达 1200V 的横向高压器件。在最近的发展中，为了满足实 现在超薄有源层上与低压电路的集成（超薄有源层技术 具有实现高低压隔离简单和工艺兼容性好的优点），我们 提出通过 REBULF[6]（REduced BULk Field）技术进一 步使器件漏端的体电场降低，可以实现在超薄有源层上 获得高耐压的需求，为实现功率集成提供了一种新的方 案。 2.2 SOI 基功率半导体器件
图 2 Semi-Super Junction 结构
为了实现高压与低压的集成，在工艺上一般采用横 向的高压器件，横向结构由于采用标准的平面工艺，且 在与低压兼容等方面能真正实现高压集成或智能功率集 成，如果使用 SJ 思想，将横向结构中的 N 漂移区用 N 与 P 相互交叠的 SJ 部分代替（图 3），也能降低其开态
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
相互交叠的 SJ 结构中的电场分布，使传统 VDMOS 中 击穿电压与比导通电阻的关系缓解。
的导通电阻，缓解 BV 与 Ron 的矛盾关系，所以，国际 上对横向 SJ(SJ-LDMOS)研究也是一个热点。
图 1 纵向 Super Junction 结构
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
多子导电的功率 MOSFET 显著地减小了开关时间， 因而很容易达到 100kHz 的开关频率，冲破了电力电子 系统中 20kHz 这一长期被认为是不可逾越的障碍。功率 MOSFET 是低压（<100V）范围内最好的功率开关器件， 但在高压应用时，其最大缺点是导通电阻随耐压的 2.5 次方急剧上升，给高压功率 MOSFET 的应用带来了很大 困难。在功率 MOSFET 领域，一种基于电子科技大学陈 星弼院士中美发明专利[4]，打破了传统功率 MOSFET 理论极限，被国际上盛誉为功率 MOSFET 领域里程碑的 新型功率 MOSFET⎯CoolMOSTM 于 1998 年问世并很快 走向市场。CoolMOSTM 由于采用新的耐压层（CB）结构 （又称为 Super Junction 结构或者称为 Multi-RESURF 结 构），在几乎保持功率 MOSFET 所有优点的同时，又有 着极低的导通损耗。
以上从衬底材料对功率半导体器件的现状和发展作 了概述，具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管 和功率 MOS 类器件有着极高的开关频率，但其串联的 漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系，为 了缓解这对矛盾，目前有两种技术：一种是在保证器件 获得关态击穿电压的基础上，采用 Trench 技术在器件工 作的漂移区中形成器件开态时的载流子积累，积累载流 子形成的导电通道来降低器件开态工作时的导通电阻， 国际上在 80 年代对这种思想从理论、实验上进行了大量 的研究；另一种思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓 度，即降低漂移区电阻的基础上，通过在器件的不同维 度上引入新的电场来达到对漂移区载流子的有效中和以 获得一定的击穿电压，这种思想成熟和有效的结构是超 结（Super Junction）形式，下面主要针对这种结构做简 单的介绍。
晶闸管（Thyristor, 也可称为可控硅--SCR）是目前 具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流 额定值为 8000A，电压额定值可达 12kV。国外目前已能 在 100mm 直径的硅片上工业化生产 8kV/4000A 的晶闸 管。但晶闸管不能用门极控制其关断，需要复杂的辅助 换流关断电路。因此，自八十年代以来，一种通过门极 控制其导通和关断的晶闸管⎯门极关断晶闸管 GTO 得 到迅速发展，目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典 ABB 等多家厂商能在 6 吋硅片上生产 6kV/6kA，频率 1kHz 的 GTO，研制水平已达 8kV/8kA。但 GTO 仍然有 着复杂的门极驱动电路、低耐量的 di/dt 和 dV/dt，以及 小的安全工作区（Safe Operating Area—SOA），在工作 时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路。针对 GTO 的 上述缺陷，在充分发挥 GTO 高压大电流下单芯片工作和 低导通损耗的基础上，三种 MOS 栅控制且具有硬关断 （Hard Switching）能力的新型大功率半导体器件⎯瑞典 ABB 公司和日本三菱电机公司提出的集成栅换流晶闸 管（ABB 称为 Integrated Gate Commutated Thyristor -IGCT，日本三菱电机称为 Gate Commutated Turn-off Thyristor-GCT）[3]。
绝缘体上硅(SOI)是在 80 年代迅速发展起来的一种 新结构半导体材料。以 SOI 横向高压器件为基础的 SOI 高压集成电路(High Voltage IC, HVIC)，作为智能功率集 成电路(Smart Power IC, SPIC)领域的一个新兴分支，近 年来得到了迅速地发展[7]。SOI 横向高压器件作为 SOI 高压集成电路的基石，受到了国内外众多半导体器件工 作者的广泛关注和深入研究，并正逐步走向实用化和产 业化阶段。
SOI 高压器件作为 SOI SPIC 的核心器件，其击穿电 压取决于横向击穿电压和纵向击穿电压的较低者。由于 常规 SOI 结构埋层限制耗尽区向衬底扩展，衬底不能参 与耐压，同时基于隔离和散热的考虑，顶层硅和埋氧层 都不能做得太厚，因而 SOI 器件的纵向耐压成为限制 SOI 技术在功率集成电路领域应用的主要因素。在最近的 20 年中人们提出了一系列的新技术和新结构[9-10]，分别从 横向和纵向来提高 SOI 高压器件的击穿电压。我们通过 对 SOI 中介质层中电场和击穿电压的分析，提出了一种 提高器件纵向耐压的新技术－介质场增强技术（EnbilfBuried Insulator Layer Field），这种技术通过在传统 SOI 埋层（I 层）中引入低介电系数的材料或通过使用图形化 的结构突破了传统 SOI 结构中受界面电荷为零时的 3 倍 电场关系，通过 Enbilf 技术，使 I 层中的电场大大提高， 纵向击穿电压达到设计的要求。 3 SJ(Super Junction)型功率半导体器件发展展望
