功率高压MOS器件关键技术与应用.doc

国家科学技术进步奖公示材料项目名称：功率高压MOS器件关键技术与应用推荐单位意见推荐意见：该成果深究功率高压MOS器件的耐压与比导通电阻之制约关系，建立功率高压MOS器件优化设计理论，其中非全耗尽新模式和R-阱全域优化法实现功率MOS器件更低比导通电阻；等效衬底模型揭示衬底辅助耗尽效应的物理机制，获得理想衬底条件提高耐压。提出横向功率高压MOS器件衬底终端技术，解决小曲率导致的低耐压瓶颈问题。据此，发明并研制出两类新型功率高压MOS器件。该成果创建国内首个功率高压超结MOS器件量产平台暨全球首个深槽工艺8英寸超结MOS器件代工平台；建立超低比导通电阻700V BCD量产平台和功率高压SOI量产代工平台。相关工艺平台已为全球230余家企业提供芯片量产代工服务，并为三星、飞利浦等知名整机厂家提供半导体芯片生产服务。应装备急需，研制出系列SOI高压集成电路芯片及硅基高压栅驱动芯片，装备于飞机、雷达、电台等，提高了装备性能。该成果发表论文138篇，含SCI收录71篇，申请美国、中国发明专利140项，其中已授权美国专利4项、中国发明专利66项。提出的理论和技术具有普适性，器件结构为国际先进，部分指标达到国际领先。创建的工艺平台推动了我国功率半导体行业的发展，仅平台所产LED照明驱动芯片累计销售50亿颗，市场占有率位列LED照明驱动芯片市场全球第一名，直接经济效益超过30亿元，经济和社会效益很好。为国内外培养大批功率半导体领域专业技术人才，并促进成果完成单位成为功率半导体领域国内一流、国际知名强队。推荐该项目为国家科学技术进步奖一等奖。项目简介本成果属国家重点发展的新一代信息技术领域和半导体器件与技术学科。功率半导体是节能减排的核心和基础，75%以上的电能需其变换后才能使用。本成果研究的功率高压MOS器件是功率半导体的主流器件，也是其单一市场容量最大的器件。功率高压MOS器件的两个最基本参数是击穿电压VB和比导通电阻Ron,sp，二者极限关系的科学问题一直是研究热点。早在2000年，成果主要完成人就对功率超结MOS器件的安全工作区进行研究，被誉为开拓性工作。积十余载创新研究，本成果提出功率高压MOS器件的一项理论、一项关键技术和两类新结构，并创建三个量产工艺平台。其创新点分述如下：（一）提出功率高压MOS器件电荷平衡理论提出功率高压MOS器件的电荷平衡理论：包括新工作模式、R-阱全域优化法和等效衬底模型。该理论揭示复杂电荷场调制机理，获得功率高压MOS器件三维势场、Ron,sp全域函数分布和结构参数定量设计式。该理论普适于功率高压MOS器件优化设计。（二）创建功率高压MOS器件衬底终端技术基于上述理论，创建功率高压MOS器件衬底终端技术，削弱电场集中效应，突破小曲率耐压瓶颈，实现衬底终端的新电荷平衡，大幅提升器件耐压。该技术与常规BCD工艺兼容，兼具高性能、低成本之优点。（三）发明并研制出两类功率高压MOS器件在上述理论和技术指导下，发明横向表面低阻器件和纵向低损耗器件两类新结构。研制出超结型和表面高掺杂型两种横向高压MOS器件，前者耐压达到业界报道最高实验值，后者Ron,sp性能达到国际领先。（四）首创三个产业链量产平台创建校企“强-强”合作模式，实现“一流设计 + 一流代工”。建立全球首个8英寸深槽工艺功率超结MOS器件代工平台，也是国内第一个超结MOS器件量产平台；建立超低Ron,sp 700V BCD量产平台和高压SOI量产代工平台。（五）推动中国功率半导体行业进步，促进中国制造2025成果推动中国功率半导体行业技术升级，产品换代，实现跨越式发展；关键技术用于三星、Philips等国际知名用户产品，相关平台已为全球230余家企业提供芯片量产代工服务。仅利用平台量产的LED照明芯片，累计销售50亿颗，市场占有率位列全球第一，用于Philips、GE等全球200余家客户。成果发表论文138篇，含SCI收录71篇，申请国际、国内发明专利140项，其中已授权美国专利4项、中国发明专利66项；成果针对功率半导体领域市场容量最大的功率高压MOS器件开展研究，所提出的理论和技术具有普适性，器件结构为国际先进，部分指标达到国际领先；创建的工艺平台推动了我国功率半导体行业的发展，仅所产LED照明驱动芯片累计销售50亿颗，为全球第一；直接经济效益超过30亿元，取得很好的经济和社会效益。成果完成团队已培养博士46名、硕士500余名，他们已成为国内外功率半导体领域骨干；完成单位已成为国内一流、国际强队，并将为国际国内功率半导体的发展作出更大贡献。13客观评价（1）科技成果鉴定川科鉴字2016第48号提出的理论对功率半导体电荷平衡器件设计具有普适性；基于该理论研制的横向高压器件整体技术达到国际先进水平，其中高压DMOS器件耐压与比导通电阻优化设计技术居于国际领先水平，经济和社会效益显著。见附件4川科鉴字2016第50号衬底终端技术整体技术达到国际先进水平，其中具有表面低阻通道的Triple RESURF LDMOS和超结LDMOS器件设计技术居国际领先水平。见附件5（2） 同行评价美国国家工程院院士、欧洲科学院院士、IEEE Fellow B. Jayant Baliga在其专著Advanced Power MOSFET Concepts第七章SJ-MOSFET Structure 和英国皇家工程院院士、剑桥大学教授、IEEE Fellow Florin Udrea在其论文中引用了成果中关于超结器件开态击穿的机理。