平面MOSFET和超級結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)區(qū)別-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-01-06
基于超級結(jié)技術(shù)的功率MOSFET已成為高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的業(yè)界規(guī)范。它們提供更低的RDS(on)，同時具有更少的柵極和和輸出電荷，這有助于在任意給定頻率下保持更高的效率。在超級結(jié)MOSFET出現(xiàn)之前，高壓器件的主要設(shè)計平臺是基于平面技術(shù)。
圖1顯示了一種傳統(tǒng)平面式高壓MOSFET的簡單結(jié)構(gòu)。平面式MOSFET通常具有高單位芯片面積漏源導(dǎo)通電阻，并伴隨相對更高的漏源電阻。
使用高單元密度和大管芯尺寸可實現(xiàn)較低的RDS(on)值。但大單元密度和管芯尺寸還伴隨高柵極和輸出電荷，這會增加開關(guān)損耗和成本。另外還存在對于總硅片電阻能夠達(dá)到多低的限制。
器件的總RDS(on)可表示為通道、epi和襯底三個分量之和：
RDS(on) = Rch + Repi + Rsub
圖1：傳統(tǒng)平面式MOSFET結(jié)構(gòu)
圖2顯示平面式MOSFET情況下構(gòu)成RDS(on) 的各個分量。對于低壓MOSFET，三個分量是相似的。但隨著額定電壓增加，外延層需要更厚和更輕摻雜，以阻斷高壓。
額定電壓每增加一倍，維持相同的RDS(on)所需的面積就增加為原來的五倍以上。對于額定電壓為600V的MOSFET，超過95%的電阻來自外延層。
顯然，要想顯著減小RDS(on)的值，就需要找到一種對漂移區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s的方法，并大幅減小epi電阻。
圖2：平面式MOSFET的電阻性元件
通常，高壓的功率MOSFET采用平面型結(jié)構(gòu)，其中，厚的低摻雜的N-的外延層，即epi層，用來保證具有足夠的擊穿電壓，低摻雜的N-的epi層的尺寸越厚，耐壓的額定值越大，但是其導(dǎo)通電阻也急劇的增大。導(dǎo)通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長，這樣，就降低的電流的額定值。
為了得到一定的導(dǎo)通電阻值，就必須增大硅片的面積，成本隨之增加。如果類似于IGBT引入少數(shù)載流子導(dǎo)電，可以降低導(dǎo)通壓降，但是少數(shù)載流子的引入會降低工作的開關(guān)頻率，并產(chǎn)生關(guān)斷的電流拖尾，從而增加開關(guān)損耗。
高壓的功率MOSFET的外延層對總的導(dǎo)通電阻起主導(dǎo)作用，要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓，同時，降低導(dǎo)通電阻，最直觀的方法就是：
在器件關(guān)斷時，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級，同時，在器件導(dǎo)通時，形成一個高摻雜N+區(qū)，作為功率MOSFET導(dǎo)通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，分別設(shè)計在不同的區(qū)域，就可以實現(xiàn)上述的要求。
基于超結(jié)SuperJuncTIon的內(nèi)建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設(shè)計出的一種新型器件。內(nèi)建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖3所示。英飛凌最先將這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來，并為這種結(jié)構(gòu)的MOSFET設(shè)計了一種商標(biāo)CoolMOS，這種結(jié)構(gòu)從學(xué)術(shù)上來說，通常稱為超結(jié)型功率MOSFET。
圖3：內(nèi)建橫向電場的SuperJuncTIon結(jié)構(gòu)
垂直導(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當(dāng)MOS關(guān)斷時，形成兩個反向偏置的PN結(jié)：P和垂直導(dǎo)電N+、P+和外延epi層N-。
柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，P和垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)耗盡層增大，并建立橫向水平電場;同時，P+和外延層N-形成PN結(jié)也是反向偏置形，產(chǎn)生寬的耗盡層，并建立垂直電場。
由于垂直導(dǎo)電N+區(qū)摻雜濃度高于外延區(qū)N-的摻雜濃度，而且垂直導(dǎo)電N+區(qū)兩邊都產(chǎn)生橫向水平電場，這樣垂直導(dǎo)電的N+區(qū)整個區(qū)域基本上全部都變成耗盡層，即由N+變?yōu)镹-，這樣的耗盡層具有非常高的縱向的阻斷電壓，因此，器件的耐壓就取決于高摻雜P+區(qū)與低摻雜外延層N-區(qū)的耐壓。
當(dāng)MOS導(dǎo)通時，柵極和源極的電場將柵極下的P區(qū)反型，在柵極下面的P區(qū)產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道，同時，源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)入垂直的N+區(qū)，中和N+區(qū)的正電荷空穴，從而恢復(fù)被耗盡的N+型特性，因此導(dǎo)電溝道形成，垂直N+區(qū)摻雜濃度高，具有較低的電阻率，因此導(dǎo)通電阻低。
比較平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，可以發(fā)現(xiàn)，超結(jié)型結(jié)構(gòu)實際是綜合了平面型和溝槽型結(jié)構(gòu)兩者的特點，是在平面型結(jié)構(gòu)中開一個低阻抗電流通路的溝槽，因此具有平面型結(jié)構(gòu)的高耐壓和溝槽型結(jié)構(gòu)低電阻的特性。
內(nèi)建橫向電場的高壓超結(jié)型結(jié)構(gòu)與平面型結(jié)構(gòu)相比較，同樣面積的硅片可以設(shè)計更低的導(dǎo)通電阻，因此具有更大的額定電流值和雪崩能量。
由于要開出N+溝槽，它的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接制作：通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。前者工藝相對的容易控制，但工藝的程序多，成本高;后者成本低，但不容易保證溝槽內(nèi)性能的一致性。
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