【圖文詳解】超級(jí)結(jié)MOSFET結(jié)構(gòu)、工作原理-KIA MOS管

超級(jí)結(jié)MOSFET（SJ-MOS）

（1）SJ-MOS在N層具有柱狀P層（P柱層）。P層和N層交替排列。（參見圖3-9（b））

（2）通過施加VDS，耗盡層在N層中擴(kuò)展，但其在SJ-MOS中的擴(kuò)展方式與在一般D-MOS中不同。（關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度，參見圖3-9（a）／（b）。電場(chǎng)強(qiáng)度將表示耗盡層的狀態(tài)。

（3）如果是D-MOS的情況，電場(chǎng)強(qiáng)度在P／N層接口處最強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過硅的極限時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，這就是電壓極限。另一方面，如果是SJ-MOS的情況，電場(chǎng)強(qiáng)度在N層中是均勻的。

（4）所以，SJ-MOS可采用具有較低電阻的N層設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻產(chǎn)品。

采用與DMOS相同尺寸的芯片，SJ-MOS可以實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻。

超級(jí)結(jié)MOSFET 超結(jié)型結(jié)構(gòu)

圖3-9（a）D-MOS（π-MOS）的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)

超級(jí)結(jié)MOSFET 超結(jié)型結(jié)構(gòu)

圖3-9（b）SJ-MOS（DTMOS）的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)

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，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。Infineon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(jì)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。

超級(jí)結(jié)MOSFET 超結(jié)型結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)得到N+溝槽和直接開溝槽。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決定。

超級(jí)結(jié)MOSFET 超結(jié)型結(jié)構(gòu)

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(chǎng)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5(c)所示。

超級(jí)結(jié)MOSFET 超結(jié)型結(jié)構(gòu)