一篇文章讀懂超級結(jié)MOSFET的優(yōu)勢

平面式高壓MOSFET的結(jié)構(gòu)

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)進行重摻雜的方法，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，但是其導通電阻也急劇的增大。導通電阻隨電壓以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)載流子導電，可以降低導通壓降，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。

超級結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)

高壓的功率MOSFET的外延層對總的導通電阻起主導作用，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，在器件導通時，形成一個高摻雜N+區(qū)，作為功率MOSFET導通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開，分別設計在不同的區(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設計了一種商標CoolMOS，這種結(jié)構(gòu)從學術(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)

垂直導電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當MOS關(guān)斷時，形成兩個反向偏置的PN結(jié)：P和垂直導電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)生導電溝道，P和垂直導電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，而且垂直導電N+區(qū)兩邊都產(chǎn)生橫向水平電場，這樣垂直導電的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MOS導通時，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型導電溝道，同時，源極區(qū)的電子通過導電溝道進入垂直的N+區(qū)，中和N+區(qū)的正電荷空穴，從而恢復被耗盡的N+型特性，因此導電溝道形成，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計更低的導通電阻，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。

超結(jié)型結(jié)構(gòu)的工作原理

1、關(guān)斷狀態(tài)

從圖4中可以看到，垂直導電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當MOS關(guān)斷時，也就是G極的電壓為0時，橫向形成兩個反向偏置的PN結(jié)：P和垂直導電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)生導電溝道，左邊P和中間垂直導電N+形成PN結(jié)反向偏置，右邊P和中間垂直導電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。

當中間的N+的滲雜濃度和寬度控制得合適，就可以將中間的N+完全耗盡，如圖4(b)所示，這樣在中間的N+就沒有自由電荷，相當于本征半導體，中間的橫向電場極高，只有外部電壓大于內(nèi)部的橫向電場，才能將此區(qū)域擊穿，所以，這個區(qū)域的耐壓極高，遠大于外延層的耐壓，功率MOSFET管的耐壓主要由外延層來決定。

圖4：橫向電場及耗盡層

注意到，P+和外延層N-形成PN結(jié)也是反向偏置形，有利于產(chǎn)生更寬的耗盡層，增加垂直電場。

2、開通狀態(tài)

當G極加上驅(qū)動電壓時，在G極的表面將積累正電荷，同時，吸引P區(qū)的電子到表面，將P區(qū)表面空穴中和，在柵極下面形成耗盡層，如圖5示。隨著G極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，進一步吸引P區(qū)電子到表面，這樣，在G極下面的P型的溝道區(qū)中，積累負電荷，形成N型的反型層，同時，由于更多負電荷在P型表面積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來越減小，橫向的電場也越來越小。G極的電壓進一步提高，P區(qū)更寬范圍形成N型的反型層，最后，N+區(qū)域回到原來的高滲雜的狀態(tài)，這樣，就形成的低導通電阻的電流路徑，如圖5(c)所示。

圖5：超結(jié)型導通過程

另外還有一種介于平面和超結(jié)型結(jié)構(gòu)中間的類型，是AOS開發(fā)的一種專利結(jié)構(gòu)，雖然電流密度低于超結(jié)型，但抗大電流沖擊能力非常優(yōu)異。

圖6：介于平面和超結(jié)型結(jié)構(gòu)中間的類型

超級結(jié)結(jié)構(gòu)是高壓MOSFET技術(shù)的重大發(fā)展并具有顯著優(yōu)點，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設計工程師需要非常注意其系統(tǒng)設計，特別是減小PCB寄生效應。超結(jié)MOS管產(chǎn)品主要有以下幾種應用：1）電腦、服務器的電源——更低的功率損耗；2）適配器（筆記本電腦，打印機等）——更輕、更便捷；3）照明（HID燈，工業(yè)照明，道路照明等）——更高的功率轉(zhuǎn)換效率；4）消費類電子產(chǎn)品（液晶電視，等離子電視等）——更輕、更薄、更高能效。