功率MOSFET分类及不同工艺优缺点应用场合

一．功率MOSFET概述MOSFET原意是（Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor）金属氧化物半导体场效应晶体管，即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管，但目前随着半导体技术的进步，现代MOSFET栅极早已用多晶硅栅取代金属栅。功率MOSFET是70年代在经典MOSFET的基础上发展起来，主要作为功率电子开关使用。与经典MOSFET不同，功率MOSFET着重发展和提高其功率特性，增大器件的工作电压和工作电流（功率MOSFET也称为电力MOSFET）。功率MOSFET围绕如何解决耐压和功耗之间的矛盾产生了许多新工艺结构，由LDMOSFET结构起步经历了VVMOSFET、VUMOSFET、VDMOSFET、SJMOSFET、TrenchMOSFET、SGTMOSFET结构的演化。功率MOSFET的特点是其用栅极电压控制漏极电流，输入阻抗高、驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快、热稳定好等特性。二．MOSFET分类、结构功率MOSFET按照导电类型、栅极驱动电压、元胞结构与工艺结构都有不同划分，具体分类如下：1．按导电类型分：（1）N沟道（2）P沟道2.按栅极驱动电压分：（1）耗尽型（2）增强型耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就已存在导电沟道。增强型：对于N沟道器件，栅极电压大于零时才存在导电沟道（小于零时才存在导电沟道为P型）。以上四种类型MOSFET符号、输出特性和转移特性如图1所示；因功率MOSFET主流是N沟道增强型，本文下面都是以N沟道增强型为例进行讨论。图1-四种类型MOSFET符号、输出特性和转移特性3.按元胞结构分：（1）六边形（2）方形或矩形（3）条形目前如国际整流器公司IR的HEXFET采用了六边形元胞单元；西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形元胞单元；摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形元胞单元；仙童Fairchild公司采用了长方形元胞单元按条形排列。长方形元胞单元按条形排列，这也是国内主流的元胞结构，其特点是工艺简单，结电容较小、开关速度快。4.按工艺结构分：（1）LDMOSFET（2）VVMOSFET（3）VUMOSFET（4）VDMOSFET（5）SJMOSFET（6）TrenchMOSFET（7）SGTMOSFET目前VDMOSFET为功率MOSFET主流工艺结构。三．不同工艺结构分析1.LDMOSFETLDMOSFET栅极、源极、漏极都在硅片的上表面，下部为衬底，当Gate处于适当正电位时，其二氧化硅层下面的晶体表面区由P型变为N型（反型层），形成N型横向导电沟道，电流从漏极流向源极。为提高功率能力，要求有很高的沟道宽长比W/L，而平面水平沟道L不能太小，所以只能增大芯片面积，因而该工艺MOSFET一直停留在几十伏电压，几十毫安电流的水平。LDMOSFET工艺结构如下图2所示；图2-LDMOSFET工艺结构LDMOSFET特点：制造工艺简单、具有低结电容，因此开关速度快；但该工艺MOSFET因不能充分应用硅片尺寸，电流和电压的额定值受到限制，功率等级小；一般主要适合低压场合应用，如微处理器、运放、数字电路及射频电路。因LDMOSFET的功率处理能力低下促使垂直导电型VMOSFET的出现，VMOSFET分为VVMOSFET和VUMOSFET两种结构。2.VVMOSFETVVMOSFET是第一个商业化功率MOSFET，VVMOSFET是利用V型槽来实现垂直导电，当Vgs大于0时，在V型槽外壁与硅表面接触的地方形成一个电场，P区时N+区域的电子受到吸引，当Vgs足够大时，就会形成N型导电沟道，使漏、源极之间有电流流过；VVMOSFET工艺结构如下图3所示。图3-VVMOSFET工艺结构VVMOSFET特点：VVMOSFET不仅继承了LDMOSFET输入阻抗高、驱动电流小、还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A~100A）、跨导线性好、开关速度快等优良特性；但因VVMOSFET是利用各向异性原理湿法腐蚀形成沟槽结构，其工艺稳定性不佳且存在尖端放电的问题，所以目前使用较少。VVMOSFET主要应用在电压放大器、功率放大器、开关电源和逆变器中。3.VUMOSFET（VerticalU-grooveMOSFET）为了改善V型槽顶端的电场尖峰和电流集中效应，研究人员又发明了VUMOSFET，VUMOSFET与VVMOSFET一致同样采用各向异性刻蚀工艺挖U槽。VUMOSFET结构如下图4所示；图4-VUMOSFET工艺结构VUMOSFET特点：解决了VVMOSFET尖端放电问题，提高击穿电压；沟道垂直，元胞可做得更小，元胞数增加。但其工艺稳定性不佳。4.VDMOSFET（VerticalDoubleDiffusedMOSFET）VDMOSFET的栅极结构为平面式，当Vgs足够大时，两个源极之间会形成N型导电沟道，使漏源极之间有电流流过。栅极和源极在硅片的上表面，而漏极连接到衬底的下表面，源极和漏极在晶圆的相对平面，当电流从漏极流向源极时电流在硅片内部垂直流动，因此可以充分应用硅片的面积，来提高通过电流的能力，适用于功率MOSFET的应用。