2022年1月28日是陳星弼院士誕辰91周年紀(jì)念日，謹(jǐn)以此文紀(jì)念陳星弼先生！
“科研需要你將所有精力、時(shí)間投入其中。只有不停地想，吃飯、走路的時(shí)間都不放過(guò)，才有可能在一剎那突然想出來(lái)。”
——陳星弼
陳星弼（1931-2019）
人類的星圖
于夜晚仰望星空，可見(jiàn)百千光年之外傳來(lái)的點(diǎn)點(diǎn)星光，傳遞著宇宙的浩瀚。若從高空俯瞰大地，也可見(jiàn)一幅星圖，萬(wàn)家燈火，盡顯人類科技文明的魅力。
人類構(gòu)筑的星圖是由電能支撐的。但無(wú)論是通過(guò)水力、火力還是核能所獲得的電，都只是一種原始的“粗電”，不能直接為各種電器所用?！按蛛姟敝挥性诮?jīng)歷一段復(fù)雜的傳輸控制過(guò)程之后，變?yōu)殡妷?、電流、頻率皆符合要求的“細(xì)電”，才能發(fā)揮作用。
傳統(tǒng)功率器件的瓶頸
將“粗電”變?yōu)椤凹?xì)電”依靠的是電力電子系統(tǒng)，不僅用于照明，該系統(tǒng)已被廣泛用于家用、工業(yè)、醫(yī)療、航天等各個(gè)領(lǐng)域。電力電子系統(tǒng)的“心臟”是功率器件，它基于各種半導(dǎo)體材料制作而成，在各種電路中起到功率開(kāi)關(guān)作用。一開(kāi)一合之間，功率器件巧妙改變著電壓、電流與頻率，實(shí)現(xiàn)著電能參數(shù)的變換。功率器件作用顯著，比如近年來(lái)高速發(fā)展的手機(jī)快充技術(shù)，就是依靠功率器件的調(diào)節(jié)作用，以加大充電電流或提高充電電壓的方式，來(lái)加快充電速度。
功率器件有一定的電阻。當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，電阻很大，可以起到承受高壓，阻斷絕緣的作用。當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，電阻很小，可以讓電流順利通過(guò)。然而，即使功率器件的導(dǎo)通電阻很小，所流過(guò)的數(shù)安至數(shù)十安培電流依然會(huì)于此電阻上消耗不少的能量。消耗的能量以熱能的形式散發(fā)出去，降低了電力電子系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。
一種減小導(dǎo)通電阻的方法是增大功率器件的表面積?；陔娐分须娮璨⒙?lián)的原理，越大面積的功率器件，導(dǎo)通電阻顯然會(huì)越小。這種方法沒(méi)有被業(yè)界采用，因?yàn)樗c“摩爾定律”背道而馳，不僅增加了制造成本，而且不利于科技進(jìn)步，同時(shí)由于面積增大會(huì)帶來(lái)寄生電容增加，增加了開(kāi)關(guān)損耗，影響器件的高頻應(yīng)用。
另一種方法是增強(qiáng)功率器件的摻雜。目前主流的功率器件通常由硅材料制作而成。一塊純凈的、不含任何雜質(zhì)的硅是很難導(dǎo)電的。為了使硅獲得一定的導(dǎo)電性，我們要向其中摻入一些非硅元素，這種行為稱為摻雜。硅有四個(gè)價(jià)電子，如果摻入的元素有五個(gè)價(jià)電子，它就可以施舍出一個(gè)價(jià)電子給功率器件，幫助它導(dǎo)電，這樣的非硅元素稱為施主。顯然，摻入的施主越多，得到的額外價(jià)電子越多，功率器件的導(dǎo)電性就越強(qiáng)。
上述方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但不盡如人意的是，在功率器件關(guān)閉時(shí)，這些施主由于失去價(jià)電子會(huì)成為一個(gè)個(gè)的正電中心。它們發(fā)出的電力線積聚在器件的某一處，降低器件的擊穿電壓，削弱器件阻斷耐壓的作用。由此引發(fā)了一個(gè)矛盾，要想獲得越低的導(dǎo)通電阻，就要使用越強(qiáng)的摻雜，導(dǎo)致越低的擊穿電壓。反之，要追求更高的擊穿電壓，也會(huì)導(dǎo)致更大的導(dǎo)通電阻。
1979年，加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授巧妙運(yùn)用變分法，將這種矛盾關(guān)系變得逐漸清晰。在傳統(tǒng)的硅基功率器件中，導(dǎo)通電阻正比于擊穿電壓的2.5次方，這即是著名的“硅極限”。正因?yàn)椤肮铇O限”的存在，功率器件運(yùn)行時(shí)消耗的能量始終無(wú)法進(jìn)一步減小，電力電子系統(tǒng)效率的提升始終受到限制。
