Cool-MOS,Cool-MOS优势与问题

Cool-MOS原理、结构、制造方法概述

（一）Cool-MOS原理

对于常规VDMOS器件结构， Rdson与BV存在矛盾关系，要想提高BV，都是从减小EPI参杂浓度着手，但是外延层又是正向电流流通的通道，EPI参杂浓度减小了，电阻必然变大，Rdson增大。所以对于普通VDMOS，两者矛盾不可调和。

但是对于COOLMOS，这个矛盾就不那么明显了。通过设置一个深入EPI的的P区，大大提高了BV，同时对Rdson上不产生影响。为什么有了这个深入衬底的P区，就能大大提高耐压呢？

对于常规VDMOS，反向耐压，主要靠的是N型EPI与body区界面的PN结，对于一个PN结，耐压时主要靠的是耗尽区承受，耗尽区内的电场大小、耗尽区扩展的宽度的面积，也就是下图中的浅绿色部分，就是承受电压的大小。常规VDMOS，P body浓度要大于N EPI， PN结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，P body区域一侧，耗尽区扩展很小，基本对承压没有多大贡献，承压主要是P body－－N EPI在N型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近PN结面（a图的A结），电场强度E越大。所以形成的浅绿色面积有呈现梯形。

但是对于COOLMOS结构，由于设置了相对P body浓度低一些的P region区域，所以P区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入EPI中，造成了PN结（b图的A结）两侧都能承受大的电压，换句话说，就是把峰值电场Ec由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了。形成的耐压（图中浅绿色的面积）就大了。当COOLMOS正向导通时，正向电流流通的路径，并没有因为设置了P region而受到影响。

图1 CoolMos与普通VDMOS的差异

图2 CoolMos与普通VDMOS相比BV和Rdson的优势

（二）Cool-MOS结构及P区制造方法

1、多次注入法

英飞凌采用多次注入法形成的结构，如图3所示。之所以采用多次注入，是由于P区需要深入到EPI中，且要均匀分布，一次注入即使能注入到这么深，在这个深度中的分布也不会均匀，所以要采用多次注入法。

2、倾斜角度注入（STM技术）

除了多次注入法，能保证在EPI中注入这么深，并且保证不同位置的浓度差异不大的方法还有 STM技术（Super trench MOSFET）。采用倾斜角度注入，实现Super junction的结构（STM）。

3、开深沟槽后外延生长填充形成P区

上海华虹NEC电子有限公司的专利：本发明公开了一种ＣｏｏｌＭＯＳ结构中纵向Ｐ型区的形成方法，通过在Ｎ型外延上开深沟槽，然后再利用外延工艺在沟槽内生长出Ｐ型单晶硅形成在Ｎ型外延上的Ｐ型区域，然后通过回刻工艺将槽内生长的Ｐ型外延单晶刻蚀到与沟槽表面平齐，以形成ＣｏｏｌＭＯＳ的纵向Ｐ型区域。该方法减少了工艺的复杂度和加工时间。

Cool-MOS优势与问题

（一）Cool-MOS的优势

1.通态阻抗小，通态损耗小。

由于SJ-MOS 的Rdson 远远低于VDMOS，在系统电源类产品中SJ-MOS 的导通损耗必然较之VDMOS要减少的多。其大大提高了系统产品上面的单体MOSFET 的导通损耗，提高了系统产品的效率，SJ-MOS的这个优点在大功率、大电流类的电源产品产品上，优势表现的尤为突出。

2.同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。

首先，同等电流以及电压规格条件下，SJ-MOS 的晶源面积要小于VDMOS 工艺的晶源面积，这样作为MOS 的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS 的导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际中往往会增加散热器来降低MOS 单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于SJ-MOS 可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用SJ-MOS 后可以将散热器彻底拿掉。有效的提高了系统电源类产品的功率密度。

3.栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低。

传统VDMOS 的栅电荷相对较大，我们在实际应用中经常会遇到由于IC 的驱动能力不足造成的温升问题，部分产品在电路设计中为了增加IC 的驱动能力，确保MOSFET 的快速导通，我们不得不增加推挽或其它类型的驱动电路，从而增加了电路的复杂性。SJ-MOS 的栅电容相对比较小，这样就可以降低其对驱动能力的要求，提高了系统产品的可靠性。

4.节电容小，开关速度加快，开关损耗小。

由于SJ-MOS 结构的改变，其输出的节电容也有较大的降低，从而降低了其导通及关断过程中的损耗。同时由于SJ-MOS 栅电容也有了响应的减小，电容充电时间变短，大大的提高了SJ-MOS 的开关速度。对于频率固定的电源来说，可以有效的降低其开通及关断损耗。提高整个电源系统的效率。这一点尤其在频率相对较高的电源上，效果更加明显。

（二）Cool-MOS系统应用可能会出现的问题

1.EMI 可能超标。

由于SJ-MOS 拥有较小的寄生电容，造就了超级结MOSFET 具有极快的开关特性。因为这种快速开关特性伴有极高的dv/dt 和di/dt，会通过器件和印刷电路板中的寄生元件而影响开关性能。对于在现代高频开关电源来说，使用了超级结MOSFET，EMI 干扰肯定会变大，对于本身设计余量比较小的电源板，在SJ-MOS 在替换VDMOS 的过程中肯定会出现EMI 超标的情况。

2.栅极震荡。

功率MOSFET 的引线电感和寄生电容引起的栅极振铃，由于超级结MOSFET 具有较高的开关dv/dt。其震荡现象会更加突出。这种震荡在启动状态、过载状况和MOSFET 并联工作时，会发生严重问题，导致MOSFET 失效的可能。

3.抗浪涌及耐压能力差。

由于SJ-MOS 的结构原因，很多厂商的SJ-MOS 在实际应用推广替代VDMOS 的过程中，基本都出现过浪涌及耐压测试不合格的情况。这种情况在通信电源及雷击要求较高的电源产品上，表现的更为突出。这点必须引起我们的注意。

4.漏源极电压尖峰比较大。

尤其在反激的电路拓扑电源，由于本身电路的原因，变压器的漏感、散热器接地、以及电源地线的处理等问题，不可避免的要在MOSFET 上产生相应的电压尖峰。针对这样的问题，反激电源大多选用RCD SUNBER 电路进行吸收。由于SJ-MOS 拥有较快的开关速度，势必会造成更高的VDS 尖峰。如果反压设计余量太小及漏感过大，更换SJ-MOS 后，极有可能出现VD 尖峰失效问题。

5.纹波噪音差。

由于SJ-MOS 拥有较高的dv/dt 和di/dt，必然会将MOSFET 的尖峰通过变压器耦合到次级，直接造成输出的电压及电流的纹波增加。甚至造成电容的温升失效问题的产生。

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