超结型高压功率MOSFET结构工作原理

超结型高压功率MOSFET结构工作原理

目前，高压功率MOSFET管具有平面型和超结型（Super Junction）二种常用的结构。早期，高压功率MOSFET管主要是平面型结构，它采用厚的低掺杂的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，而且导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长，这样，就降低的电流的额定值。[1][2][3][4] 为了得到低的导通电阻值，就必须增大硅片的面积，成本随之增加，同时米勒电容增加还会导致开关损耗增加。[5][6]

新的超结型（Super Junction）高压功率MOSFET管可以克服平面型高压功率MOSFET管的缺点，其工作频率高，导通损耗小，在一些高端的AC-DC变换器中得到了非常广泛的应用。
然而，许多工程师并不了解这种超结型（Super Junction）高压功率MOSFET管其内部的结构和工作原理。本文将详细的讨论这个问题。

1平面型的结构

平面型高压的功率MOSFET管常用的结构如图1所示。从图中可以看出，平面型结构工艺简单，需要更大的晶片面积才能降低导通电阻，而且一些电流较大的器件，需要更大尺寸的封装，所以，应用受到很大的限制。
平面型高压的功率MOSFET管的耐压主要通过厚的低掺杂的N-的外延层即epi层来控制。
当G极加上驱动电压时，在沟道下面的P区积累大量的电子，当这个区域的电子越积越多，就会形成反形层，也就是沟道下面的P型转变为N型，这样电流就可以从D流向S，从而将MOSFET导通。

图1：平面型高压功率MOSFET管结构

2 超结型结构

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，在平面型结构外延层的通过电流的路径上，引入少数载流子导电，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Super Junction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2所示。

图2：超结型高压功率MOSFET管结构

2.1 关断状态
从图3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3(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。

(a) 建立耗尽层 (b) 完全耗尽

图3：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。

2.2 开通态
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4(a) 所示。
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4(c)所示。
　内建横向电场的高压Super Junction结构与平面结构相比较，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和雪崩能量。由于要开出N+沟槽，它的生产工艺比较复杂，目前N+沟槽主要有两种方法直接制作：通过一层一层的外延生长得到N+沟槽和直接开沟槽。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。

图4：超结型导通过程