这篇文章介绍沟槽栅电荷平衡功率MOFET的发展历程,

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先看这张图,沟槽栅功率MOSFET的基本结构,
N+和P-body被近似矩形的沟槽隔开,槽中主要填充物为深蓝色的Gate,Gate两侧及底部是荧绿色的栅介质(SiO2),
想在此基础上引入超结结构,该如何设计?

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如上,这是三种典型结构,
先看(a),采用P型外延层,沟槽工艺完成后,通过高能离子注入对沟槽底部进行注入,以形成N柱区,
沟槽宽度和磷离子注入的条件,决定了N柱的电荷量。
这种方案的缺点是外延层为P型,因此电子从沟道流出,向漂移区扩展的过程会受到明显阻碍,限制了电阻进一步降低。
再看(b),N型外延层,通过多次高能离子注入形成P柱区,注入宽度和剂量决定P柱电荷,
这种方案的缺点是需要采用多次外延工艺,成本较高,且光刻对准是很大的问题。
还有(c),在源极区域通过刻蚀形成很深的沟槽,对源沟槽侧壁及底部进行离子注入以形成P柱区,源沟槽中填满介质,
这是ROHM公司在SiC沟槽栅功率MOSFET上首先采用的结构,缺点仍然是工艺复杂,且在常规工艺之外,加入了倾斜离子注入工艺。
另外,(b)和(c)的栅沟槽底部采用了较厚的介质,换言之,这是TBOX和超结结构的结合,
相比之前这篇文章提到的沟槽场板MOSFET,TBOX+超结方案既可以实现相似的降低栅电荷效果,也不会引入寄生电容CGP、CDP,是更优选择。
沟槽栅功率MOFET栅电荷优化方案
另一种类型的电荷平衡沟槽栅功率MOSFET也不得不提——利用MOS电容(而非PN结)来平衡N漂移区中的电荷,

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如上,左图为单沟槽结构,只有栅沟槽,栅电极分为相互隔离的两部分
上半部分用于控制沟道,下半部分用于形成场板结构,
右图为双沟槽结构,在源沟槽中生长多晶硅,以形成场板结构,
两者的原理相同,当多晶硅场板偏置电压比N漂移区电位更负时,在漂移区中产生耗尽区,
通过优化设计,实现N漂移区一侧耗尽区中的电离施主原子固定正电荷与场板负电荷之间的平衡。
无论哪种,都要满足电荷限制,
即,N漂移区必须在一维垂直Pbody/N漂移区/N+衬底结到达临界电场之前完全耗尽。
另外这种结构由于沟槽较深,底部的场板介质必须足够厚,方能承受半导体内部的电场强度,一般要到μm级。
这种利用MOS电容而非PN结来平衡N漂移区中的电荷的沟槽栅功率MOSFET,也被称为RESURF阶梯氧化层MOSFET(RSO-MOS),
2001年,RSO-MOS首次实现商业化生产,用于20V~30VP沟道器件,
2002年,业界推出相似电压等级的N沟道器件,
再后来,这一技术被应用至更高耐压级别器件。
超结沟槽栅功率MOSFET器件、RSO-MOS电荷平衡型功率MOSFET器件均表现出低栅电荷、高开关速度以及优异的雪崩可靠性,是传统沟槽栅功率MOSFET的优秀替代者,
但这两种器件的CDS均呈现非线性电压依赖性,
低压阶段,CDS随VDS的增大而平滑下降,与一维PN结扩展无异,
但当VDS增至一定程度,RESURF效应开始生效,一旦N漂移区完全耗尽,便会屏蔽Pbody与漏区之间的直接作用,
Pbody与漏区未耗尽部分之间的空间电荷距离(即电容的介质厚度)大幅增加,导致结电容迅速下降,
在高频开关应用中,这种电容剧变可能产生噪声和振荡,降低应用可靠性,
解决方案包括在器件两端引入额外的线性电容,或集成缓冲器(滤波器)电路。
当然,各种沟槽型器件在不同应用场景下各有优势,超结和RSO并不能完全替代传统结构,
预计未来的沟槽栅功率MOSFET市场仍将保持技术多元化,而非技术同质化。
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