半導(dǎo)體零件是一類(lèi)具有超結(jié)耐壓層的重要器件，超結(jié)將PN結(jié)引入到常規(guī)“電阻型”耐壓層中，使之質(zhì)變?yōu)?ldquo;結(jié)型耐壓層”，這種質(zhì)變突破傳統(tǒng)功率器件比導(dǎo)通電阻和耐壓之間的Ron,sp ∝VB2.5“硅極限”關(guān)系，使之降低到Ron,sp ∝VB1.32，甚至 Ron,sp ∝VB1.03，超結(jié)器件也因此被譽(yù)為半導(dǎo)體零件的“里程碑”。從耐壓層角度回顧功率半導(dǎo)體零件40年發(fā)展的3個(gè)里程碑，綜述了超結(jié)的發(fā)明、概念與機(jī)理、技術(shù)與新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)超結(jié)發(fā)展歷程與趨勢(shì)。

 

        半導(dǎo)體零件加工是電能轉(zhuǎn)換與控制的核心器件，所有電子產(chǎn)品均離不開(kāi)半導(dǎo)體零件，無(wú)論是毫瓦級(jí)的便攜式終端，還是兆瓦級(jí)的高鐵?，F(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面，從傳統(tǒng)的工業(yè)電子、擴(kuò)展到信息通訊、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)和汽車(chē)領(lǐng)域，新能源、軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)正成為功率半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)的強(qiáng)大引擎。

 

        在這些應(yīng)用中，功率MOS和以其為核心的功率集成芯片在整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額占比高達(dá)74%，在近年功率單管的118億的銷(xiāo)售中，功率MOS占比達(dá) 49%。超結(jié)的出現(xiàn)，使得器件比導(dǎo)通電阻大幅降，被國(guó)際上譽(yù)為“功率MOS器件的里程碑”，超結(jié)的優(yōu)越特性也帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)需求，有人預(yù)計(jì)明年市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)22億美元，半導(dǎo)體零件已被視為中國(guó)半導(dǎo)體破局的重要領(lǐng)域。

        半導(dǎo)體零件與耐壓層

 

        與低壓半導(dǎo)體零件相比，半導(dǎo)體零件關(guān)態(tài)條件下需承受高電壓，具有耐壓層結(jié)構(gòu)，可以看成低壓控制器件與耐壓層形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如圖1所示，功率MOS器件可視為低壓MOS漏端D與準(zhǔn)漏端D'之間插入耐壓層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其控制部分工作機(jī)理與低壓MOS基本相同。半導(dǎo)體零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是耐壓層的設(shè)計(jì)。

        1.功率半導(dǎo)體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

 

        理想的耐壓層應(yīng)在關(guān)態(tài)下承受高電壓，在開(kāi)態(tài)下導(dǎo)通大電流，并實(shí)現(xiàn)兩者之間的快速轉(zhuǎn)換。因此，其基本要求是高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高開(kāi)關(guān)速度，其優(yōu)化的本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用場(chǎng)景下的最佳折衷。

 

        20世紀(jì)70年代發(fā)明的VDMOS，為承受高耐壓采用具有單一導(dǎo)電型的“電阻型”耐壓層，人們很快發(fā)現(xiàn)其比導(dǎo)通電阻和耐壓之間存在Ron,sp ∝VB2.5極限關(guān)系，使器件功耗隨耐壓劇增。大量研究致力于如何使器件性能盡可能接近甚至突破“硅極限”，從耐壓層演變角度，需要在保證耐壓前提下盡可能增加開(kāi)態(tài)載流子濃度，半導(dǎo)體零件呈現(xiàn)了不同的發(fā)展階段。

 

        阻型耐壓層器件，器件耐壓層為具有N或P單一導(dǎo)電類(lèi)型的低摻雜半導(dǎo)體層，其特性受“硅極限”限制，典型結(jié)構(gòu)為常規(guī)VDMOS器件；通過(guò)將PN結(jié)正向注入特性引入到阻型耐壓層中，大注入非平衡載流子增加開(kāi)態(tài)載流子濃度，典型結(jié)構(gòu)為IGBT；將異型摻雜引入到耐壓層內(nèi)部形成周期性交替摻雜的耐壓層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將PN結(jié)反向耗盡特性引入到耐壓層內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)兩區(qū)之間的電荷平衡，典型結(jié)構(gòu)為本文重點(diǎn)闡述的超結(jié)，耐壓層從“阻型”到“結(jié)型”的轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛪簩咏Y(jié)構(gòu)的一次質(zhì)變。

        從上面的論述可以看出，耐壓層演變的特點(diǎn)是巧妙地將PN結(jié)的正向與反向特性引入常規(guī)阻型耐壓層中，從而實(shí)現(xiàn)耐壓層電阻降低。半導(dǎo)體零件加工廠