半超結(jié)VDMOS器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

福建省福芯電子科技有限公司 孫曉儒

半超結(jié)VDMOS器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

福建省福芯電子科技有限公司 孫曉儒

本文主要針對(duì)半超結(jié)VDMOS器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要討論分析，并通過(guò)超結(jié)器件的工作原理缺點(diǎn)以及使用的改進(jìn)方法，對(duì)其進(jìn)行理論性質(zhì)方面的應(yīng)用探究。而在這種新型器件的使用中，結(jié)構(gòu)特征與工作原理，就代表了全部的結(jié)構(gòu)應(yīng)用區(qū)間。對(duì)于新型器件結(jié)構(gòu)在日常使用中的安全問(wèn)題，需要結(jié)合元器件的制造需求，以及市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展需求，進(jìn)行綜合分析。

半超結(jié)；VDMOS器件；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，為電子產(chǎn)品的發(fā)展帶來(lái)了新的血液，特別是半超結(jié)VDMOS器件，其在實(shí)際應(yīng)用中，可應(yīng)對(duì)諸多的阻抗問(wèn)題，且不存在二次擊穿等方面的危險(xiǎn)因素。并且在實(shí)際的使用過(guò)程中，功耗較低，可有效的降低通道功耗的使用規(guī)律。依據(jù)現(xiàn)有的通道電阻功能，依據(jù)功率器件的進(jìn)一步發(fā)展規(guī)劃等，也可極大的降低導(dǎo)通電阻在實(shí)際使用過(guò)程中的威脅。下面針對(duì)半超結(jié)VDMOS的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要解析。

1.VDMOS的器件結(jié)構(gòu)

首先，什么是傳統(tǒng)的VDMOS器件，全稱為垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是開關(guān)應(yīng)用還是線形應(yīng)用，VDMOS都是理想的功率器件，VDMOS主要應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、逆變器、不間斷電源、電子開關(guān)、高保真音響、汽車電器和電子鎮(zhèn)流器等。特征: 接近無(wú)限大的靜態(tài)輸入阻抗特性，非常快的開關(guān)時(shí)間，導(dǎo)通電阻正溫度系數(shù)，近似常數(shù)的跨導(dǎo)，高dV/dt。

對(duì)于傳統(tǒng)的VDMOS，其導(dǎo)通電阻的主要理想化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)VDMOS電阻排列結(jié)構(gòu)

在實(shí)際的功率器件使用過(guò)程中，不同電壓的產(chǎn)品，其導(dǎo)通電阻的各部分組成比例也是不同的。針對(duì)高壓器件而言，因?yàn)镴FET效應(yīng)問(wèn)題，原胞間距的大小需要控制在10μm左右，避免影響到電子元器件的安全使用。在低壓VDMOS中外延層厚度可以做的很薄或者摻雜濃度很高，其漂移區(qū)的電阻不再對(duì)導(dǎo)通電阻起主導(dǎo)作用，溝道電阻比例增大。在電阻量的控制作用中，其主要的電阻顯現(xiàn)率，如表1所示。

對(duì)于高壓VDMOS器件，為了減小導(dǎo)通電阻或突破Si Limit，現(xiàn)在主流的技術(shù)是采用超結(jié)技術(shù)，但是超結(jié)技術(shù)具有工藝難度大，成本高，器件可靠性差等缺點(diǎn)，而半超結(jié)器件則沒(méi)有這些短板，其工藝上更易實(shí)現(xiàn)，成本相對(duì)超結(jié)器件也低了很多，而且器件的正向?qū)娮璐蠓档?，單位面積的電流導(dǎo)通能力更強(qiáng)。

表1　不同壓VDMOS的電阻因素比例

2.新型半超結(jié)VDMOS器件的結(jié)構(gòu)類型

現(xiàn)有的超結(jié)理論不斷發(fā)展，在超結(jié)VDMOS的應(yīng)用中，隨著諸多的新材料器件的上市運(yùn)行，人們對(duì)超結(jié)器件主要的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝也在不斷的完善。由于不同的結(jié)構(gòu)在使用上，存在電阻通路上的差異性，因此都需要從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化處理。于是，引入了半超結(jié)器件的概念。如圖2所示，半超結(jié)器件結(jié)構(gòu)是在超結(jié)器件的基礎(chǔ)上，在N+外延層上增加了N-襯底支撐層（bottom assist layer）。