N沟道MOSFET衬底为高掺杂的N+衬底，高掺杂部分的体电阻小，然后上面为N-epi层，上面有两个连续的扩散区P-，沟道在P-区形成，在P-区内部扩散形成N+为源极，硅片表面形成栅极氧化物，多晶硅栅极材料沉积后，在连接到栅极的多晶硅层下面，就形成一个薄的高质量氧化层从而产生沟道。VDMOSFET工艺结构如下图5所示：图5-VDMOSFET工艺结构VDMOSFET特点：VDMOSFET比VVMOSFET更易获得高的耐压和极限频率，因此在大功率场合得到更多应用，VDMOSFET结构工艺简单，单元一致性较好，跨导特性较好，雪崩能量较高；但VDMOSFET导通电阻随击穿电压以2.4~2.6次方增长，这样就降低了电流的额定值，为了得到一定的导通电阻值，就必须增大硅片面积，使成本随之增加，该工艺寄生电容较大。VDMOSFET应用场合：通常主要应用于高压功率MOSFET和开关频率不太高的中压功率MOSFET，整流模块中常用的MOSFET都是VDMOSFET。在高截止电压的VDMOSFET中，通态电阻的95%由N-外延区的电阻决定，因此，为了降低通态电阻，人们想了种种办法来降低N-外延区的电阻，有两种办法得到应用，这就是SuperJunctionMOSFET和沟槽栅TrenchMOSFET。5.SJMOSFET（SuperJunctionMOSFET）VDMOSFET的外延层对总的导通电阻起主导作用，要想保证高压功率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，分别设计在不同区域，就可以实现上述要求。SJMOSFET则是两个垂直P阱条之间的垂直高掺杂N+扩散区域为电子提供了低阻通路，从而降低通态电阻。较低浓度的两个垂直P阱条主要是为了耐压而设计，SJMOSFET的通态电阻为普通VDMOSFET的1/5，开关损耗减为普通VDMOSFET的1/2，但SJMOSFET固有的反向恢复特性不佳。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-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道，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，即由N+变为N-，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。SJMOSFET工艺结构如下图6所示：图6-SJMOSFET工艺结构SJMOSFET特点：超结MOSFET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。通态电阻小，通态损耗小；同等功率下封装小，有利于电源小型化；栅极开启电压提高，抗干扰能力强；栅极电荷大，驱动功率大；结电容小，开关损耗小；SJMOSFET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，前者工艺相对容易控制，但工艺程序多，成本高；后者成本低，但不易保证沟槽内性能的一致性。SJMOSFET主要应用于电源适配器、DC/DC转换器及充电器等场合。6.TrenchMOSFET（沟槽栅MOSFET）沟槽式栅极MOSFET是将VDMOSFT中的“T”导电通路缩短为两条平行的垂直型导电通路，从而降低通态电阻。U型沟槽为平面型演变，切开翻转90度，栅结构不与螺片表面平行而是构建在沟道之中垂直于表面，因此占用空间较少且使电流流动真正垂直，最小化基本单元面积，在相同的站位空间中可以集成更多的单元从而降低Rdson，并维持电容不变。TrenchMOSFET制作工艺是采用RIE挖深槽，再用多晶硅填充栅极。TrenchMOSFET工艺结构如下图7所示。图7-TrenchMOSFET工艺结构TrenchMOSFET特点：JFET在沟槽结构中消失，使得Rdson得以进一步下降(Trench工艺主要用于低压MOSFET，为了降低导通内阻，把栅极结构做成了类似U型槽)，栅极宽度远小于垂直导电的平面结构，寄生电容小，同时具有更小的单元尺寸，导通电阻更小。这种结构由于要开沟槽、工艺复杂、单元一致性、跨导特性和雪崩能量比VDMOSFET差。TrenchMOSFET为低压功率MOSFET，主要应用于高频非隔离DC/DC变换器,例如AOS的AON6240就是采用这种技术，电压40V，RDSON=1.6mΩ，广泛应用于通讯模块电源的副边同步整流。7.SGTMOSFET（SplitGateTechnology屏蔽栅MOSFET）SGTMOSFET是一种基于传统沟槽式MOSFET的一种改进型的沟槽式MOSFET，除了栅极结构，其它部分就是标准的采用Trench工艺的功率MOSFET，栅极被分割成上下两部分，中间用一些特殊的材料屏蔽起来，上部分作为一般的栅极，下部分栅极的屏蔽层连接到源极，从而减小Cgd，极大的减小了开关过程中米勒平台的持续时间，降低了开关损耗，同时这种结构由于改变了内部电场的形态，将传统的三角形电场进一步变为压缩的梯形电场，可以进一步减小epi层厚度，降低导通电阻，减小热阻。SGTMOSFET工艺结构如下图8所示。图8-SGTMOSFET工艺结构图SGTMOSFET特点：相比于传统沟槽MOSFET。它的开关速度更快，开关损耗更低，具有更好的器件性能。极低RDSON，极低Qgd，低FOM(Qg*Rdson)，极低RSP(RDSON*A)，高EAS，高散热能力，参数一致性好。但该结构工艺复杂，制作成本较大。SGTMOSFET广泛用于同步整流，BMS，电机驱动，UPS等SGT产品目前主要集中在BVDSS≤100V,RDSON≤12mΩ（目前SGT产品工艺主要掌握在中航微电子和AOS万代手中）。