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超Cool的英飞凌功率元件

CoolMOS是英飞凌注册商标的矽基板的功率元件,因为比较起传统的MOS功率元件,CoolMOS具有较低的导通电阻,所以在做电源转换上有着较高的转换效率,也因此比较不发热,故称其为Cool。

除了CoolMOS之外,英飞凌最近也一连串推出了CoolGaN以及 CoolSiC,第三代半导体的功率元件,并完成商标的注册,同样地彰显其较不发热的特性。

CoolMOS事实上就是一般通称的Superjunction MOS(大陆将其翻译为超结,结就是junction的意思)。功率元件在特性上有两项重要的指标,其一是在元件导通时的电阻,另一项就是元件在逆向偏压时,最大的崩溃电压。

导通电阻越低,代表元件的工作效率越好;而崩溃电压越高,则元件可以操作在更高的偏压之下,在现有的电力系统,当然是希望操作电压越高越好,如此可以减低系统的负载电流。

但是在实际功率元件的操作上,这两项指标是互为抵触的,也就是想要降低元件的导通电阻,所付出的代价就是元件的崩溃电压会降低,而电阻R是崩溃电压V的2.5次方。换言之,想要增加一倍的崩溃电压,导通电阻会增加约4.5倍。

功率元件的导通电阻及崩溃电压,系决定于功率元件内部的drift region(漂移区)。漂移区越长,则在逆偏时能承受越高的电压,但在顺偏导通时却会造成较高的电阻。

但是在CoolMOS的设计,学理上可以将此电压V的2.5 次方,降为1.3次方;也就是增加一倍的崩溃电压,导通电阻只会增加1.5倍。CoolMOS是如何达到的? CoolMOS元件架构学理上提出,是八十年代末期国内科学院的陈星弼院士的创举,突破了理论上的极限。

在一般的功率元件,P-N的接面都是存在于水平的方向,而电流是重质流动的。因此当外加偏压逆偏时,电场是分布于元件垂直的方向,而此内在的电场会随着漂移区的距离越远离而下降。

电压降是电场对距离的积分,在此条件下,元件能承受的崩溃电压就受到限制。陈院士所提出的P-N接面是存在于垂直的方向,利用P-N电荷上的平衡以及所产生的水平方向的电场,在漂移区的内建电场会是个定值,并不会随距离增加而变小。

换言之,在相同漂移区长度的条件下,CoolMOS拥有更大的崩溃电压。陈院士虽然提出了此垂直方向的P-N接面的构想,但是在元件制作上却有相当的难度,直到1998年西门子(英飞凌的前身)才第一次成功地制作出来,之后元件制作工艺越来越成熟,也因而造就出今天superjunction MOS数十亿美元的产业。

由于superjunction MOS原创属于陈院士并申请了专利,而在元件的制作上西们子克服了诸多的挑战,也申请了为数不少的专利。所以两造开始进入了冗长的专利诉讼,最后以和解收场。

至于英飞凌的CoolSiC,其元件结构事实上就是trench(沟槽式) MOS,这在矽基板的MOS上已大量地被使用,尤其是降低其元件的导通电阻。但在SiC基板上的应用,仍需克服诸多在元件制作上的挑战,尤其是闸极(gate)氧化层可靠度的验证。

CoolGaN就更有趣了! GaN材料因为没有自己的基板,必须将GaN的磊晶层成长在矽的基板上,因此相较于一般功率元件是垂直方向导通,GaN的功率元件却是水平方向导通,因此之故,元件的漂移区非常接近表面。

众所周知,化合物半导体最难处理的就是表面了,漂移区靠近表面,势必会增加其导通的电阻,并影响其崩溃电压。英飞凌的CoolGaN就是将漂移区深埋在表面之下,以降低元件的导通电阻;但此举却衍生出闸极开关不容易控制通道,非得在闸极下做一沟槽,才能够充分地控制住通道。

所以英飞凌的CoolGaN在制程上相当的费工,但因为能有效的降低元件的导通电阻,所以也就比竞争对手更Cool了一点。

二十多年前当我在大学教书时,邀请了陈院士来台湾讲授半导体功率元件,这是他第一次来台。他一抵达就表达希望能去慈湖蒋公陵寝谒陵,原来在抗战时陈院士在重庆念小学,当时蒋公曾担任过学校的校长,因此对于蒋公有着深层的感念。

2015年的IEEE全球功率半导体元件国际会议上,我们共同推荐了陈院士为年度的先驱贡献奖的得主,这是该领域最大的殊荣。陈院士生性豁达,既使在文革时吃过不少的苦头,他也不以为忤。

如果有人好奇地问他,与英飞凌的和解案中有多少利益的获得?陈院士总是说这些都委托专家在处理,他一点也不在乎结果,他最感兴趣的还是在与研究生在科研上的互动。

陈院士于前年走完了他的一生,得年八十九岁。终其一生,真可谓「大人者,不失其赤子之心

国内科学院陈星弼院士。百度百科

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司CEO。