突破硅極限的超結(jié)結(jié)構(gòu)
陳星弼院士入選ISPSD名人堂
（2018年芝加哥IEEE ISPSD會(huì)議）
1980年8月，陳星弼負(fù)笈東行，橫渡太平洋，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)來(lái)到胡教授的實(shí)驗(yàn)室，立志對(duì)功率器件做出一番創(chuàng)新突破。幾經(jīng)摸索，許多艱難，1989年陳星弼創(chuàng)造性地提出了幾種在功率器件半導(dǎo)體體內(nèi)引入電場(chǎng)的方法，其中就包括現(xiàn)在被稱為“超結(jié)結(jié)構(gòu)”的“復(fù)合緩沖層”。該結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)?chuàng)新是將原來(lái)?yè)饺雴我坏氖┲?，變?yōu)榉謩e在不同區(qū)域摻入施主和摻入另一種可索取接受價(jià)電子的受主。當(dāng)功率器件關(guān)閉時(shí)，施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負(fù)電，兩相平衡之后，不會(huì)影響器件的耐壓作用。而且如此一來(lái)，施主濃度與受主濃度不再受到“硅極限”的制約，可以同時(shí)顯著增大。施主濃度的顯著增大使得功率器件處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，電阻顯著降低。根據(jù)這個(gè)發(fā)明，導(dǎo)通電阻將不再受限于正比擊穿電壓的2.5次方變化，這是一個(gè)革命性的進(jìn)步，意味著打破了長(zhǎng)久以來(lái)嚴(yán)重制約功率器件發(fā)展的“硅極限”。陳星弼將此新結(jié)構(gòu)命名為“CB”結(jié)構(gòu)，為英文的電荷平衡“Charge Balance”之意。
1993年，為了實(shí)現(xiàn)CB結(jié)構(gòu)，陳星弼去加拿大多倫多大學(xué)Salama實(shí)驗(yàn)室做訪問(wèn)教授，可惜當(dāng)時(shí)那里的工藝條件無(wú)法加工出來(lái)。1997年，日本富士電機(jī)公司、山梨大學(xué)藤平龍彥教授基于陳星弼的發(fā)明，概括出“超結(jié)理論”的概念，同時(shí)給出了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思路。次年，陳星弼基于傅里葉級(jí)數(shù)表示摻雜濃度分布，首次提出了超結(jié)結(jié)構(gòu)的二維解析模型，全面系統(tǒng)地提出了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論。他再次用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算表明，超結(jié)結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)通電阻與擊穿電壓接近立方的關(guān)系奇跡般地降至接近線性關(guān)系。
功率器件新的里程碑
1998年，西門(mén)子半導(dǎo)體公司（現(xiàn)英飛凌公司）基于陳星弼院士1992年的超結(jié)發(fā)明專利，推出首款超結(jié)MOSFET產(chǎn)品，將其命名為CoolMOSTM并沿用至今。超結(jié)產(chǎn)品推出之后，雖然制造成本高昂，售價(jià)高于同類產(chǎn)品，但憑借更低的導(dǎo)通電阻優(yōu)勢(shì)，迅速占領(lǐng)了功率器件高端應(yīng)用市場(chǎng)。由于其革命性的突破，超結(jié)被國(guó)際半導(dǎo)體界譽(yù)為功率器件新的里程碑。
Infineon公司CoolMOSTM器件結(jié)構(gòu)與照片
