能源短缺、环境污染和气候变化已成为全人类面临的共同问题,世界各国都在寻求解决之路,而节能减排与发展新能源是解决这些问题的主要途径,在这其中电子电力器件的核心作用更加凸显。作为电力电子技术的基础,功率半导体器件主要用于电力系统的传输、变换、 配送,机车牵引,工业节能,以及智能电路控制系统等领域,在相当大的程度上决定了各种电力电子体系的运作可靠性以及实现所需成本,因而成为现代电力电子技术发展的重要环节之一。

而自功率半导体器件发明以来,依次出现了功率二极管、功率三极管、晶闸管、可控硅、 MOSFET、 IGBT、 Cool MOS等,根据其工作方式的不同,主要分作两大类:其中一类是门极电流来驱动的器件,其主要代表是晶闸管、可控硅等;另外一类是新型的门极电压控制器件,其主要代表是MOSFET、IGBT 等,这种新型器件驱动电路简单,能实现较高的工作频率。从电力电子技术的发展历史可以看出,功率半导体技术一直伴随着理论研究的提高与制造工艺技术的革新而迅猛。

IGBT作为功率半导体的关键性产品类型之一,具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点,是自动控制和功率变换的关键核心部件,是必不可少的功率“核心”,有着“绿色心脏”之称。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和用电质量,节能30%~40%。那么,IGBT器件的起源,以及未来发展如何?日前,其发明人B.Jayant Baliga教授在AOS万国半导体举办的研讨会中接受本刊专访时做了详细讲述。Baliga教授是国际知名科学家,著有19本专著,并在550多本出版物上发表文章。获得了美国功率半导体器件领域的120多个专利。在2016年他作为IGBT的唯一发明人被选入国家发明家名人录。

在上世纪5、60年代发展起来的双极性器件,通态电阻很小,电流控制、控制电路等复杂且功耗大。随后发展起来的单极性器件,通态电阻很大,电压控制、控制电路简单且功耗小。“例如功率双极晶体管技术的问题是厚P-基区减小电流增益,小于10;驱动电路贵而复杂;保护的吸收电路增加了额外成本。而功率MOSFET技术的问题是厚的N-漂移区增加了导通电阻。这两类器件都不能令人满意,这时业界就向往着有一种新的功率器件,能同时具有简单的开关控制电路,以降低控制电路功能与制造成本,以及很低的通态电压,以减少器件自身的功耗。这就是IGBT诞生的背景。” Baliga教授回忆,“当时我正在GE做半导体功率器件的研发工作,为解决MOSFET 在高压应用时导通损耗与耐压水平之间的矛盾而提出了绝缘栅双极晶体管( Insulate Gate BipolarTransistor,IGBT)的结构。当时提议合并MOS和三极管的物理,发现栅极电压控制阳极饱和电流,并首次出版了关于使用MOS控制饱和电流的垂直四层器件结构,这种结构最新的名称为IGBT工作模式,我意识到这个模式可能扩展到更高的电流等级,‘晶闸管的MOS栅极结构’这一发明可以说创造了一种新的功率器件。这就是IGBT诞生的背景。”

Baliga教授表示,随后在1980年,他在GE提出了IGBT,具有新的MOS-三极管物理,电流在表面传输而且非常大。“但是遭到了极大的怀疑,同时在商业化方面也遇到了一些障碍。第一个障碍是寄生的N+/PNP+晶闸管,如果晶闸管自锁,将会发生损坏性失效。我建议的折中方案是增加P+区,同时在GE花了5年时间提出了一些方法例如从金属到半导体反型层的电子隧道,去处寄生的晶闸管等等,致力于解决这个问题并获得GE的专利。第二个障碍是怀疑者认为合并MOS和三极管物理将产生平均效应,宽基区P-N-P晶体管彻底背离传统观点。我提出了由MOS沟道电流进行控制的大P-i-N整流管特性,这具有高的导通电流密度能力。”他补充道,“第三个障碍是专门针对双极型功率器件开发出了现在的寿命控制工艺,而现在的寿命控制工艺破坏了 MOSFET中的MOS-Gate区,而MOS-Gate器件,为了实现快的开关速度,不需要寿命控制工艺。我开发出了电子辐照工艺控制寿命,同时使用独特的退火循环来修复对于MOS-Gate区的损坏。第四个主要障碍是新的功率器件一般都有3~5年的商业化周期,我提议在当时现有的功率MOSFET生产线上生产第一款IGBT,说服了GE的管理层支持产品开发。终于在1985年前后第一款高品质器件成功试制了样品,并很快在GE内部的照明、家电控制、医疗等产品中使用。可惜的是后来GE放弃了。”

