必看“芯”知识：一文看懂半导体功率器件的组成和应用

功率半导体的封装

什么是电子封装？>>>

简单来说，电子封装是指对电路芯片进行包装，保护电路芯片，使其免受外界环境影响。

狭义的电子封装： 主要在后工程中完成，利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出连接端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成主体结构的工艺。

广义的电子封装： 应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术，统称为电子封装工程。什么是电子封装？>>>

简单来说，电子封装是指对电路芯片进行包装，保护电路芯片，使其免受外界环境影响。

广义的电子封装： 应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术，统称为电子封装工程。

半导体是我们生活中使用的电器里比较常用的一种器件，那么你对半导体有多少了解呢？今天我们就从最基础的半导体功率器件入手，全面了解半导体的“前世今生”。

电力电子器件 又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。

常见的几种功率半导体器件

1、MCT MOS控制晶闸管

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。

它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下优点：

（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3000V，峰值电流达1000A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；

（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；

（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；

（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1000V器件可在2s内关断。

2、IGCT

IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~3MW，三电平逆变器1~6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4/5MW，三电平扩至9MW。

3、IEGT 电子注入增强栅晶体管

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。

4、IPEM 集成电力电子模块

IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。

5、PEBB

电力电子积木PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。

6、超大功率晶闸管

晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV／4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV／4kA和6kV／6kA的光触发晶闸管（LTT），美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

7、脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

8、新型GTO器件－集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件－集成门极换流IGCT晶闸管。

9、高功率沟槽栅结构IGBT模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。

10、电子注入增强栅晶体管IEGT

与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。

11、MOS门控晶闸管

MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。

12、砷化镓二极管

与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

13、碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件

在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的FBSOA。

而从发展历程看，功率半导体器件先后经历了：全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率MOSFET及其相关器件，以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件，它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。

概括来说，功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路（即Power IC，简写为PIC，又称为功率IC）和分立器件三大类；其中，功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成；而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。不同功率半导体器件，其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同，实际使用中，需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

随着技术的不断进步，功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起，功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。

目前，国际电力电子市场以年均15%的速度增长，电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲，以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位，其中IGBT更是有高达30%的年均增长率。而SiC和GaN等新型材料电力电子器件，受到时间、技术成熟度和成本的制约，尚处于市场开拓初期，但前景不可小觑。

进展电子级二维半导体与柔性电子器件

在半导体器件不断小型化以及柔性化的主流趋势下，以二硫化钼（MoS2）等过渡金属硫属化合物（TMDC）为代表的二维半导体材料显示出独特的优势。国际半导体联盟在2015年的技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）中明确地指出它是下一代半导体器件的关键材料。二维半导体材料具有超薄厚度（单原子层或少原子层），优异的电学、光学、机械性能及多自由度可调控性，使其在未来的更轻、更薄、更快、更灵敏的电子学器件中具有优势。然而，现阶段以器件应用为背景的单层二硫化钼研究仍然存在以下两个关键的科学问题：1. 材料制备——如何获得高质量大尺度的二硫化钼晶圆；2. 器件工艺——如何实现高密度、高性能、大面积均一的器件加工。这是新型半导体材料从实验室走向市场要经历的共性问题，如能解决其高质量规模化制备和集成器件性能调控的关键科学障碍，必将有力推动二维半导体材料的应用发展进程，给柔性电子产业注入新的发展动力。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇研究员课题组在过去十多年一直致力于高质量二维材料的外延、能带调控、复杂结构叠层、功能电子器件和光电器件的研究。近期，该组博士生王琴琴等在张广宇研究员的指导下，利用自主设计搭建的四英寸多源化学气相沉积设备，采用立式生长方法在蓝宝石衬底上成功外延制备了四英寸高质量连续单层二硫化钼晶圆，所外延的高质量薄膜由高定向（0°和60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大于100 μm）拼接而成。在这种高定向的薄膜中，高分辨透射电子显微镜观测到了近乎完美的4|4E型晶界。得益于独特的多源设计，所制备的晶圆具有目前国际上报道中最高的电子学质量。相关工作发表在近期的Nano Letters 2020上。

在此基础之上，该组李娜博士等在张广宇研究员、杨蓉副研究员的指导下，进行了一系列器件加工工艺的优化，包括：1）采用兼容的微加工工艺，逐层制作器件，保证了器件层与层之间的洁净，实现了器件阵列加工的大面积均一性；2）采用独特的物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法，提高了器件绝缘层质量；3）采用金/钛/金多层结构作为接触电极，有效降低了器件的接触电阻。通过这些优化手段，成功实现了大面积二硫化钼柔性晶体管以及逻辑器件（如反相器、或非门、与非门、与门、静态随机存储器以及五环振荡器等）的制作，器件表现出优异的功能特性。其中，柔性场效应晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，产量高达97%，是目前已报道结果中最高指标。此外，单个器件还表现出优异的电学性能和柔韧性，开关比达到1010，平均迁移率达到55cm2V-1s-1，平均电流密度为35 μA μm-1。相关结果发表在近期的Nature Electronics 2020上。

这两项工作突破了晶圆级高质量二硫化钼薄膜的外延技术，实现了二硫化钼柔性晶体管器件及逻辑器件的高密度集成，为大面积柔性电子器件的发展提供了新的思路与技术基础，预期可以有效推动二维半导体材料在柔性显示屏、智能可穿戴器件方面的应用。

该系列工作由中国科学院物理研究所与松山湖材料实验室联合完成，并得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院B类先导专项、中科院青促会等项目的资助。