在半導(dǎo)體行業(yè)中，“摩爾定律”像是一只無(wú)形的手，推動(dòng)著芯片產(chǎn)品飛速更迭，然而超結(jié)器件以其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，近二十年來(lái)一直保持著蓬勃的生命力。根據(jù)權(quán)威半導(dǎo)體咨詢機(jī)構(gòu)YOLE Development的市場(chǎng)研究報(bào)告，超結(jié)MOSFET在2018年占有10%左右的功率MOS市場(chǎng)份額，全球年銷售額約為6億美金，并長(zhǎng)期保持著5%左右的年增長(zhǎng)率。近年來(lái)，電動(dòng)汽車行業(yè)引領(lǐng)著全球功率器件市場(chǎng)的飛速增長(zhǎng)，IGBT器件和下一代半導(dǎo)體材料逐漸成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。但超結(jié)IGBT以及使用新材料制造的超結(jié)器件，有望在未來(lái)繼續(xù)扮演重要角色。
如今，全球幾乎所有排行前列的功率器件品牌，如英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美、瑞薩、東芝、富士等，都擁有規(guī)模龐大的超結(jié)器件產(chǎn)品線。這些生產(chǎn)線及其生產(chǎn)出來(lái)的優(yōu)質(zhì)超結(jié)器件產(chǎn)品將半導(dǎo)體芯片行業(yè)鞏固成為各自國(guó)家的技術(shù)支柱，并對(duì)電動(dòng)汽車、工業(yè)電氣、動(dòng)力機(jī)車、計(jì)算存儲(chǔ)、電力輸送等下游產(chǎn)業(yè)形成核心技術(shù)保護(hù)壁壘。目前，多家國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體龍頭企業(yè)，如華虹集團(tuán)、華潤(rùn)微電子、士蘭微等，也在近幾年緊跟步伐，推出了我國(guó)自主研發(fā)的超結(jié)產(chǎn)品。
超結(jié)的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用
超結(jié)MOSFET是目前功率器件市場(chǎng)的高端產(chǎn)品，可滿足高頻、高效、節(jié)能、小型化要求。主要特性是高耐壓、低比導(dǎo)通電阻（相同導(dǎo)通電阻時(shí)，產(chǎn)品面積比傳統(tǒng)VDMOS器件要小1/3以上）、高速度（開(kāi)關(guān)時(shí)間為傳統(tǒng)功率器件的1/2以下）。超級(jí)結(jié)產(chǎn)品是下一代新型小尺寸，低功耗電器的首選器件，但超級(jí)結(jié)器件自從90年代被發(fā)明后，加工生產(chǎn)一直被英飛凌、ST、仙童等幾家國(guó)際大型IDM公司所壟斷，一直到2012年，市場(chǎng)上的超級(jí)結(jié)產(chǎn)品也主要是這幾家公司的產(chǎn)品。
2008年在原華虹NEC公司時(shí)任COO雷海波先生（陳星弼教授的學(xué)生）的建議下，公司下定決心和客戶聯(lián)合開(kāi)發(fā)超結(jié)工藝，選定了走自主開(kāi)發(fā)深溝槽填充型超結(jié)MOSFET的技術(shù)路線，開(kāi)始了超級(jí)MOSFET工藝技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的道路。研發(fā)初期困難重重，特別是深寬比超過(guò)20:1的深溝槽刻蝕和深溝槽外延填充工藝的開(kāi)發(fā)，國(guó)外供應(yīng)商合作意愿不強(qiáng)且要價(jià)高。雷海波與技術(shù)團(tuán)隊(duì)一起通過(guò)自行設(shè)備改造和不斷的工藝優(yōu)化，在器件設(shè)計(jì)方面得到電子科技大學(xué)的大力支持，終于在2010年突破了該工藝技術(shù)的世界級(jí)難題，推出了獨(dú)特的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溝槽型 DT-SJNFET工藝平臺(tái)，打破了國(guó)際大公司的技術(shù)壁壘。與傳統(tǒng)的多層外延型 SJNFET 工藝相比，溝槽型結(jié)構(gòu)具有光刻層次少、制造周期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高溫特性好和性能提升潛力大等優(yōu)點(diǎn)。
兩種不同超結(jié)工藝產(chǎn)品的SEM照片
