高壓超結(jié)MOS Super Junction結(jié)構(gòu)及原理-KIA MOS管

高壓超結(jié)型功率MOSFET

高壓的功率 MOSFET 通常采用平面型結(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所示。

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-。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，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。

高壓超結(jié) MOS

圖：內(nèi)建橫向電場的 SuperJunction 結(jié)構(gòu)

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。由于要開出 N+溝槽，它的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，雪崩能量不容易控制。

目前 N+溝槽主要有兩種方法直接制作：(1)通過一層一層的外延生長得到 N+溝槽，(2)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

關(guān)斷狀態(tài)

從下圖中可以看到，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，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(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。

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(b)所示，這樣在中間的 N+就沒有自由電荷，相當(dāng)于本征半導(dǎo)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(yuǎn)大于外延層的耐壓，功率 MOSFET 管的耐壓主要由外延層來決定。

高壓超結(jié) MOS

圖：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。

開通狀態(tài)

當(dāng) 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，如圖示。

隨著 G 極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，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，由于更多負(fù)電荷在 P 型表面積累，一些負(fù)電荷將擴散進(jìn)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(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(c)所示。

高壓超結(jié) MOS