圖2　結(jié)構(gòu)剖面圖

超結(jié)器件P柱區(qū)的深寬比對(duì)其使用中的性能影響較大，因此需要注意其實(shí)際的通電性，并根據(jù)其不同的影響因素來(lái)進(jìn)行制作工藝上的生產(chǎn)調(diào)整。半超結(jié)MOS的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻是超結(jié)MOS和電壓支持層的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之和。半超結(jié)MOS在相同的導(dǎo)通電阻下與超結(jié)MOS相比降低了P柱區(qū)的深寬比，減少了工藝步驟和難度，節(jié)約了成本。

影響擊穿特性的因素主要是cell漂移區(qū)中的 N 區(qū)和 P區(qū)的電荷量，半超結(jié)是基于電荷補(bǔ)償?shù)钠骷?，如果 N 區(qū)和P區(qū)電荷不平衡 ，擊穿電壓便會(huì)嚴(yán)重下降。當(dāng) N 區(qū)電荷大于 P 區(qū)電荷時(shí) ，擊穿發(fā)生在P-body 和 N 區(qū)形成的 PN 結(jié)；當(dāng) N 區(qū)電荷小于 P 區(qū)電荷時(shí) ，擊穿發(fā)生在 P區(qū)和 N 型電壓支持層形成的 PN 結(jié)。因此，精確控制P/N區(qū)的電荷平衡成為半超結(jié)器件工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.半超結(jié)VDMOS器件的實(shí)際應(yīng)用分析

首先，半超結(jié)器件通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。由于其Rdson遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超結(jié)器件及傳統(tǒng)VDMOS，因此在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中半超結(jié)器件的導(dǎo)通損耗必然較之超結(jié)與傳統(tǒng)VDMOS要減少的多，其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，半超結(jié)的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品上，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。其次，同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高。同等電流以及電壓規(guī)格條件下，半超結(jié)的晶圓面積要小于超結(jié)及傳統(tǒng)VDMOS工藝的晶圓面積，這樣作為MOS的廠家，對(duì)于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來(lái)體積相對(duì)較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。并且，由于半超結(jié)器件導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中往往會(huì)增加散熱器來(lái)降低MOS單體的溫升，使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于半超結(jié)器件可以有效的減少發(fā)熱量，減小了散熱器的體積，對(duì)于一些功率稍低的電源，甚至使用半超結(jié)器件后可以將散熱器徹底拿掉，其有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。

除了上述提到的優(yōu)點(diǎn)外，作為功率器件的半超結(jié)在應(yīng)用上也有其不可避免的缺點(diǎn)。如EMI可能超標(biāo)、柵極震蕩現(xiàn)象較突出、紋波噪音差等，這些都需要在器件應(yīng)用中不斷進(jìn)行總結(jié)分析，再結(jié)合設(shè)計(jì)與工藝上的優(yōu)化，逐步對(duì)其進(jìn)行完善。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷成熟，在信息應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展中，半超結(jié)器件的使用，為現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展提供了一定的技術(shù)保障。而其中所衍生出來(lái)的諸多元器件，在使用上，也極大的滿足了不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用需求，伴隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)半超結(jié)這一類特種器件的發(fā)展勢(shì)必將起到錦上添花的作用，加速其發(fā)展進(jìn)程，使其更快的達(dá)到一個(gè)新的輝煌時(shí)代。

［1］馬超.半超結(jié)型VDMOS的設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化［D］. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）， 2014.

［2］陳文高，荊吉利，孫偉鋒.半超結(jié)VDMOS的研究［J］.微電子學(xué)，2009， 39（4）：584-587.

［3］任敏，李澤宏，張金平，等.超結(jié)VDMOS器件的研究及最新進(jìn)展［C］// 2011’全國(guó)半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新產(chǎn)品和新技術(shù)研討會(huì)，2011.