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传统功率MOSFET与超级结MOSFET的区别

lhl545545 来源:Semi Connect 作者:Semi Connect 2022-09-13 14:38 次阅读

超级结又称超结,是制造功率场效应晶体管的一种威廉希尔官方网站 ,其名称最早岀现于1993年。传统高压功率MOSFET的击穿电压主要由n型外延层和p型体区形成的pn结耗尽区的耐压决定,又因p型体区掺杂浓度较高,耗尽区承压主要在外延n-层。为了提高击穿电压,通常外延n-层浓度较低、厚度较大,然而掺杂浓度过低和厚度增加都将使功率MOS晶体管的导通电阻增加,这将导致功率转换工作时的功率消耗增大,带来极大的功耗浪费。正因这种矛盾的存在,使得传统高压功率MOS管的导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限值,业内称之为“硅限“(Silicon Limit)。为了突破这一极限,中国科学院陈星弼院士等在1988年至1995年期间分别提出了3种改善漂移层结构的方法,构成了超级结的基本思想,并申请了相应的专利。基于这3个专利,1997年Takssuhiko等人对超级结思想进行总结,提出了“超级结理论”的概念。超级结MOSFET的结构有很多种,图中所示为典型传统功率MOSFET与超级结MOSFET的比较。

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从图中可以看到,与传统的功率MOSFET不同,超级结MOSFET 在垂直方向上存在深入外延n-层的p型区,这些p型区的掺杂浓度比原p型体区的掺杂浓度低,可以补偿过量的电流导通电荷,并使pn结的耗尽区向p区一 侧大大扩展,起到了电压支持层的作用,降低了击穿电压对n-外延层的要求。 在相同击穿电压条件下,超级结MOSFET的n-电压支持层掺杂浓度可以大幅提高,导通电阻可以大大降低,突破了传统功率MOSFET的硅限。与传统的功率 MOSFET相比,超级结MOSFET具有传导损耗低、电流驱动能力大、栅极电荷低、开启电压低、开关速度快、出色的非钳位感性开关(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力、百分之百的雪崩能量击穿测试等优点。但是超级结结构本身也存在一些问题和缺陷:由于其结构复杂,使得制造工艺难度增大,成本增加;np复合结构也使得器件的反向恢复特性变差等。

从工艺实现来看,超级结功率MOSFET工艺的主要特点是,需要在垂直方向形成多个并行的n型、p型复合注入区,其中n型区和p型区具有高深宽比、 高垂直倾角的特性(一般为85°~89.5°),这些要求使得超级结功率MOSFET的 工艺复杂性大大增加。目前,主流的超级结功率MOSFET工艺主要可以分为两大类,一类是通过多次离子注入和外延,另一类是深槽刻蚀和填槽威廉希尔官方网站 。在通 过离子注入实现的超级结结构中,实际上仅依靠离子注入往往无法保证超级结n型区和p型区的深度与高深宽比,通常需要多次离子注入与多次外延工艺的结 合。通过深槽工艺实现超级结功率MOSFET的流程是,首先在n+衬底上外延n- 层,然后刻蚀形成高深度、陡直的硅槽,再外延填充上p型硅,从而形成超级结结构。

英飞凌公司是国际上较早实现超级结MOSFET量产的公司。上海华虹宏力半导体制造有限公司可在200mm晶片上提供超级结MOSFET代工服务,采用深 槽工艺,可以支持500-900V不同电压等级产品的生产。

审核编辑:彭静
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原文标题:集成电路中的超级结,超级接面,Super Junction

文章出处:【微信号:Semi Connect,微信公众号:Semi Connect】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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