中科院微电子所IGBT芯片研制：80后的跨越

中科院微电子所超高压绝缘栅双极晶体管（IGBT）芯片的年轻研究团队紧张而期待。由他们设计的一款IGBT芯片，在合作伙伴——上海华虹NEC电子有限公司的工艺线上流片完成，要进行超高压测试。
 
之所以紧张，是因为他们没有像国外科研机构或企业那样拾级而上，而是从1700伏直接向6500伏阻断电压冲刺。这次巨大的技术性跳跃，不仅考量着他们的能力，也考量着中国集成电路的工艺基础。
 
不久前，测试结束，他们的产品阻断电压达到了7100伏以上。上海华虹NEC当即向外界宣布：“这标志着国内自主知识产权的高压高功率IGBT芯片，从设计研制到工艺开发的整体贯通，又上了一个新的台阶。”
 
“80后”的使命和机遇
 
“研制IGBT的最大难点在设计和工艺。”1980年出生的高个子领队朱阳军说。
 
朱阳军介绍，IGBT芯片针对不同的应用领域，按阻断电压等级进行分类。其中，6500伏系列是目前市场中电压等级最高的产品，世界上只有欧洲、日本的极少数厂商拥有相关技术和生产能力。虽然从器件结构设计到制造工艺有很多难点，但其中最主要的难点是如何使阻断电压达到6500伏以上。
 
对他们而言，设计这样的超高压芯片，可谓困难重重。
 
首先，国内IGBT芯片制造工艺基础相对薄弱，且落后国外很多；其次，国内从事IGBT芯片研制的人员稀缺，有经验的工程师甚少；其三，电压越高，设计难度越大，而仿真软件中的模型准确性也是一个问题，且设计周期会越来越长，终端设计会更加复杂困难；此外，设计与工艺需完美结合，同样的设计在不同的生产线上会有不同的结果。
 
朱阳军永远记得中科院微电子所所长叶甜春的一句话，“青年人要敢于担当，要有责任感和使命感”。
 
那么，在微电子所，他们这一代人的使命是什么呢？
 
IGBT器件在电网、轨道交通、工业变频、新能源、电动车、家用电器等关系国计民生的领域都有着广泛应用，中国市场对IGBT的需求量全球最大，每年保持着高速增长态势。然而，中国的IGBT器件几乎全部依赖进口。
 
“研制中国自主知识产权的IGBT芯片，就是这个团队的重大使命之一。”叶甜春说。
 
叶甜春介绍，因关乎国计民生，自2007年开始，国家逐渐加大对该领域的研发支持。科技部、发改委、工信部等部门陆续加大科研和产业化投入，尤其2010年国家实施“极大规模集成电路制造装备与成套工艺”重大科技专项，重拳出击，对整个电力电子产业从原材料、芯片制造、模块封装三大关键环节给予强力支持。
 
中科院微电子所硅器件与集成技术研究室由此迎来新的拓展机遇。
 
该研究室主任韩郑生介绍，早在2002年前后，实验室即与上海通用合作，开展了1200伏IGBT的相关研究；2007年，研究所设立了专项资金，用于非穿通型（NPT）IGBT的开发；到2010年国家大力支持这项研究时，研究室立即将IGBT方向从功率器件组剥离出来，组建了新的IGBT项目组。
 
“项目组当时只有两三人，但经过两年的发展，现在已有近30人。这些新人，都是国内自己培养的‘80后’硕士或博士。”韩郑生说。
 
勇气缘于积淀
 
“年轻人基本没有任何设计经验，需要学习IGBT器件最基本的结构、原理、特性，以及仿真设计软件。这期间，多亏有经验的前辈传、帮、带。虽然年轻人学习周期很短、强度很大，但真有一些人从中脱颖而出。”朱阳军说。
 
2010年下半年，朱阳军与组员讨论后，作出了当时许多人无法理解的一个决定：联合华虹NEC进军沟槽栅IGBT设计。
 
沟槽栅是超高压芯片领域最先进的设计理念，相比以往的平面栅，有很多性能和经济上的优势，可大幅提高芯片市场竞争力，代表着IGBT产业未来发展的主要技术趋势。
 
但此前，团队里没有任何人接触过沟槽栅，即便国内其他科研机构也没有成功开发的先例。
 
2010年8月，IGBT小组开始啃这块硬骨头。第一轮设计沟槽栅，他们整整花了2个月。大家在计算机上反复计算、模拟，确保每一个环节的精准。
 
2010年11月，由他们设计完成的芯片，在上海华虹NEC首轮流片时，静态参数达到设计要求。2010年底，他们启动1700伏沟槽栅IGBT的设计。3个月后，流片结果又通过测试，产品静态和动态参数均达标。
 
经过几轮合作，微电子所青年团队和华虹NEC团队之间已十分了解和信任。当朱阳军看到华虹的优越工艺基础和实力之后，又一个大胆的设想产生了：凭借华虹NEC现有的工艺能力，采用国际最先进的设计技术，将芯片电压直接提升几个台阶。
 
经过与华虹工艺师反复磋商和沟通，2011年7月，设计研究小组把准备在2013年才展开的6500伏IGBT研发计划提前实施。
 
这一决定，直接跨越2500伏、3300伏、4500伏的3个技术台阶，并采用了国际最先进的被称为“场截止”（FS）的技术。
 
韩郑生认为，“尽管从平面栅到沟槽栅的设计理念完全不同，从1700伏直接到6500伏，从非穿通型（NPT）到场截止型（FS）有着巨大的跨越，但微电子所的历史积淀和文化氛围，给了年轻人开拓创新的深厚根基和拼搏向上的源动力”。
 
“所长要求我们，要做企业没有想到或看到的，帮企业做他们不能做到的。我们要根据国家需求，努力尝试跨越。”朱阳军说。
 
跨越了技术障碍，微电子所的青年团队意气风发。目前，他们正满怀期待自主知识产权的IGBT芯片全系列产品，早日实现产业化。