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)芯片的年輕研究團隊緊張而期待。由他們設(shè)計的一款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，要進行超高壓測試。

　　之所以緊張，是因為他們沒有像國外科研機構(gòu)或企業(yè)那樣拾級而上，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，也考量著中國集成電路的工藝基礎(chǔ)。

　　不久前，測試結(jié)束，他們的產(chǎn)品阻斷電壓達到了7100伏以上。上海華虹NEC當即向外界宣布：“這標志著國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓高功率IGBT芯片，從設(shè)計研制到工藝開發(fā)的整體貫通，又上了一個新的臺階?！?/p>

　　“80后”的使命和機遇

　　“研制IGBT的最大難點在設(shè)計和工藝。”1980年出生的高個子領(lǐng)隊朱陽軍說。

　　朱陽軍介紹，IGBT芯片針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，按阻斷電壓等級進行分類。其中，6500伏系列是目前市場中電壓等級最高的產(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)計到制造工藝有很多難點，但其中最主要的難點是如何使阻斷電壓達到6500伏以上。

　　對他們而言，設(shè)計這樣的超高壓芯片，可謂困難重重。

　　首先，國內(nèi)IGBT芯片制造工藝基礎(chǔ)相對薄弱，且落后國外很多;其次，國內(nèi)從事IGBT芯片研制的人員稀缺，有經(jīng)驗的工程師甚少;其三，電壓越高，設(shè)計難度越大，而仿真軟件中的模型準確性也是一個問題，且設(shè)計周期會越來越長，終端設(shè)計會更加復(fù)雜困難;此外，設(shè)計與工藝需完美結(jié)合，同樣的設(shè)計在不同的生產(chǎn)線上會有不同的結(jié)果。

　　朱陽軍永遠記得中科院微電子所所長葉甜春的一句話，“青年人要敢于擔當，要有責任感和使命感”。

　　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、電動車、家用電器等關(guān)系國計民生的領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，中國市場對IGBT的需求量全球最大，每年保持著高速增長態(tài)勢。然而，中國的IGBT器件幾乎全部依賴進口。

　　“研制中國自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT芯片，就是這個團隊的重大使命之一?！比~甜春說。

　　葉甜春介紹，因關(guān)乎國計民生，自2007年開始，國家逐漸加大對該領(lǐng)域的研發(fā)支持。科技部、發(fā)改委、工信部等部門陸續(xù)加大科研和產(chǎn)業(yè)化投入，尤其2010年國家實施“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝”重大科技專項，重拳出擊，對整個電力電子產(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)研究室由此迎來新的拓展機遇。

　　該研究室主任韓鄭生介紹，早在2002年前后，實驗室即與上海通用合作，開展了1200伏IGBT的相關(guān)研究;2007年，研究所設(shè)立了專項資金，用于非穿通型(NPT)IGBT的開發(fā);到2010年國家大力支持這項研究時，研究室立即將IGBT方向從功率器件組剝離出來，組建了新的IGBT項目組。

　　“項目組當時只有兩三人，但經(jīng)過兩年的發(fā)展，現(xiàn)在已有近30人。這些新人，都是國內(nèi)自己培養(yǎng)的‘80后’碩士或博士?！表n鄭生說。

　　勇氣緣于積淀

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

　　2010年下半年，朱陽軍與組員討論后，作出了當時許多人無法理解的一個決定：聯(lián)合華虹NEC進軍溝槽柵IGBT設(shè)計。

　　溝槽柵是超高壓芯片領(lǐng)域最先進的設(shè)計理念，相比以往的平面柵，有很多性能和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，可大幅提高芯片市場競爭力，代表著IGBT產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要技術(shù)趨勢。

　　但此前，團隊里沒有任何人接觸過溝槽柵，即便國內(nèi)其他科研機構(gòu)也沒有成功開發(fā)的先例。

　　2010年8月，IGBT小組開始啃這塊硬骨頭。第一輪設(shè)計溝槽柵，他們整整花了2個月。大家在計算機上反復(fù)計算、模擬，確保每一個環(huán)節(jié)的精準。

　　2010年11月，由他們設(shè)計完成的芯片，在上海華虹NEC首輪流片時，靜態(tài)參數(shù)達到設(shè)計要求。2010年底，他們啟動1700伏溝槽柵IGBT的設(shè)計。3個月后，流片結(jié)果又通過測試，產(chǎn)品靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)均達標。

　　經(jīng)過幾輪合作，微電子所青年團隊和華虹NEC團隊之間已十分了解和信任。當朱陽軍看到華虹的優(yōu)越工藝基礎(chǔ)和實力之后，又一個大膽的設(shè)想產(chǎn)生了：憑借華虹NEC現(xiàn)有的工藝能力，采用國際最先進的設(shè)計技術(shù)，將芯片電壓直接提升幾個臺階。

　　經(jīng)過與華虹工藝師反復(fù)磋商和溝通，2011年7月，設(shè)計研究小組把準備在2013年才展開的6500伏IGBT研發(fā)計劃提前實施。

　　這一決定，直接跨越2500伏、3300伏、4500伏的3個技術(shù)臺階，并采用了國際最先進的被稱為“場截止”(FS)的技術(shù)。

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

　　“所長要求我們，要做企業(yè)沒有想到或看到的，幫企業(yè)做他們不能做到的。我們要根據(jù)國家需求，努力嘗試跨越?！敝礻栜娬f。

　　跨越了技術(shù)障礙，微電子所的青年團隊意氣風發(fā)。目前，他們正滿懷期待自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT芯片全系列產(chǎn)品，早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。