三分鐘讀懂超級(jí)結(jié)MOSFET

基于超級(jí)結(jié)技術(shù)的功率MOSFET已成為高壓開(kāi)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(shí)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(jí)結(jié)MOSFET出現(xiàn)之前，高壓器件的主要設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于平面技術(shù)。這個(gè)時(shí)候，有心急的網(wǎng)友就該問(wèn)了，超級(jí)結(jié)究竟是何種技術(shù)，區(qū)別于平面技術(shù)，它的優(yōu)勢(shì)在哪里?各位客官莫急，看完這篇文章你就懂了!

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(jiǎn)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(duì)更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實(shí)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(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗和成本。另外還存在對(duì)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(gè)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(gè)分量。對(duì)于低壓MOSFET，三個(gè)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(lái)的五倍以上。對(duì)于額定電壓為600V的MOSFET，超過(guò)95%的電阻來(lái)自外延層。顯然，要想顯著減小RDS(on)的值，就需要找到一種對(duì)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(lái)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(zhǎng)，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(lèi)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(huì)降低工作的開(kāi)關(guān)頻率，并產(chǎn)生關(guān)斷的電流拖尾，從而增加開(kāi)關(guān)損耗。

超級(jí)結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)

高壓的功率MOSFET的外延層對(duì)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(shí)，降低導(dǎo)通電阻，最直觀(guān)的方法就是：在器件關(guān)斷時(shí)，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級(jí)，同時(shí)，在器件導(dǎo)通時(shí)，形成一個(gè)高摻雜N+區(qū)，作為功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)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(kāi)，分別設(shè)計(jì)在不同的區(qū)域，就可以實(shí)現(xiàn)上述的要求。

基于超結(jié)SuperJunction的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設(shè)計(jì)出的一種新型器件。內(nèi)建橫向電場(chǎng)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(lái)，并為這種結(jié)構(gòu)的MOSFET設(shè)計(jì)了一種商標(biāo)CoolMOS，這種結(jié)構(gòu)從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，通常稱(chēng)為超結(jié)型功率MOSFET。

圖3：內(nèi)建橫向電場(chǎng)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(shí)，形成兩個(gè)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(chǎng);同時(shí)，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(chǎng)。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(chǎng)，這樣垂直導(dǎo)電的N+區(qū)整個(gè)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(shí)，柵極和源極的電場(chǎng)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(shí)，源極區(qū)的電子通過(guò)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(shí)際是綜合了平面型和溝槽型結(jié)構(gòu)兩者的特點(diǎn)，是在平面型結(jié)構(gòu)中開(kāi)一個(gè)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(chǎng)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(jì)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(kāi)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(guò)一層一層的外延生長(zhǎng)得到N+溝槽和直接開(kāi)溝槽。前者工藝相對(duì)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(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，也就是G極的電壓為0時(shí)，橫向形成兩個(gè)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，左邊P和中間垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置，右邊P和中間垂直導(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(chǎng)。

當(dāng)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(méi)有自由電荷，相當(dāng)于本征半導(dǎo)體，中間的橫向電場(chǎng)極高，只有外部電壓大于內(nèi)部的橫向電場(chǎng)，才能將此區(qū)域擊穿，所以，這個(gè)區(qū)域的耐壓極高，遠(yuǎn)大于外延層的耐壓，功率MOSFET管的耐壓主要由外延層來(lái)決定。

圖4：橫向電場(chǎng)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(chǎng)。

2、開(kāi)通狀態(tài)

當(dāng)G極加上驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在G極的表面將積累正電荷，同時(shí)，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(qiáng)，進(jìn)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(fù)電荷，形成N型的反型層，同時(shí)，由于更多負(fù)電荷在P型表面積累，一些負(fù)電荷將擴(kuò)散進(jìn)入原來(lái)完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來(lái)越減小，橫向的電場(chǎng)也越來(lái)越小。G極的電壓進(jìn)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(lái)的高滲雜的狀態(tài)，這樣，就形成的低導(dǎo)通電阻的電流路徑，如圖5(c)所示。

圖5：超結(jié)型導(dǎo)通過(guò)程

另外還有一種介于平面和超結(jié)型結(jié)構(gòu)中間的類(lèi)型，是AOS開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)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(lèi)型

超級(jí)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(diǎn)，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時(shí)得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設(shè)計(jì)工程師需要非常注意其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是減小PCB寄生效應(yīng)。超結(jié)MOS管產(chǎn)品主要有以下幾種應(yīng)用：1)電腦、服務(wù)器的電源——更低的功率損耗;2)適配器(筆記本電腦，打印機(jī)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(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品(液晶電視，等離子電視等)——更輕、更薄、更高能效。