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超Cool的英飛凌功率元件

CoolMOS是英飛凌註冊商標的矽基板的功率元件,因為比較起傳統的MOS功率元件,CoolMOS具有較低的導通電阻,所以在做電源轉換上有著較高的轉換效率,也因此比較不發熱,故稱其為Cool。

除了CoolMOS之外,英飛凌最近也一連串推出了CoolGaN以及 CoolSiC,第三代半導體的功率元件,並完成商標的註冊,同樣地彰顯其較不發熱的特性。

CoolMOS事實上就是一般通稱的Superjunction MOS(大陸將其翻譯為超結,結就是junction的意思)。功率元件在特性上有兩項重要的指標,其一是在元件導通時的電阻,另一項就是元件在逆向偏壓時,最大的崩潰電壓。

導通電阻越低,代表元件的工作效率越好;而崩潰電壓越高,則元件可以操作在更高的偏壓之下,在現有的電力系統,當然是希望操作電壓越高越好,如此可以減低系統的負載電流。

但是在實際功率元件的操作上,這兩項指標是互為牴觸的,也就是想要降低元件的導通電阻,所付出的代價就是元件的崩潰電壓會降低,而電阻R是崩潰電壓V的2.5次方。換言之,想要增加一倍的崩潰電壓,導通電阻會增加約4.5倍。

功率元件的導通電阻及崩潰電壓,係決定於功率元件內部的drift region(漂移區)。漂移區越長,則在逆偏時能承受越高的電壓,但在順偏導通時卻會造成較高的電阻。

但是在CoolMOS的設計,學理上可以將此電壓V的2.5 次方,降為1.3次方;也就是增加一倍的崩潰電壓,導通電阻只會增加1.5倍。CoolMOS是如何達到的? CoolMOS元件架構學理上提出,是八十年代末期中國科學院的陳星弼院士的創舉,突破了理論上的極限。

在一般的功率元件,P-N的接面都是存在於水平的方向,而電流是重質流動的。因此當外加偏壓逆偏時,電場是分布於元件垂直的方向,而此內在的電場會隨著漂移區的距離越遠離而下降。

電壓降是電場對距離的積分,在此條件下,元件能承受的崩潰電壓就受到限制。陳院士所提出的P-N接面是存在於垂直的方向,利用P-N電荷上的平衡以及所產生的水平方向的電場,在漂移區的內建電場會是個定值,並不會隨距離增加而變小。

換言之,在相同漂移區長度的條件下,CoolMOS擁有更大的崩潰電壓。陳院士雖然提出了此垂直方向的P-N接面的構想,但是在元件製作上卻有相當的難度,直到1998年西門子(英飛凌的前身)才第一次成功地製作出來,之後元件製作工藝越來越成熟,也因而造就出今天superjunction MOS數十億美元的產業。

由於superjunction MOS原創屬於陳院士並申請了專利,而在元件的製作上西們子克服了諸多的挑戰,也申請了為數不少的專利。所以兩造開始進入了冗長的專利訴訟,最後以和解收場。

至於英飛凌的CoolSiC,其元件結構事實上就是trench(溝槽式) MOS,這在矽基板的MOS上已大量地被使用,尤其是降低其元件的導通電阻。但在SiC基板上的應用,仍需克服諸多在元件製作上的挑戰,尤其是閘極(gate)氧化層可靠度的驗證。

CoolGaN就更有趣了! GaN材料因為沒有自己的基板,必須將GaN的磊晶層成長在矽的基板上,因此相較於一般功率元件是垂直方向導通,GaN的功率元件卻是水平方向導通,因此之故,元件的漂移區非常接近表面。

眾所周知,化合物半導體最難處理的就是表面了,漂移區靠近表面,勢必會增加其導通的電阻,並影響其崩潰電壓。英飛凌的CoolGaN就是將漂移區深埋在表面之下,以降低元件的導通電阻;但此舉卻衍生出閘極開關不容易控制通道,非得在閘極下做一溝槽,才能夠充分地控制住通道。

所以英飛凌的CoolGaN在製程上相當的費工,但因為能有效的降低元件的導通電阻,所以也就比競爭對手更Cool了一點。

二十多年前當我在大學教書時,邀請了陳院士來台灣講授半導體功率元件,這是他第一次來台。他一抵達就表達希望能去慈湖蔣公陵寢謁陵,原來在抗戰時陳院士在重慶念小學,當時蔣公曾擔任過學校的校長,因此對於蔣公有著深層的感念。

2015年的IEEE全球功率半導體元件國際會議上,我們共同推薦了陳院士為年度的先驅貢獻獎的得主,這是該領域最大的殊榮。陳院士生性豁達,既使在文革時吃過不少的苦頭,他也不以為忤。

如果有人好奇地問他,與英飛凌的和解案中有多少利益的獲得?陳院士總是說這些都委託專家在處理,他一點也不在乎結果,他最感興趣的還是在與研究生在科研上的互動。

陳院士於前年走完了他的一生,得年八十九歲。終其一生,真可謂「大人者,不失其赤子之心

中國科學院陳星弼院士。百度百科

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。