半超結VDMOS器件設計與應用

福建省福芯電子科技有限公司 孫曉儒

半超結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VDMOS器件的設計和應用進行簡要討論分析，并通過超結器件的工作原理缺點以及使用的改進方法，對其進行理論性質方面的應用探究。而在這種新型器件的使用中，結構特征與工作原理，就代表了全部的結構應用區間。對于新型器件結構在日常使用中的安全問題，需要結合元器件的制造需求，以及市場未來的發展需求，進行綜合分析。

半超結；VDMOS器件；設計；應用

隨著信息技術的不斷發展，功率半導體器件的出現，為電子產品的發展帶來了新的血液，特別是半超結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律。依據現有的通道電阻功能，依據功率器件的進一步發展規劃等，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VDMOS的設計應用進行簡要解析。

1.VDMOS的器件結構

首先，什么是傳統的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、汽車電器和電子鎮流器等。特征: 接近無限大的靜態輸入阻抗特性，非常快的開關時間，導通電阻正溫度系數，近似常數的跨導，高dV/dt。

對于傳統的VDMOS，其導通電阻的主要理想化結構如圖1所示。

圖1　傳統VDMOS電阻排列結構

在實際的功率器件使用過程中，不同電壓的產品，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，現在主流的技術是采用超結技術，但是超結技術具有工藝難度大，成本高，器件可靠性差等缺點，而半超結器件則沒有這些短板，其工藝上更易實現，成本相對超結器件也低了很多，而且器件的正向導通電阻大幅降低，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VDMOS器件的結構類型

現有的超結理論不斷發展，在超結VDMOS的應用中，隨著諸多的新材料器件的上市運行，人們對超結器件主要的結構生產工藝也在不斷的完善。由于不同的結構在使用上，存在電阻通路上的差異性，因此都需要從現有的結構基礎來進行優化處理。于是，引入了半超結器件的概念。如圖2所示，半超結器件結構是在超結器件的基礎上，在N+外延層上增加了N-襯底支撐層（bottom assist layer）。

圖2　結構剖面圖

超結器件P柱區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，并根據其不同的影響因素來進行制作工藝上的生產調整。半超結MOS的擊穿電壓和導通電阻是超結MOS和電壓支持層的擊穿電壓和導通電阻之和。半超結MOS在相同的導通電阻下與超結MOS相比降低了P柱區的深寬比，減少了工藝步驟和難度，節約了成本。

影響擊穿特性的因素主要是cell漂移區中的 N 區和 P區的電荷量，半超結是基于電荷補償的器件 ，如果 N 區和P區電荷不平衡 ，擊穿電壓便會嚴重下降。當 N 區電荷大于 P 區電荷時 ，擊穿發生在P-body 和 N 區形成的 PN 結；當 N 區電荷小于 P 區電荷時 ，擊穿發生在 P區和 N 型電壓支持層形成的 PN 結。因此，精確控制P/N區的電荷平衡成為半超結器件工藝控制的關鍵點。

3.半超結VDMOS器件的實際應用分析

首先，半超結器件通態阻抗小，通態損耗小。由于其Rdson遠遠低于超結器件及傳統VDMOS，因此在系統電源類產品中半超結器件的導通損耗必然較之超結與傳統VDMOS要減少的多，其大大提高了系統產品的效率，半超結的這個優點在大功率、大電流類的電源產品上，優勢表現的尤為突出。其次，同等功率規格下封裝小，有利于功率密度的提高。同等電流以及電壓規格條件下，半超結的晶圓面積要小于超結及傳統VDMOS工藝的晶圓面積，這樣作為MOS的廠家，對于同一規格的產品，可以封裝出來體積相對較小的產品，有利于電源系統功率密度的提高。并且，由于半超結器件導通損耗的降低從而降低了電源類產品的損耗，因為這些損耗都是以熱量的形式散發出去，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。由于半超結器件可以有效的減少發熱量，減小了散熱器的體積，對于一些功率稍低的電源，甚至使用半超結器件后可以將散熱器徹底拿掉，其有效的提高了系統電源類產品的功率密度。

除了上述提到的優點外，作為功率器件的半超結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分析，再結合設計與工藝上的優化，逐步對其進行完善。

4.結束語

隨著現代技術的不斷成熟，在信息應用技術的發展中，半超結器件的使用，為現代社會的發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的應用需求，伴隨著新型材料的不斷涌現，對半超結這一類特種器件的發展勢必將起到錦上添花的作用，加速其發展進程，使其更快的達到一個新的輝煌時代。

［1］馬超.半超結型VDMOS的設計與仿真優化［D］. 中國科學院大學（工程管理與信息技術學院）， 2014.

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

［3］任敏，李澤宏，張金平，等.超結VDMOS器件的研究及最新進展［C］// 2011’全國半導體器件產業發展、創新產品和新技術研討會，2011.