華虹集團(tuán)自主研發(fā)的深槽型超級(jí)結(jié)工藝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新型的深溝槽超級(jí)結(jié)制程工藝，提出了深溝槽超級(jí)結(jié)工藝平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了工藝平臺(tái)的穩(wěn)定生產(chǎn)，成為了業(yè)內(nèi)首個(gè)擁有深溝槽超級(jí)結(jié)（DT-SJ）MOSFET的8英寸代工企業(yè)，也是業(yè)界首家提供超級(jí)結(jié)工藝平臺(tái)為客戶生產(chǎn)制造超級(jí)結(jié)產(chǎn)品的晶圓代工公司。在技術(shù)上不斷更新迭代，持續(xù)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展浪潮，華虹集團(tuán)已成為全球功率器件晶圓制造領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，并且是全球首家同時(shí)在8英寸和12英寸生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)超結(jié)產(chǎn)品量產(chǎn)的純晶圓代工企業(yè)，華虹集團(tuán)已經(jīng)和全球近30家設(shè)計(jì)公司合作生產(chǎn)了數(shù)百種超級(jí)結(jié)產(chǎn)品，相應(yīng)電壓范圍可以涵蓋150~900V，電流范圍涵蓋1~100A，每月出貨量占全球市場(chǎng)的10%，累計(jì)出貨量已突破100萬(wàn)片晶圓，打破了超級(jí)結(jié)產(chǎn)品為幾家大型IDM公司壟斷的局面，為超級(jí)結(jié)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用、為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路產(chǎn)業(yè)化做出了重要貢獻(xiàn)。
陳星弼的心語(yǔ)
科研的創(chuàng)新總是布滿艱難，多有挫折之后才可望成功?！耙簧氜D(zhuǎn)千萬(wàn)里，莫問(wèn)成敗重幾許，得之坦然，失之淡然。與其在別人的輝煌里仰望，不如親手點(diǎn)亮自己的心燈，揚(yáng)帆遠(yuǎn)航……”，這是陳星弼的心語(yǔ)。他以及他所發(fā)明的超結(jié)結(jié)構(gòu)，為功率器件帶來(lái)了巨大的革命性的發(fā)展，為有限能源下人類的長(zhǎng)久生存做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。夜里，萬(wàn)家燈火，他留給了我們一幅最美的星圖。
科研工作中的陳星弼教授和胡思福教授
附：超結(jié)結(jié)構(gòu)詳述
功率半導(dǎo)體器件，又稱為電力電子器件，主要用于大功率電能變換的電力電子系統(tǒng)中。如果說(shuō)CPU是一臺(tái)電腦的“心臟”，功率器件則當(dāng)之無(wú)愧是一個(gè)電力電子系統(tǒng)的“心臟”。功率器件如今已應(yīng)用于家用消費(fèi)類電子設(shè)備、汽車電子系統(tǒng)、智能電網(wǎng)，以及各類工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、動(dòng)力機(jī)車、航天、通信系統(tǒng)等。比如近年來(lái)高速發(fā)展的手機(jī)快速充電技術(shù)，就是在功率器件的調(diào)節(jié)下，加大充電器的電流或提高充電電壓來(lái)提高充電速度。同樣，方興未艾的新能源汽車領(lǐng)域也時(shí)刻閃現(xiàn)著功率器件的身影。未來(lái)的科學(xué)和工業(yè)部門(mén)的技術(shù)進(jìn)步都在很大程度上受到功率器件發(fā)展?fàn)顩r影響。
功率半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)應(yīng)用
功率器件是作為功率開(kāi)關(guān)使用的，開(kāi)態(tài)下的理想狀態(tài)是電阻為零，關(guān)態(tài)下的理想狀態(tài)是電阻為無(wú)窮大。因此，如何降低功率器件的電阻，減少能量損耗，提高能源使用效率，是目前功率器件領(lǐng)域最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。而超結(jié)結(jié)構(gòu)正是目前解決這一問(wèn)題的最為有效的方法。