功率半导体器件的半导体衬底材料是影响功率器件 发展的基础，下面分别以目前应用和研究最广泛的硅基 和 SOI(SOI，Silicon-On-Insulator)基为例对功率器件的发 展作简单的概述。 2.1 硅基功率器件
硅基功率器件是第一代半导体功率器件，在对硅、
锗材料以及与之形成界面的氧化物、硅/金属研究成熟的 基础上，出现了功率晶闸管、功率二极管、功率 MOS、 IGBT 等。功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目 前商业化的功率二极管主要是 PiN 功率二极管和肖特基 势垒功率二极管（SBD）[2]。前者有着耐高压、大电流、 低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂 移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了 电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性 的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率，但其串 联的漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系， 阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之 肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流 和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工 作在 200 伏以下的电压范围内。
关键词 功率半导体器件; SOI; SJ; 类 SJ
1．引言 功率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它
包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率 半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微 电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的 主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路（Smart Power IC-SPIC）。最早的功率器件是由少数载流子（少 子）参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应， 工作频率一般小于 1MHZ，且其输入阻抗低、驱动电流 大。而且由于是正电流温度系数，故有二次击穿现象； 随着多晶硅和平面工艺的发展，出现多数载流子（多子） 参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。它可以 分为两大类：主要的一类是 MOS 型功率器件，如垂直 扩散 MOS（VDMOS）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）和 MOS 控制晶闸管（MCT）等；另一类是静电感应器件， 如 静 电 感 应晶 体 管 （ SIT）， 双 极型 静电 感 应 晶 体管 （BSIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。
国内对高压 SOI 技术的研究起步较晚，从 1994 年开 始有较多的关于 SOI 材料技术和低压 SOI 器件方面的报 道ห้องสมุดไป่ตู้电子科技大学微电子所在北京大学和信息产业部电 子 24 所的协助下，采用键合的方法，获得了较好的高压 槽形埋层二氧化硅 SOI 材料，并在该材料上初步研制出 耐压为 700V 的横向功率 MOS 型器件，并提出了 He 生 空位局域寿命控制技术[8]，有效地提高了器件的耐压和 速度，已具备了研究 SOI 功率集成电路的能力。
纵向结构的 SJ 主要有完全和不完全两种结构。 完全的纵向 SJ 结构：
纵向型 SJ 结构的主要特点是用 N 型与 P 型相互交 叠的形式代替了传统上必须承担一定击穿电压的 N-漂移 区，由于 N 与 P 耗尽后，形成 Z 方向的电场（图 1），这 个电场有效补偿了 N-漂移区的浓度，使 N-区的浓度可以 设计的很高，且 N 型区与 P 型区完全耗尽后，电势分布 从源端到漏端线性增加，电场分布趋于理想的均匀分布， 这就满足了击穿电压的要求，通过分析具有 N 区与 P 区
半 SJ 结构（Semi-Super Junction）： 图 1 的结构是完全的 SJ 结构，即器件工作的 N 型
漂移区完全由 SJ 部分组成，这种结构的缺点是目前工艺 上实现比较困难，必须通过多次外延或刻蚀加离子注入 的方法完成。最近，国际上提出了一种半 SJ 结构，命名 为 Semi-Super Junction 结构[13]，是将 SJ 的部分与传统 的 VDMOS 部分相结合（图 2），在设计上具有很大的灵 活性，这样可以在击穿电压和比导通电阻上得到 VDMOS 结构与 SJ 折中的效果。
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
功率半导体器件发展概述
段宝兴 张波 李肇基
电子科技大学 IC 设计中心，成都 610054 Email: bxduan@163.com
摘 要 本文回顾了功率半导体器件的发展历史，针对硅基和 SOI 基功率半导体材料论述了功率器件的发展现状，以及作为 新型结构的 SJ 和类 SJ 的最新进展。概述了解决功率器件发展中一对主要矛盾（击穿电压和比导通电阻）的新技术。
