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功率集成电路设计—功率器件与BCD工艺
来源:整理综合自《集成电路产业全书》 | 作者:Belle | 发布时间: 2022-07-05 | 335 次浏览 | 分享到:

功率器件(Power Device)是进行功率处理的器件。根据载流子的不同,功率器件可分为双极功率器件和单极功率器件。双极功率器件包括功率二极管(Power Diode)、电力晶体管(Giant Transistor, GTR)、晶闸管(Thyristor)、 栅极关断晶闸管( Gate Turn -Off Transistor, GTO)、 绝缘栅双极晶体管( Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 等;单极功率器件主要以双扩散晶体管( Double diffused MOSFET, DMOS)为代表。根据材料的不同,功率器件可分为硅基和宽禁带材料基(碳化硅(SiC) 和氮化镓(GaN) )两大类。这里仅简要介绍IGBT、DMOS和宽禁带器件三种。


IGBT器件是由双极晶体管( Bipolar Junction Transistor, BJT) 和金属-氧化物-半导体场效应晶体管( Metal-0xide- Silicon Field Effet Transistor, MOSFET)组成的复合全控制型电压驱动式器件,其特点为输入阻抗高、导通压降低,在600V以上中等电压系统中占主要市场。


DMOS器件是一种双扩散型器件,即在源端、漏端各掺杂两次,一次浓度大,一次浓度小。相比IGBT而言,DMOS的开关频率更高,主要分为垂直双扩散MOSFET (Vertical Duble-diffused MOSFET, VDMOS)和横向双扩散MOSFET(Lateral Double diffused MOSFET, LDMOS)两类。VDMOS 属于电压控制型器件,由于与CMOS器件的兼容性较差,使得其发展缓慢。而LDMOS与CMOS器件的兼容性较好,已广泛用于射频功率电路。随着技术的发展,已经可以实现三层扩散,所以现在LDMOS的英文全称常用Laterally Diffused MOS, VDMOS的英文全称常用Vertical Diffused MOS。


宽禁带材料SiC和GaN具有带隙宽、饱和漂移速度及临界击穿电场高的特点,是制造大功率、高频、高压、耐高温和抗辐射电子器件的理想材料。由于SiC单晶生长技术和GaN外延技术日渐完善,宽禁带功率器件的研制应用迅速发展。宽禁带材料功率器件主要用于分立器件,而自2009年以来,GaN驱动的集成技术在国际上成为热门。


20世纪80年代之前,双极工艺是制造功率器件的主流工艺,双极器件精度高,但集成度低;相对而言,CMOS器件集成度高、功耗低、逻辑控制简单。因此,Bipolar-CMOS的兼容可互相取长补短。另外,DMOS 器件在没有直流驱动的情况下就能够提供大功率,又能较好地兼容CMOS工艺,且它的开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好和可靠性强的优势使其在高速开关中应用广泛。因此,BCD (Bipolar-CMOS DMOS) 技术应运而生。BCD技术在同一工艺平台中集成Bipolar器件、CMOS器件、DMOS器件和电阻器、电容器等。三种有源器件的优势,即双极器件的高精度、CMOS器件的高集成度和DMOS器件的高功率处理能力被BCD工艺充分结合,使得BCD工艺广泛应用。