中科院微電子所IGBT芯片研制:80后的跨越

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　　中科院微電子所超高壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片的年輕研究團(tuán)隊(duì)緊張而期待。由他們?cè)O(shè)計(jì)的一款I(lǐng)GBT芯片，在合作伙伴——上海華虹NEC電子有限公司的工藝線上流片完成，要進(jìn)行超高壓測(cè)試。

　　之所以緊張，是因?yàn)樗麄儧](méi)有像國(guó)外科研機(jī)構(gòu)或企業(yè)那樣拾級(jí)而上，而是從1700伏直接向6500伏阻斷電壓沖刺。這次巨大的技術(shù)性跳躍，不僅考量著他們的能力，也考量著中國(guó)集成電路的工藝基礎(chǔ)。

　　不久前，測(cè)試結(jié)束，他們的產(chǎn)品阻斷電壓達(dá)到了7100伏以上。上海華虹NEC當(dāng)即向外界宣布：“這標(biāo)志著國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓高功率IGBT芯片，從設(shè)計(jì)研制到工藝開(kāi)發(fā)的整體貫通，又上了一個(gè)新的臺(tái)階。”

　　“80后”的使命和機(jī)遇

　　“研制IGBT的最大難點(diǎn)在設(shè)計(jì)和工藝。”1980年出生的高個(gè)子領(lǐng)隊(duì)朱陽(yáng)軍說(shuō)。

　　朱陽(yáng)軍介紹，IGBT芯片針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，按阻斷電壓等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)。其中，6500伏系列是目前市場(chǎng)中電壓等級(jí)最高的產(chǎn)品，世界上只有歐洲、日本的極少數(shù)廠商擁有相關(guān)技術(shù)和生產(chǎn)能力。雖然從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造工藝有很多難點(diǎn)，但其中最主要的難點(diǎn)是如何使阻斷電壓達(dá)到6500伏以上。

　　對(duì)他們而言，設(shè)計(jì)這樣的超高壓芯片，可謂困難重重。

　　首先，國(guó)內(nèi)IGBT芯片制造工藝基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，且落后國(guó)外很多;其次，國(guó)內(nèi)從事IGBT芯片研制的人員稀缺，有經(jīng)驗(yàn)的工程師甚少;其三，電壓越高，設(shè)計(jì)難度越大，而仿真軟件中的模型準(zhǔn)確性也是一個(gè)問(wèn)題，且設(shè)計(jì)周期會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，終端設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜困難;此外，設(shè)計(jì)與工藝需完美結(jié)合，同樣的設(shè)計(jì)在不同的生產(chǎn)線上會(huì)有不同的結(jié)果。

　　朱陽(yáng)軍永遠(yuǎn)記得中科院微電子所所長(zhǎng)葉甜春的一句話，“青年人要敢于擔(dān)當(dāng)，要有責(zé)任感和使命感”。

　　那么，在微電子所，他們這一代人的使命是什么呢?

　　IGBT器件在電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)變頻、新能源、電動(dòng)車(chē)、家用電器等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)IGBT的需求量全球最大，每年保持著高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而，中國(guó)的IGBT器件幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。

　　“研制中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IGBT芯片，就是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的重大使命之一?！比~甜春說(shuō)。

　　葉甜春介紹，因關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，自2007年開(kāi)始，國(guó)家逐漸加大對(duì)該領(lǐng)域的研發(fā)支持。科技部、發(fā)改委、工信部等部門(mén)陸續(xù)加大科研和產(chǎn)業(yè)化投入，尤其2010年國(guó)家實(shí)施“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝”重大科技專(zhuān)項(xiàng)，重拳出擊，對(duì)整個(gè)電力電子產(chǎn)業(yè)從原材料、芯片制造、模塊封裝三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)給予強(qiáng)力支持。

　　中科院微電子所硅器件與集成技術(shù)研究室由此迎來(lái)新的拓展機(jī)遇。

　　該研究室主任韓鄭生介紹，早在2002年前后，實(shí)驗(yàn)室即與上海通用合作，開(kāi)展了1200伏IGBT的相關(guān)研究;2007年，研究所設(shè)立了專(zhuān)項(xiàng)資金，用于非穿通型(NPT)IGBT的開(kāi)發(fā);到2010年國(guó)家大力支持這項(xiàng)研究時(shí)，研究室立即將IGBT方向從功率器件組剝離出來(lái)，組建了新的IGBT項(xiàng)目組。