功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号 处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等 集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集 成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着 PIC 的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直 或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能 功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分 支，是功率 SoC（System on Chip）的核心技术，它将信 息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命 的关键技术[1]。 2．功率半导体器件发展现状
横向双扩散 LDMOS 由于器件的漏极、源极和栅极 都在芯片的表面，易于通过内部连接与低压信号电路集 成，所以在 HVIC 和 PIC 中作为高压功率器件特别适用。 虽然提高击穿电压的终端技术有多种，但在 HVIC 和 PIC 中常用的是场板和 RESURF[5（] REduced SURface Field） 技术,通过 RESURF 技术可以不需要生长厚的外延层， 用传统的集成技术在 5-8µm 的薄外延层上制造出高达 1200V 的横向高压器件。在最近的发展中，为了满足实 现在超薄有源层上与低压电路的集成（超薄有源层技术 具有实现高低压隔离简单和工艺兼容性好的优点），我们 提出通过 REBULF[6]（REduced BULk Field）技术进一 步使器件漏端的体电场降低，可以实现在超薄有源层上 获得高耐压的需求，为实现功率集成提供了一种新的方 案。 2.2 SOI 基功率半导体器件
图 2 Semi-Super Junction 结构
为了实现高压与低压的集成，在工艺上一般采用横 向的高压器件，横向结构由于采用标准的平面工艺，且 在与低压兼容等方面能真正实现高压集成或智能功率集 成，如果使用 SJ 思想，将横向结构中的 N 漂移区用 N 与 P 相互交叠的 SJ 部分代替（图 3），也能降低其开态
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
相互交叠的 SJ 结构中的电场分布，使传统 VDMOS 中 击穿电压与比导通电阻的关系缓解。
的导通电阻，缓解 BV 与 Ron 的矛盾关系，所以，国际 上对横向 SJ(SJ-LDMOS)研究也是一个热点。
图 1 纵向 Super Junction 结构
中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
多子导电的功率 MOSFET 显著地减小了开关时间， 因而很容易达到 100kHz 的开关频率，冲破了电力电子 系统中 20kHz 这一长期被认为是不可逾越的障碍。功率 MOSFET 是低压（<100V）范围内最好的功率开关器件， 但在高压应用时，其最大缺点是导通电阻随耐压的 2.5 次方急剧上升，给高压功率 MOSFET 的应用带来了很大 困难。在功率 MOSFET 领域，一种基于电子科技大学陈 星弼院士中美发明专利[4]，打破了传统功率 MOSFET 理论极限，被国际上盛誉为功率 MOSFET 领域里程碑的 新型功率 MOSFET⎯CoolMOSTM 于 1998 年问世并很快 走向市场。CoolMOSTM 由于采用新的耐压层（CB）结构 （又称为 Super Junction 结构或者称为 Multi-RESURF 结 构），在几乎保持功率 MOSFET 所有优点的同时，又有 着极低的导通损耗。
以上从衬底材料对功率半导体器件的现状和发展作 了概述，具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管 和功率 MOS 类器件有着极高的开关频率，但其串联的 漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系，为 了缓解这对矛盾，目前有两种技术：一种是在保证器件 获得关态击穿电压的基础上，采用 Trench 技术在器件工 作的漂移区中形成器件开态时的载流子积累，积累载流 子形成的导电通道来降低器件开态工作时的导通电阻， 国际上在 80 年代对这种思想从理论、实验上进行了大量 的研究；另一种思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓 度，即降低漂移区电阻的基础上，通过在器件的不同维 度上引入新的电场来达到对漂移区载流子的有效中和以 获得一定的击穿电压，这种思想成熟和有效的结构是超 结（Super Junction）形式，下面主要针对这种结构做简 单的介绍。
晶闸管（Thyristor, 也可称为可控硅--SCR）是目前 具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流 额定值为 8000A，电压额定值可达 12kV。国外目前已能 在 100mm 直径的硅片上工业化生产 8kV/4000A 的晶闸 管。但晶闸管不能用门极控制其关断，需要复杂的辅助 换流关断电路。因此，自八十年代以来，一种通过门极 控制其导通和关断的晶闸管⎯门极关断晶闸管 GTO 得 到迅速发展，目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典 ABB 等多家厂商能在 6 吋硅片上生产 6kV/6kA，频率 1kHz 的 GTO，研制水平已达 8kV/8kA。但 GTO 仍然有 着复杂的门极驱动电路、低耐量的 di/dt 和 dV/dt，以及 小的安全工作区（Safe Operating Area—SOA），在工作 时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路。针对 GTO 的 上述缺陷，在充分发挥 GTO 高压大电流下单芯片工作和 低导通损耗的基础上，三种 MOS 栅控制且具有硬关断 （Hard Switching）能力的新型大功率半导体器件⎯瑞典 ABB 公司和日本三菱电机公司提出的集成栅换流晶闸 管（ABB 称为 Integrated Gate Commutated Thyristor -IGCT，日本三菱电机称为 Gate Commutated Turn-off Thyristor-GCT）[3]。