Baliga教授指出,IGBT技术一经发明就受到了广泛的欢迎,并在照明、工业、消费、交通、医疗、可再生能源、电力传输等众多领域中获得了广泛的应用。“消费市场中例如洗衣机驱动,电磁炉,微波炉等,使用IGBT开发的高频电源可以较小变压器体积到10倍以下;在医疗市场例如除颤器,从200V电源输出100KW的双向震动,在紧凑的外形中,只有IGBT有能力处理这样的功率要求;在交通领域电动汽车、日本的新干线和中国的高铁等都使用了IGBT驱动;在可再生能源领域,太阳能发电及风能发电等都使用了基于IGBT的功率逆变器。可以说,IGBT极大地提高了人们的生活质量,同时减轻了对环境的影响。”

经过几十年的持续应用和不断改进,IGBT现在已成为电子电力领域中最重要的功率开关器件之一。至今,IGBT经历了六代技术的发展演变,面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变:器件纵向结构,栅极结构以及硅片的加工工艺。新的器件虽然已经取得了研究进展,但实现其广泛的商业应用还有许多问题亟待解决。特别是需要在材料、制造和工业等技术领域均需取得突破。

现在这一技术仍在不断进步,朝向智能化、集成化和小型化发展,英飞凌、三菱、ABB等公司推出集成封装的IPM模块已成为趋势。此外,随着人们在新材料领域探索的加快,SiC以及GaN等宽禁带半导体材料更是半导体材料未来的发展方向。

“我在1988年加入了NCSU进行SiC材料研究并执教至今,1991年成立功率半导体研究中心,随后展示了SiC肖特基功率二极管,96年展示高性能SiC MOSFET。在这期间产生了许多世界级的研究,全球许多公司都有相关产品发布。SiC功率器件应用范围在600~6500V,1~1000A之间。和硅器件相比,SiC显然有多方面的优势,在功率因素校正方面,使用SiC JBS的整流管的效率可以提高1.6%;在光伏逆变器中,与硅器件相比,效率提高0.75~2.4%,在成本、开关功耗、损耗方面都有极大优势。” Baliga教授指出,“然而,SiC在商业化方面将面临更多问题。标准功率开关如IGBT,有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC 却需要投入大量经费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。IGBT可能几年就商业化了,而SiC可能需要25年。成本也需要降下来。”

经过多年努力,中国虽然实现了IGBT芯片的量产,但是进口率仍然居高不下。为了实现自主可控,国产厂商正在开始推进IGBT的国产化,政府也在推动。2016年集设计、开发与销售为一体的功率半导体全球领先供应商AOS万国半导体在重庆投资建设12英寸功率半导体芯片制造及封装测试生产基地。AOS在器件物理,工艺技术,电路设计及封装设计上拥有丰富的经验。这对中国功率半导体的产业发展起到重要的推进作用。“现在IGBT器件已经很普及,各个公司的产品之间功能并没有很大差异。中国有很强大的制造能力以及降低成本的能力,如果他们可以实现差不多的性能,再加上中国IGBT消费市场潜力巨大,这一技术相信在中国能有快速发展并极具竞争力。”

对于AOS这样进入这一领域稍晚的企业,Baliga教授表示,他们的优势在于拥有很多富有创造力而又非常聪明的人才,有很多好的方法和技术来改进IGBT器件的性能。“例如他们的产品具有极低的导通损耗和极低的开关损耗,刷新了业界的标准。相信AOS万国半导体拥有的这些前沿的技术以及创新的器件结构和工艺,将会使他们拥有非常好的未来。”他指出。

也许全球数以亿计的用户并没有意识到自己生活中所使用和接触的电子产品,正受益于Baliga教授所开创的功率半导体技术。随着对更高能效的设备的需求提升,IGBT技术以及其他更新的工艺和技术的发展必将继续加快脚步。

EETC wechat barcode


关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”。