见附件462015年由Badih El-Kareh（在IBM、TI、Dongbu HiTek公司有40年以上工作经历）和Lou N. Hutter（Cricket Semiconductor Founder，在TI、Dongbu HiTek公司有30年以上工作经历）撰写的Silicon Analog Components: Device Design, Process Integration, Characterization, and Reliability书中，引用的2篇Triple RESURF结构文章，其中一篇即为本成果所发表的论文。见附件46IEEE Life Fellow Takuo Sugano和IEEE Fellow Toru Toyabe在其论文中评价该成果中提出的SOI槽型结构在增强击穿电压方面具有显著的优势。见附件46发表于IET Electronics Letters的关于700V BCD工艺集成的研究论文因创新性突出，作者被IET Electronics Letters杂志专访并在杂志上发表了专访文章。见附件47发表的论文“A 0.35 m 700 V BCD Technology with Self-Isolated and Non-Isolated Ultra-low Specific On-Resistance DB-nLDMOS”作为IEEE ISPSD 2013会议大会报告进行宣读，世界最大的综合信息机构日本经济新闻集团报道了项目团队的文章宣读情况，并以“亚洲企业在功率半导体领域实力迅速增强”为题进行了报道。见附件48（3） 行业影响 第一完成人张波教授2013年入选国家“有突出贡献中青年专家”和“国家百千万人才工程”，是国内外功率半导体器件领域著名学者。他担任多个国际著名期刊的副主编/编辑及会议委员，包括： 电子器件领域国际顶级期刊IEEE TED Editor，与前ISPSD大会主席美国Darwish博士、英国工程技术学会会士Narayanan教授和英国皇家工程院院士Florin Udrea教授一起负责IEEE TED固态功率与高压器件领域的编辑工作，是中国大陆学者首次出任该领域编辑。 多个国际学术会议主席/共同主席/副主席/TPC成员，如他是中国大陆地区首批入选国际功率半导体技术领域顶级会议IEEE ISPSD的两位TPC成员之一，并作为ISPSD 2015 TPC唯一副主席，对IEEE ISPSD首次在大中国区举行做出了重要贡献。 2014年入选IEEE功率半导体器件与集成电路技术委员会，成为该委员会当届全球12名委员之一。项目主要完成团队-电子科技大学功率技术实验室是近十年在ISPSD发表文章最多的团队，被国内外同行誉为全球功率半导体技术领域研究最系统和最大的学术团队。项目完成单位上海华虹宏力半导体制造有限公司是全球具領先地位的200mm纯晶圆代工厂，为全球第二大200mm纯晶圆代工厂。项目完成单位无锡华润微电子有限公司是中国本土规模和影响力最大的综合性微电子企业之一。项目完成单位上海晶丰明源半导体有限公司市场占有率位列LED照明驱动芯片细分市场的全球第一名。（4）专著情况何杰，夏建白，半导体科学与技术（张波，李肇基：第7章 功率半导体器件与功率集成电路），科学出版社，2007年。见附件44总装备部电子信息基础部，军用电子元器件（张波：第一篇 微电子器件，第6章 功率半导体器件与功率集成电路），国防工业出版社，2009年。见附件45（5）特邀报告2012、2014、2016年连续三届IEEE ICSICT 国际会议多人次担任Session Chair，3人次作邀请报告。20余人次在中国半导体行业协会分立器件年会、中国集成电路产业促进大会、IC CHINA高峰论坛、全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会等作关于功率半导体技术的大会邀请报告。（6）人才培养第一完成人张波教授领导的电子科技大学功率集成技术实验室被誉为“全球功率半导体技术领域研究最为系统和最大的学术团队”，团队专注于功率半导体技术研究，目前拥有9名教授、11名副教授，200余名在读博士和硕士研究生，已培养出博士46名、硕士500余名，众多毕业学生已成为国内外功率半导体领域骨干。推广应用情况2000年开始，电子科技大学着手开展成果相关的功率高压MOS器件关键技术研究，并与上海华虹宏力半导体制造有限公司、无锡华润微电子有限公司、上海晶丰明源半导体有限公司、四川长虹电器股份有限公司及中国电子科技集团公司第五十八研究所合作，进行研究成果应用转化。电子科技大学功率集成技术实验室提出的功率高压MOS器件关键技术相关研究成果已形成具有独特优势的功率高压MOS器件和高压功率IC产品，应用于手机、太阳能、服务器、电信设备、UPS、充电桩、LED照明、显示驱动等领域。基于该项目成果，电子科技大学与上海华虹宏力半导体制造有限公司、无锡华润微电子有限公司、上海晶丰明源半导体有限公司、四川长虹电器股份有限公司以及中国电子科技集团公司第五十八研究所开展紧密合作，取得良好的经济效益和社会效益。该项目近三年累计产生直接经济效益超过30亿元。