绝缘体上硅(SOI)是在 80 年代迅速发展起来的一种 新结构半导体材料。以 SOI 横向高压器件为基础的 SOI 高压集成电路(High Voltage IC, HVIC)，作为智能功率集 成电路(Smart Power IC, SPIC)领域的一个新兴分支，近 年来得到了迅速地发展[7]。SOI 横向高压器件作为 SOI 高压集成电路的基石，受到了国内外众多半导体器件工 作者的广泛关注和深入研究，并正逐步走向实用化和产 业化阶段。
SOI 高压器件作为 SOI SPIC 的核心器件，其击穿电 压取决于横向击穿电压和纵向击穿电压的较低者。由于 常规 SOI 结构埋层限制耗尽区向衬底扩展，衬底不能参 与耐压，同时基于隔离和散热的考虑，顶层硅和埋氧层 都不能做得太厚，因而 SOI 器件的纵向耐压成为限制 SOI 技术在功率集成电路领域应用的主要因素。在最近的 20 年中人们提出了一系列的新技术和新结构[9-10]，分别从 横向和纵向来提高 SOI 高压器件的击穿电压。我们通过 对 SOI 中介质层中电场和击穿电压的分析，提出了一种 提高器件纵向耐压的新技术－介质场增强技术（EnbilfBuried Insulator Layer Field），这种技术通过在传统 SOI 埋层（I 层）中引入低介电系数的材料或通过使用图形化 的结构突破了传统 SOI 结构中受界面电荷为零时的 3 倍 电场关系，通过 Enbilf 技术，使 I 层中的电场大大提高， 纵向击穿电压达到设计的要求。 3 SJ(Super Junction)型功率半导体器件发展展望
功率半导体器件的半导体衬底材料是影响功率器件 发展的基础，下面分别以目前应用和研究最广泛的硅基 和 SOI(SOI，Silicon-On-Insulator)基为例对功率器件的发 展作简单的概述。 2.1 硅基功率器件
硅基功率器件是第一代半导体功率器件，在对硅、
锗材料以及与之形成界面的氧化物、硅/金属研究成熟的 基础上，出现了功率晶闸管、功率二极管、功率 MOS、 IGBT 等。功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目 前商业化的功率二极管主要是 PiN 功率二极管和肖特基 势垒功率二极管（SBD）[2]。前者有着耐高压、大电流、 低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂 移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了 电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性 的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率，但其串 联的漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系， 阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之 肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流 和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工 作在 200 伏以下的电压范围内。
关键词 功率半导体器件; SOI; SJ; 类 SJ
1．引言 功率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它
包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率 半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微 电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的 主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路（Smart Power IC-SPIC）。最早的功率器件是由少数载流子（少 子）参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应， 工作频率一般小于 1MHZ，且其输入阻抗低、驱动电流 大。而且由于是正电流温度系数，故有二次击穿现象； 随着多晶硅和平面工艺的发展，出现多数载流子（多子） 参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。它可以 分为两大类：主要的一类是 MOS 型功率器件，如垂直 扩散 MOS（VDMOS）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）和 MOS 控制晶闸管（MCT）等；另一类是静电感应器件， 如 静 电 感 应晶 体 管 （ SIT）， 双 极型 静电 感 应 晶 体管 （BSIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。
国内对高压 SOI 技术的研究起步较晚，从 1994 年开 始有较多的关于 SOI 材料技术和低压 SOI 器件方面的报 道ห้องสมุดไป่ตู้电子科技大学微电子所在北京大学和信息产业部电 子 24 所的协助下，采用键合的方法，获得了较好的高压 槽形埋层二氧化硅 SOI 材料，并在该材料上初步研制出 耐压为 700V 的横向功率 MOS 型器件，并提出了 He 生 空位局域寿命控制技术[8]，有效地提高了器件的耐压和 速度，已具备了研究 SOI 功率集成电路的能力。