高壓功率器件結(jié)構(gòu)：
（a）LDMOS（b）VDMOS
高壓功率器件顯微照片：
（a）LDMOS （b）VDMOS
超結(jié)結(jié)構(gòu)能夠在器件的體內(nèi)引入額外的電場(chǎng)，大大降低了相同擊穿電壓下器件的導(dǎo)通電阻。相較于傳統(tǒng)器件，超結(jié)器件極大程度上減少了能量的損耗，實(shí)現(xiàn)了更為高效的能源使用效率。該結(jié)構(gòu)被陳星弼院士提出之后，迅速得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與超結(jié)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布圖
對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的VDMOS，器件主要靠單一的N型摻雜漂移區(qū)反向耐壓（N型半導(dǎo)體摻雜是通過(guò)將V族元素?fù)饺牍柚行纬傻?；同理，將III族元素?fù)饺牍柚行纬蒔型半導(dǎo)體）。從PN結(jié)結(jié)面開(kāi)始，電場(chǎng)逐漸減小。陰影部分的面積即是器件擊穿電壓的大小。為了提高擊穿電壓，就需要增大漂移區(qū)的厚度或減小漂移區(qū)摻雜濃度，但這樣的條件恰恰導(dǎo)致了導(dǎo)通電阻的增大，這就是我們常說(shuō)的“硅極限”，計(jì)算表明，傳統(tǒng)的硅基VDMOS中導(dǎo)通電阻正比于擊穿電壓的2.5次方。
為了解決硅極限的矛盾關(guān)系，陳星弼院士從1981年開(kāi)始研究如何降低功率MOSFET的導(dǎo)通電阻，并于1989年提出了超結(jié)結(jié)構(gòu)。超結(jié)的最大特點(diǎn)在于將原來(lái)單一摻雜的N型漂移區(qū)變成等劑量摻雜的N型和P型漂移區(qū)，這樣在反向耐壓時(shí)，兩種電荷橫向互相補(bǔ)償，縱向電場(chǎng)分布變得十分均勻，由此增大了器件的擊穿電壓。另外，超結(jié)結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)摻雜濃度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)漂移區(qū)更重，在提高擊穿電壓的同時(shí)也降低了器件的導(dǎo)通電阻。理論表明，超結(jié)結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的2.5次方關(guān)系降低至1.3次方，打破了硅極限。陳星弼院士的相關(guān)文章中指出，要實(shí)現(xiàn)500V的擊穿電壓，傳統(tǒng)器件漂移區(qū)的厚度需要33.34μm，摻雜濃度需要為2.9×1014cm-3，而超結(jié)器件的漂移區(qū)厚度僅需要27.64μm，摻雜濃度可提高至8.46×1015cm-3。這樣使得超結(jié)結(jié)構(gòu)的比導(dǎo)通電阻從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的62mΩ·cm2降至5.3mΩ·cm2，不到傳統(tǒng)器件的十分之一！
傳統(tǒng)MOSFET與超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)圖
傳統(tǒng)MOS與Super junction MOS的
BV、Ron關(guān)系圖
超結(jié)MOSFET結(jié)構(gòu)SEM照片
超結(jié)只是陳星弼院士眾多發(fā)明中的一個(gè)，他的其他發(fā)明，比如優(yōu)化橫向變摻雜技術(shù)、智能功率集成技術(shù)、高介電常數(shù)器件技術(shù)等，都具有非凡的科學(xué)意義，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域獲得了高度認(rèn)可，而且其中許多已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)屆開(kāi)花結(jié)果，為推動(dòng)電力電子技術(shù)的進(jìn)步提供著強(qiáng)勁的動(dòng)力。
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