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  • 平面MOSFET與超級結MOSFET的結構區別
    • 發布時間:2023-04-20 17:54:09
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    平面MOSFET與超級結MOSFET的結構區別
    基于超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業界規范。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MOSFET出現之前,高壓器件的主要設計平臺是基于平面技術。
    平面式高壓MOSFET的結構
    圖1顯示了一種傳統平面式高壓MOSFET的簡單結構。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
    平面 超級結 MOSFET 結構
    圖1:傳統平面式MOSFET結構
    圖2顯示平面式MOSFET情況下構成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進行重摻雜的方法,并大幅減小epi電阻。
    平面 超級結 MOSFET 結構
    圖2:平面式MOSFET的電阻性元件
    通常,高壓的功率MOSFET采用平面型結構,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引入少數載流子導電,可以降低導通壓降,但是少數載流子的引入會降低工作的開關頻率,并產生關斷的電流拖尾,從而增加開關損耗。
    超級結MOSFET的結構
    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,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域,就可以實現上述的要求。
    基于超結SuperJuncTIon的內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。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構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構生產出來,并為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS,這種結構從學術上來說,通常稱為超結型功率MOSFET。
    平面 超級結 MOSFET 結構
    圖3:內建橫向電場的SuperJuncTIon結構
    垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間,當MOS關斷時,形成兩個反向偏置的PN結:P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。
    柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道,P和垂直導電N+形成PN結反向偏置,PN結耗盡層增大,并建立橫向水平電場;同時,P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形,產生寬的耗盡層,并建立垂直電場。
    由于垂直導電N+區摻雜濃度高于外延區N-的摻雜濃度,而且垂直導電N+區兩邊都產生橫向水平電場,這樣垂直導電的N+區整個區域基本上全部都變成耗盡層,即由N+變為N-,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+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。
    當MOS導通時,柵極和源極的電場將柵極下的P區反型,在柵極下面的P區產生N型導電溝道,同時,源極區的電子通過導電溝道進入垂直的N+區,中和N+區的正電荷空穴,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。
    比較平面結構和溝槽結構的功率MOSFET,可以發現,超結型結構實際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點,是在平面型結構中開一個低阻抗電流通路的溝槽,因此具有平面型結構的高耐壓和溝槽型結構低電阻的特性。
    內建橫向電場的高壓超結型結構與平面型結構相比較,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性能的一致性。
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