福建省福芯電子科技有限公司 孫曉儒

半超結(jié)VDMOS器件設計與應用

福建省福芯電子科技有限公司 孫曉儒

本文主要針對半超結(jié)VDMOS器件的設計和應用進行簡要討論分析，并通過超結(jié)器件的工作原理缺點以及使用的改進方法，對其進行理論性質(zhì)方面的應用探究。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)應用區(qū)間。對于新型器件結(jié)構(gòu)在日常使用中的安全問題，需要結(jié)合元器件的制造需求，以及市場未來的發(fā)展需求，進行綜合分析。

半超結(jié)；VDMOS器件；設計；應用

隨著信息技術的不斷發(fā)展，功率半導體器件的出現(xiàn)，為電子產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新的血液，特別是半超結(jié)VDMOS器件，其在實際應用中，可應對諸多的阻抗問題，且不存在二次擊穿等方面的危險因素。并且在實際的使用過程中，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)功率器件的進一步發(fā)展規(guī)劃等，也可極大的降低導通電阻在實際使用過程中的威脅。下面針對半超結(jié)VDMOS的設計應用進行簡要解析。

1.VDMOS的器件結(jié)構(gòu)

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

對于傳統(tǒng)的VDMOS，其導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)

在實際的功率器件使用過程中，不同電壓的產(chǎn)品，其導通電阻的各部分組成比例也是不同的。針對高壓器件而言，因為JFET效應問題，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)的電阻不再對導通電阻起主導作用，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。

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

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的應用中，隨著諸多的新材料器件的上市運行，人們對超結(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)基礎來進行優(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)的深寬比對其使用中的性能影響較大，因此需要注意其實際的通電性，并根據(jù)其不同的影響因素來進行制作工藝上的生產(chǎn)調(diào)整。半超結(jié)MOS的擊穿電壓和導通電阻是超結(jié)MOS和電壓支持層的擊穿電壓和導通電阻之和。半超結(jié)MOS在相同的導通電阻下與超結(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)是基于電荷補償?shù)钠骷?，如果 N 區(qū)和P區(qū)電荷不平衡 ，擊穿電壓便會嚴重下降。當 N 區(qū)電荷大于 P 區(qū)電荷時 ，擊穿發(fā)生在P-body 和 N 區(qū)形成的 PN 結(jié)；當 N 區(qū)電荷小于 P 區(qū)電荷時 ，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)器件工藝控制的關鍵點。

3.半超結(jié)VDMOS器件的實際應用分析

首先，半超結(jié)器件通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。由于其Rdson遠遠低于超結(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)的這個優(yōu)點在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品上，優(yōu)勢表現(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，對于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來體積相對較小的產(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)器件導通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因為這些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們在實際應用中往往會增加散熱器來降低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)點外，作為功率器件的半超結(jié)在應用上也有其不可避免的缺點。如EMI可能超標、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用中不斷進行總結(jié)分析，再結(jié)合設計與工藝上的優(yōu)化，逐步對其進行完善。

4.結(jié)束語

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

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