1.6 硅功率集成电路

功率半导体技术的发展得益于大规模集成电路工艺的发展，除了借助光刻线条宽度的减小和沟槽腐蚀技术的改进进行分立器件的生产，还将进一步开发功率集成电路。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是机电一体化的关键接口电路，是SoC（System on Chip）的核心技术，它将信息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命的关键技术。

SPIC出现于20世纪70年代后期，由于单芯片集成，SPIC减少了系统中的元器件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO晶闸管等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，PIC的研究并未取得实质性进展。直至80年代，由MOS栅控制，具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件（如功率MOS器件、IGBT等）的出现，使得驱动电路简单且容易与功率器件集成，才迅速带动了PIC的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。进入90年代后，PIC的设计与工艺水平和性能价格比不断提高，PIC逐步进入了实用阶段。迄今已有系列SPIC产品问世，包括功率MOS智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、PWM专用SPIC、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。

近几年随着移动通信、数字消费电子和计算机等产品制造业的强劲增长，以电压调整器为代表的电源管理（Power Management）集成电路也得到迅速发展。

单片功率集成电路是通过PN结绝缘来实现的，如图1.17a所示。PN结绝缘的缺点是高温漏电流大和由于PN结相互作用的原因不能集成双极结构器件。为了消除这方面因素的影响，采用绝缘材料隔离，如图1.17b所示。高压横向MOSFET性能上的突破是通过RESURF（Reduced Surface Field，降低表面电场）原理来实现的，如图1.17所示，图1.17a为PN结隔离的高压横向MOSFET，图1.17b为绝缘介质隔离的横向IGBT。

垂直器件通常通过更厚、更低掺杂浓度的外延层获得更高的转折电压。然而，对于需要横向绝缘的集成电路来说，需要在更薄的外延层上获得更高的转折电压，因此绝缘结表面电场强度需利用二维耗尽降低。RESURF优化表层掺杂计量 Q / q 大约为1.10 ¹² 。器件的基本结构如图1.17所示，它有一个由高阻P衬底（1.7×10 ¹⁴ cm ^-3 ）和N ^- 外延层构成的高压二极管，二极管的横向边界是P ⁺ 隔离扩散。所形成的二极管由两部分构成，一个具有垂直N ^- /P ⁺ 边缘的横向二极管，可能发生横向击穿，一个具有水平N ^- /P ^- 边缘的垂直二极管，可能发生垂直击穿。如果外延层厚度为50μm，则转折电压是470V，最大电场强度出现在表面N ^- /P ⁺ 结处，如图1.18a所示。如果外延层厚度为15μm，横向耗尽层受垂直N ^- /P ^- 结耗尽层的影响，在更高的电压1150V下，表面电场强度有两个尖峰，一个尖峰发生在N ^- /P ⁺ 结处，另一个发生在N ^- /N ⁺ 结处，尖峰之间的电场强度均匀，如图1.18b所示。如果横向距离足够宽，转折发生在垂直于N ⁺ 区的半导体体内。外延层掺杂剂量的选择原则是：在横向结发生转折之前，垂直耗尽层必须扩展到表面。图1.17b中的顶部的浅P型层必须受到影响，使电子电流从表面反型层沟道流向漏极。