高压超结Super Junction结构及工作原理 工作原理, 半导体, Super

掘金小分队

1、 PN结
在纯净的硅晶体中掺入五价元素如磷，使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半导体。N型半导体中，多子为自由电子，少子为空穴。在纯净的硅晶体中掺入三价元素如硼，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，空穴称为多数载流子，简称多子。自由电子为少数载流子，简称少子。

图1：N和P型半导体


P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在PN结两侧的积累，电荷的积累形成电场，电场方向正好阻止扩散的进行，但有利于电荷的漂移运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。


由于P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合，PN结两侧区域自由载流子数减少而形成耗尽层，也称为高阻层，耗尽层中没有多子，也没有少子，P区一侧出现负离子区，N区出现正离子区，称为空间电荷区。




PN结外加正向电压时，耗尽层变小到几乎可以忽略。外加反向电压时，耗尽层变宽。可以看到，内建的电场产生的电压和外加电压相等时，PN结内部才能达到平衡，因此耗尽层是PN结承受电压最核心的因素。

图2：PN结


2、 高压超结型功率MOSFET





高压的功率MOSFET通常采用平面型结构，其中，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。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。为了得到一定的导通电阻值，就必须增大硅片的面积，成本随之增加。如果类似于IGBT引入少数载流子导电，可以降低导通压降，但是少数载流子的引入会降低工作的开关频率，并产生关断的电流拖尾，从而增加开关损耗。


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，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。基于超结SuperJunction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3所示。英飞凌最先将这种结构生产出来，并为这种结构的MOSFET设计了一种商标CoolMOS，这种结构从学术上来说，通常称为超结型功率MOSFET。


垂直导电N+区夹在两边的P区中间，当MOS关断时，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-。P和垂直导电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；同时，P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形，产生宽的耗尽层，并建立垂直电场。由于垂直导电N+区掺杂浓度高于外延区N-的掺杂浓度，而且垂直导电N+区两边都产生横向水平电场，这样垂直导电的N+区整个区域基本上全部都变成耗尽层，这样的耗尽层具有非常高的纵向的阻断电压，因此，器件的耐压就取决于高掺杂P+区与低掺杂外延层N-区的耐压。




当MOS导通时，栅极和源极的电场将栅极下的P区反型，在栅极下面的P区产生N型导电沟道，同时，源极区的电子通过导电沟道进入垂直的N+区，中和N+区的正电荷空穴，从而恢复被耗尽的N+型特性，因此导电沟道形成，垂直N+区掺杂浓度高，具有较低的电阻率，因此导通电阻低。

图3：内建横向电场的SuperJunction结构


比较平面结构和沟槽结构的功率MOSFET，可以发现，超结型结构实际是综合了平面型和沟槽型结构两者的特点，是在平面型结构中开一个低阻抗电流通路的沟槽，因此具有平面型结构的高耐压和沟槽型结构低电阻的特性。


内建横向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较，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。由于要开出N+沟槽，它的生产工艺比较复杂，雪崩能量不容易控制。目前N+沟槽主要有两种方法直接制作：(1)通过一层一层的外延生长得到N+沟槽，(2)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。



3 、超结型结构的工作原理

3.1 关断状态
从图4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4(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4：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。


3.2 开通状态


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5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5(c)所示。

图5：超结型导通过程




    另外还有一种介于平面和超结型结构中间的类型，是AOS开发的一种专利结构，虽然电流密度低于超结型，但抗大电流冲击能力非常优异。

图6：介于平面和超结型结构中间的类型

文章来源：微信公众号   融创芯城（一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台，项目众包平台）