主要应用单位情况表应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人/电话应用情况上海华虹宏力半导体制造有限公司功率高压MOS器件关键技术2009 年6 月- 至今何雯为全球约30家客户提供量产代工服务。无锡华润微电子有限公司功率高压MOS器件关键技术2007 年3 月- 至今苏巍为全球200余家集成电路设计企业提供量产代工服务。上海晶丰明源半导体有限公司功率高压MOS器件关键技术2011 年01 月 至今张宜计销售芯片50亿颗，用于全球200余家客户，销售额位居全球LED照明驱动芯片市场第一名。四川长虹电器股份有限公司功率高压MOS器件关键技术2009 年1 月- 至今刘予川制出高压显示驱动芯片，实现装机量产。中国电子科技集团公司第五十八研究所功率高压MOS器件关键技术2004 年3 月 - 至今汤赛楠制出系列SOI高压集成电路芯片及硅基高压栅驱动芯片，装备于飞机、雷达、电台等，极大地提高了装备性能。主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利High voltage LDMOS device美国US8598658B22013年12月03日US008598658B2电子科技大学方健, 陈吕赟,李文昌, 管超, 吴琼乐, 柏文斌, 王泽华有效发明专利Trench-type semiconductor power devices美国US8890280B22014年11月18日US008890280B2电子科技大学罗小蓉, 姚国亮,雷天飞, 王元刚,张波有效发明专利一种横向高压功率器件的结终端结构中国ZL201310174274.82015年06月17日第1700119号电子科技大学乔明, 吴文杰, 李燕妃, 温恒娟, 陈涛, 胡利志, 周锌, 张波有效发明专利SOI devices for plasma display panel driver chip美国US8704329B22014年04月22日US008704329B2电子科技大学乔明, 罗波, 胡曦, 叶俊, 张波, 李肇基有效发明专利SOI lateral MOSFET devices美国US8716794B22014年05月06日US008716794B2电子科技大学罗小蓉, Florin Udrea有效发明专利一种非外延高压BCD器件的制备方法中国ZL201010531896.82013年01月09日第1116434号电子科技大学李泽宏, 姜贯军, 余士江, 谢加雄, 张帅, 胡涛, 李婷, 张超, 任敏, 肖璇, 张波有效发明专利一种横向高压功率器件的结终端结构中国ZL201310174274.82015年06月17日第1700119号电子科技大学乔明, 吴文杰, 李燕妃, 温恒娟, 陈涛, 胡利志, 周锌, 张波有效发明专利一种超结功率器件及其制造方法中国ZL201310420420.02016年03月02日第1965032号电子科技大学任敏, 李果, 宋询奕, 顾鸿鸣, 吴明进, 张鹏, 曾智, 李泽宏, 张金平, 张波有效发明专利一种超低比导通电阻的横向高压功率器件及制造方法中国ZL201310177386.92016年03月23日第1997837号电子科技大学乔明, 李燕妃, 周锌, 蔡林希, 许琬, 吴文杰, 张波有效发明专利一种超结功率器件终端结构中国ZL201210443873.02015年05月27日第1678603号电子科技大学任敏, 李果, 宋询奕, 张鹏, 王娜, 邓光敏, 夏小军, 张蒙, 李泽宏, 张金平, 张波 有效主要完成人情况姓 名张波排名1行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：功率高压MOS器件关键技术与应用项目总负责人与技术方案指导，建立功率高压MOS器件设计理论、提出横向功率高压MOS器件衬底终端技术和功率高压MOS器件新结构，并牵头与合作单位开发建立多个量产工艺平台，推动相关产品市场化应用，对本项目的创新点1、创新点2、创新点3、创新点4和创新点5都作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201110097449.0，ZL201310077827.8，ZL201310526919.X等；论文IEEE TED 2012-7，IEEE TED 2014-2，IEEE TED 2014-12，ISPSD 2011，ISPSD 2013等。姓 名乔明排名2行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出横向功率高压MOS器件衬底终端技术和功率高压MOS器件新结构，并与合作单位开发建立了超低比导通电阻700V BCD量产工艺平台和功率高压SOI平台，对本项目的创新点1、创新点2、创新点3，创新点4和创新点5都作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201110166312.6，ZL201310174274.8，ZL201310078793.4，ZL201310177386.9等；论文IEEE EDL 2012-10，IEEE EDL 2014-7，IEEE TED 2015-6，IEEE TED 2015-12，ISPSD 2011，ISPSD 2012等。