高压超结MOS Super Junction结构及原理-KIA MOS管

高压超结型功率MOSFET

高压的功率 MOSFET 通常采用平面型结构，其中，厚的低掺杂的 N-的外延层，即 epi 层，用来保证具有足够的击穿电压，低掺杂的 N-的 epi 层的尺寸越厚，耐压的额定值越大，但是其导通电阻也急剧的增大。

导通电阻随电压以 2.4-2.6 次方增长，这样，就降低的电流的额定值。为了得到一定的导通电阻值，就必须增大硅片的面积，成本随之增加。如果类似于 IGBT 引入少数载流子导电，可以降低导通压降，但是少数载流子的引入会降低工作的开关频率，并产生关断的电流拖尾，从而增加开关损耗。

高压的功率 MOSFET 的外延层对总的导通电阻起主导作用，要想保证高压的功率 MOSFET 具有足够的击穿电压，同时，降低导通电阻，最直观的方法就是：在器件关断时，让低掺杂的外延层保证要求的耐压等级，同时，在器件导通时，形成一个高掺杂 N+区，作为功率 MOSFET 导通时的电流通路，也就是将反向阻断电压与导通电阻功能分开，分别设计在不同的区域，就可以实现上述的要求。

基于超结 SuperJunction 的内建横向电场的高压功率 MOSFET 就是基本这种想法设计出的一种新型器件。内建横向电场的高压 MOSFET 的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图所示。

垂直导电 N+区夹在两边的 P 区中间，当 MOS 关断时，形成两个反向偏置的 PN 结：P 和垂直导电 N+、P+和外延 epi 层 N-。P 和垂直导电 N+形成 PN 结反向偏置，PN 结耗尽层增大，并建立横向水平电场；同时，P+和外延层 N-形成 PN 结也是反向偏置形，产生宽的耗尽层，并建立垂直电场。

由于垂直导电 N+区掺杂浓度高于外延区 N-的掺杂浓度，而且垂直导电 N+区两边都产生横向水平电场，这样垂直导电的 N+区整个区域基本上全部都变成耗尽层，这样的耗尽层具有非常高的纵向的阻断电压，因此，器件的耐压就取决于高掺杂 P+区与低掺杂外延层 N-区的耐压。

当 MOS 导通时，栅极和源极的电场将栅极下的 P 区反型，在栅极下面的 P 区产生 N 型导电沟道，同时，源极区的电子通过导电沟道进入垂直的 N+区，中和 N+区的正电荷空穴，从而恢复被耗尽的 N+型特性，因此导电沟道形成，垂直 N+区掺杂浓度高，具有较低的电阻率，因此导通电阻低。

图：内建横向电场的 SuperJunction 结构

比较平面结构和沟槽结构的功率 MOSFET，可以发现，超结型结构实际是综合了平面型和沟槽型结构两者的特点，是在平面型结构中开一个低阻抗电流通路的沟槽，因此具有平面型结构的高耐压和沟槽型结构低电阻的特性。

内建横向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较，同样面积的硅片可以设计更低的导通电阻，因此具有更大的额定电流值。由于要开出 N+沟槽，它的生产工艺比较复杂，雪崩能量不容易控制。

目前 N+沟槽主要有两种方法直接制作：(1)通过一层一层的外延生长得到 N+沟槽，(2)直接开沟槽。前者工艺相对的容易控制，但工艺的程序多，成本高；后者成本低，但不容易保证沟槽内性能的一致性。

超结型结构的工作原理

关断状态

从下图中可以看到，垂直导电 N+区夹在两边的 P 区中间，当 MOS 关断时，也就是 G 极的电压为 0 时，横向形成两个反向偏置的 PN 结：P 和垂直导电 N+、P+和外延 epi 层 N-。

栅极下面的的 P 区不能形成反型层产生导电沟道，左边 P 和中间垂直导电 N+形成 PN 结反向偏置，右边 P 和中间垂直导电 N+形成 PN 结反向偏置，PN 结耗尽层增大，并建立横向水平电场。

当中间的 N+的渗杂浓度和宽度控制得合适，就可以将中间的 N+完全耗尽，如图(b)所示，这样在中间的 N+就没有自由电荷，相当于本征半导体，中间的横向电场极高，只有外部电压大于内部的横向电场，才能将此区域击穿，所以，这个区域的耐压极高，远大于外延层的耐压，功率 MOSFET 管的耐压主要由外延层来决定。

图：横向电场及耗尽层

注意到，P+和外延层 N-形成 PN 结也是反向偏置形，有利于产生更宽的耗尽层，增加垂直电场。

开通状态

当 G 极加上驱动电压时，在 G 极的表面将积累正电荷，同时，吸引 P 区的电子到表面，将 P 区表面空穴中和，在栅极下面形成耗尽层，如图示。

随着 G 极的电压提高，栅极表面正电荷增强，进一步吸引 P 区电子到表面，这样，在 G 极下面的 P 型的沟道区中，积累负电荷，形成 N 型的反型层，同时，由于更多负电荷在 P 型表面积累，一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽的垂直的 N+，横向的耗尽层越来越减小，横向的电场也越来越小。

G 极的电压进一步提高，P 区更宽范围形成 N 型的反型层，最后，N+区域回到原来的高渗杂的状态，这样，就形成的低导通电阻的电流路径，如图(c)所示。

图：超结型导通过程

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区金田路3037号金中环国际商务大厦2109

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助

免责声明：本网站部分文章或图片来源其它出处，如有侵权，请联系删除。