1.5.3 功率MOSFET

功率MOSFET是在低电压方面应用最好的选择，它具有输入阻抗高、通态电阻小、开关速度快等优点。迄今为止，大部分商用功率MOSFET的结构为DMOS结构，如图1.12所示。为了消除DMOS结构中的JFET电阻，产生了如图1.12所示的UMOSFET。由于JFET导通电阻的存在，DMOSFET的特征导通电阻（specific on-resistance）很难做到小于2mΩ·cm ² ，相比之下能承担60V的UMOSFET的导通电阻能做到1mΩ·cm ² ，承担30V的器件的导通电阻可以做到0.25mΩ·cm ² ，而且有文献表明，如果将沟槽延伸到N ⁺ 区，可以获得0.15mΩ·cm ² 的特征通态电阻，但这种结构的器件只能做到25V，由于栅氧化层必须承担最大漏极电压。

如果将漂移区的浓度梯度线性增加，如图1.13所示，特征通态电阻进一步降低。

在功率MOS器件设计中，击穿电压（BV）与特征通态电阻（ R _on ）的关系非常密切，其基本关系式为 R _on =5.93×10 ^-9 （BV） ^2.5 。为了解决这对矛盾，一种基于电子科技大学陈星弼院士在美发明专利的新结构功率MOSFET，打破了传统功率MOS器件理论极限，被国际上盛誉为“功率MOS器件领域里程碑”的新型功率MOS器件——CoolMOS于1998年问世并很快走向市场。CoolMOS由于采用新耐压层（陈院士称为复合缓冲层，Composite Buffer Layer）结构（国际上又称为Super Junction结构或Multi-RESURF结构或3D RESURF结构等），在几乎保持功率MOS器件所有优点的同时，又有着极低的导通损耗（ R _on =2.6×10 ^-7 b ×BV ^1.23 ， b 为N/P柱区的宽度比）。目前国际上已有包括Infineon、IR、Toshiba等多家公司采用该技术生产低功耗功率MOS器件。图1.14为Super Junction结构的CoolMOS器件结构示意图。从图中可以清晰地看出，CoolMOS器件采用交替的P、N结构代替传统功率MOS器件中低掺杂漂移层作电压支持层。在CoolMOS器件导通过程中，只有其多数载流子（图中N沟道器件为电子）参与导电，因此其开关特性与传统功率MOS器件相似。当器件承担电压时，复合缓冲层将产生一个横向电场，使PN结耗尽。当电压达到一定值时，复合缓冲层完全耗尽，将起到电压支持层的作用。由于复合缓冲层中P柱和N柱的掺杂浓度可远高于通常的耐压区，从而使其正向导通时的导通电阻大大降低，进而改善导通电阻与器件耐压之间的矛盾。