姓 名罗小蓉排名3行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出功率高压MOS器件新结构，对本项目的创新点1、创新点3和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利US8890280B2，ZL201110051878.4，ZL201310202668.X等；论文IEEE EDL 2011-2，IEEE TED 2012-2，IEEE TED 2013-9，IEEE TED 2014-12，ISPSD 2014，ICSICT 2014特邀报告等。姓 名金锋排名4行政职务科长技术职称工程师工作单位上海华虹宏力半导体制造有限公司完成单位上海华虹宏力半导体制造有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化超低比导通电阻700V LDMOS器件，与合作单位一起建立超低比导通电阻700V BCD量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5都作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201010027316.1，ZL201210101388.5；论文IEEE TED 2015-9等。姓 名李泽宏排名5行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出功率高压MOS器件新结构，并与合作单位开发建立功率高压MOS器件量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201110128037.9，ZL201310726023.6，ZL201310638191.X等；论文IEEE PE 2011-5，IEEE PE 2016-6，IEEE TED 2014-2，ISPSD 2013等。姓 名张森排名6行政职务工艺开发高级经理技术职称工程师工作单位无锡华润微电子有限公司完成单位无锡华润微电子有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化超低比导通电阻700V LDMOS器件，与合作单位一起建立超低比导通电阻700V BCD量产工艺平台，对本项目创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：论文ISPSD 2013等。姓 名任敏排名7行政职务无技术职称副教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出功率高压MOS器件新结构，并与合作单位开发建立功率高压MOS器件量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201210187423.X，ZL201310420420.0等；论文CPB 2012-4，ICCCAS 2013，IEEE PE 2011-5等。姓 名毛焜排名8行政职务无技术职称工程师工作单位上海晶丰明源半导体有限公司完成单位上海晶丰明源半导体有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化横向功率高压MOS器件新结构，与合作单位开发建立700V BCD量产工艺平台，并研制芯片产品，对本项目中创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：论文EL 2013-21，EL 2014-3，ISPSD 2013等。姓 名方健排名9行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出横向功率高压MOS器件新结构，并与合作单位开发建立BCD量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利US8598658B2，ZL201010523557.5，ZL201010523281.0等；论文ISPSD 2013，CPB 2013-6，Journal of Semiconductors 2014-1等。姓 名李肇基排名10行政职务无技术职称教授工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：建立功率高压MOS器件设计理论，提出横向功率高压MOS器件衬底终端技术，对本项目的创新点1，创新点2和创新点3作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201110075550.6，ZL201310202668.X等；论文IEEE TED2015-11，IEEE TED-2015，ISPSD 2014等。姓 名章文通排名11行政职务无技术职称无工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：提出功率高压MOS器件设计理论，并提出功率高压MOS器件新结构，对本项目的创新点1，创新点3和创新点4作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201310421765.8，ZL201310526919.X等；论文IEEE TED-2014，IEEE ISPSD-2013等。