　　“項(xiàng)目組當(dāng)時(shí)只有兩三人，但經(jīng)過(guò)兩年的發(fā)展，現(xiàn)在已有近30人。這些新人，都是國(guó)內(nèi)自己培養(yǎng)的‘80后’碩士或博士。”韓鄭生說(shuō)。

　　勇氣緣于積淀

　　“年輕人基本沒(méi)有任何設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要學(xué)習(xí)IGBT器件最基本的結(jié)構(gòu)、原理、特性，以及仿真設(shè)計(jì)軟件。這期間，多虧有經(jīng)驗(yàn)的前輩傳、幫、帶。雖然年輕人學(xué)習(xí)周期很短、強(qiáng)度很大，但真有一些人從中脫穎而出。”朱陽(yáng)軍說(shuō)。

　　2010年下半年，朱陽(yáng)軍與組員討論后，作出了當(dāng)時(shí)許多人無(wú)法理解的一個(gè)決定：聯(lián)合華虹NEC進(jìn)軍溝槽柵IGBT設(shè)計(jì)。

　　溝槽柵是超高壓芯片領(lǐng)域最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，相比以往的平面柵，有很多性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，可大幅提高芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，代表著IGBT產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要技術(shù)趨勢(shì)。

　　但此前，團(tuán)隊(duì)里沒(méi)有任何人接觸過(guò)溝槽柵，即便國(guó)內(nèi)其他科研機(jī)構(gòu)也沒(méi)有成功開(kāi)發(fā)的先例。

　　2010年8月，IGBT小組開(kāi)始啃這塊硬骨頭。第一輪設(shè)計(jì)溝槽柵，他們整整花了2個(gè)月。大家在計(jì)算機(jī)上反復(fù)計(jì)算、模擬，確保每一個(gè)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)。

　　2010年11月，由他們?cè)O(shè)計(jì)完成的芯片，在上海華虹NEC首輪流片時(shí)，靜態(tài)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2010年底，他們啟動(dòng)1700伏溝槽柵IGBT的設(shè)計(jì)。3個(gè)月后，流片結(jié)果又通過(guò)測(cè)試，產(chǎn)品靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)均達(dá)標(biāo)。

　　經(jīng)過(guò)幾輪合作，微電子所青年團(tuán)隊(duì)和華虹NEC團(tuán)隊(duì)之間已十分了解和信任。當(dāng)朱陽(yáng)軍看到華虹的優(yōu)越工藝基礎(chǔ)和實(shí)力之后，又一個(gè)大膽的設(shè)想產(chǎn)生了：憑借華虹NEC現(xiàn)有的工藝能力，采用國(guó)際最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，將芯片電壓直接提升幾個(gè)臺(tái)階。

　　經(jīng)過(guò)與華虹工藝師反復(fù)磋商和溝通，2011年7月，設(shè)計(jì)研究小組把準(zhǔn)備在2013年才展開(kāi)的6500伏IGBT研發(fā)計(jì)劃提前實(shí)施。

　　這一決定，直接跨越2500伏、3300伏、4500伏的3個(gè)技術(shù)臺(tái)階，并采用了國(guó)際最先進(jìn)的被稱(chēng)為“場(chǎng)截止”(FS)的技術(shù)。

　　韓鄭生認(rèn)為，“盡管從平面柵到溝槽柵的設(shè)計(jì)理念完全不同，從1700伏直接到6500伏，從非穿通型(NPT)到場(chǎng)截止型(FS)有著巨大的跨越，但微電子所的歷史積淀和文化氛圍，給了年輕人開(kāi)拓創(chuàng)新的深厚根基和拼搏向上的源動(dòng)力”。

　　“所長(zhǎng)要求我們，要做企業(yè)沒(méi)有想到或看到的，幫企業(yè)做他們不能做到的。我們要根據(jù)國(guó)家需求，努力嘗試跨越。”朱陽(yáng)軍說(shuō)。

　　跨越了技術(shù)障礙，微電子所的青年團(tuán)隊(duì)意氣風(fēng)發(fā)。目前，他們正滿(mǎn)懷期待自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IGBT芯片全系列產(chǎn)品，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。