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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。

图1.12 低压硅功率MOSFET结构的发展

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。

图1.13 梯度掺杂沟道门极MOSFET结构及掺杂剖面图

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。

图1.14 CoolMOSFET结构 acmws2lmn7QaUeP9HT4oB73EdDfnCof+KuvvFCUo6qJsXFddfBJoeHRKayeLvohw

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