姓 名梁涛排名12行政职务无技术职称工程师工作单位四川长虹电器股份有限公司完成单位四川长虹电器股份有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化横向功率高压MOS器件新结构，与合作单位开发建立功率高压SOI平台，并研制高压显示驱动电路产品，对本项目中的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201010253170.2，ZL200910312670.6等；论文Supperlattices and Microstructures 2016等。姓 名王飞排名13行政职务无技术职称工程师工作单位上海华虹宏力半导体制造有限公司完成单位上海华虹宏力半导体制造有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化纵向超结功率高压MOS器件，与合作单位开发建立功率高压MOS器件的量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：论文Journal of Semiconductors 2010-8等。姓 名计建新排名14行政职务研发中心助理总经理技术职称工程师工作单位无锡华润微电子有限公司完成单位无锡华润微电子有限公司对本项目技术创造性贡献：设计、优化纵向超结功率高压MOS器件，与合作单位开发建立功率高压MOS器件量产工艺平台，对本项目的创新点3，创新点4和创新点5作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为中国电力电子产业发展高峰论坛论文等。姓 名周锌排名15行政职务无技术职称无工作单位电子科技大学完成单位电子科技大学对本项目技术创造性贡献：设计、优化横向功率高压MOS器件新结构，对本项目的创新点3和创新点4作出了创造性贡献。支持本人贡献的旁证材料为：发明专利ZL201310526025.0，ZL201310177386.9等；论文IEEE EDL-2012，IEEE TED-2015等。主要完成单位及创新推广贡献单位名称电子科技大学对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：电子科技大学对本项目的贡献是提出功率高压MOS器件设计理论、衬底终端技术和两类新结构，并参与创建三个量产工艺平台，实现四项创新：（1）建立功率高压MOS器件设计理论，包括新工作模式、等效衬底模型和R-阱全域优化法。（2）提出功率高压MOS器件衬底终端技术，解决可集成横向功率高压MOS器件普遍存在的小曲率结低耐压瓶颈问题。（3）发明并研制两类功率高压MOS器件，包括横向表面低阻功率高压MOS器件和纵向低损耗功率高压MOS器件两类结构。（4）与合作单位一起创建产业链量产工艺平台，包括国内首个功率高压超结MOS器件量产平台，超低Ron,sp的700V BCD量产平台和功率高压SOI量产代工平台。单位名称上海华虹宏力半导体制造有限公司对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：基于电子科技大学提出的功率高压MOS器件关键技术，合作建立了硅基700V高压BCD工艺平台和系列超结MOS工艺平台，已为IXYS、KEC，虹冠电子（CHAMPION），上海晶丰明源半导体有限公司(BPS)等全球约30家客户提供量产代工服务。单位名称无锡华润微电子有限公司对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：多年来华润微电子有限公司一直坚持产学研合作，自2007年起即与电子科技大学建立了合作关系。基于电子科技大学提出的功率高压MOS器件关键技术，双方已合作建立了硅基高压BCD系列工艺平台、SOI高压工艺平台和系列化功率高压MOS器件平台，产品系列包括500V-700V高压BCD、功率高压SOI、功率高压MOS等，已为深圳市明微电子股份有限公司、上海晶丰明源半导体有限公司、O2 Micro 等全球200余家集成电路设计企业提供量产代工服务，并为三星、华为、小米、康佳、海信、海尔、美的、九阳、伊顿（UPS）、立达信(LED)等知名整机厂家提供集成电路产品与器件生产服务。单位名称上海晶丰明源半导体有限公司对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：基于电子科技大学提出的功率高压MOS器件关键技术，利用本成果所开发的工艺平台，量产了LED照明芯片，形成60余款产品，累计销售芯片50亿颗，用于Philips、GE、阳光照明、欧普照明、得邦照明等全球200余家客户，使得销售额位居全球LED照明驱动芯片市场第一名。单位名称四川长虹电器股份有限公司对本项目科技创新和推广应用情况的贡献：基于电子科技大学提出的功率高压MOS器件关键技术，与电子科技大学和无锡华润微电子有限公司一起建立了功率高压SOI量产平台，并合作研制出高压显示驱动芯