半超结VDMOS器件设计与应用

福建省福芯电子科技有限公司 孙晓儒

半超结VDMOS器件设计与应用

福建省福芯电子科技有限公司 孙晓儒

本文主要针对半超结VDMOS器件的设计和应用进行简要讨论分析，并通过超结器件的工作原理缺点以及使用的改进方法，对其进行理论性质方面的应用探究。而在这种新型器件的使用中，结构特征与工作原理，就代表了全部的结构应用区间。对于新型器件结构在日常使用中的安全问题，需要结合元器件的制造需求，以及市场未来的发展需求，进行综合分析。

半超结；VDMOS器件；设计；应用

随着信息技术的不断发展，功率半导体器件的出现，为电子产品的发展带来了新的血液，特别是半超结VDMOS器件，其在实际应用中，可应对诸多的阻抗问题，且不存在二次击穿等方面的危险因素。并且在实际的使用过程中，功耗较低，可有效的降低通道功耗的使用规律。依据现有的通道电阻功能，依据功率器件的进一步发展规划等，也可极大的降低导通电阻在实际使用过程中的威胁。下面针对半超结VDMOS的设计应用进行简要解析。

1.VDMOS的器件结构

首先，什么是传统的VDMOS器件，全称为垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管，兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点，无论是开关应用还是线形应用，VDMOS都是理想的功率器件，VDMOS主要应用于电机调速、逆变器、不间断电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。特征: 接近无限大的静态输入阻抗特性，非常快的开关时间，导通电阻正温度系数，近似常数的跨导，高dV/dt。

对于传统的VDMOS，其导通电阻的主要理想化结构如图1所示。

图1　传统VDMOS电阻排列结构

在实际的功率器件使用过程中，不同电压的产品，其导通电阻的各部分组成比例也是不同的。针对高压器件而言，因为JFET效应问题，原胞间距的大小需要控制在10μm左右，避免影响到电子元器件的安全使用。在低压VDMOS中外延层厚度可以做的很薄或者掺杂浓度很高，其漂移区的电阻不再对导通电阻起主导作用，沟道电阻比例增大。在电阻量的控制作用中，其主要的电阻显现率，如表1所示。

对于高压VDMOS器件，为了减小导通电阻或突破Si Limit，现在主流的技术是采用超结技术，但是超结技术具有工艺难度大，成本高，器件可靠性差等缺点，而半超结器件则没有这些短板，其工艺上更易实现，成本相对超结器件也低了很多，而且器件的正向导通电阻大幅降低，单位面积的电流导通能力更强。

表1　不同压VDMOS的电阻因素比例

2.新型半超结VDMOS器件的结构类型

现有的超结理论不断发展，在超结VDMOS的应用中，随着诸多的新材料器件的上市运行，人们对超结器件主要的结构生产工艺也在不断的完善。由于不同的结构在使用上，存在电阻通路上的差异性，因此都需要从现有的结构基础来进行优化处理。于是，引入了半超结器件的概念。如图2所示，半超结器件结构是在超结器件的基础上，在N+外延层上增加了N-衬底支撑层（bottom assist layer）。

图2　结构剖面图

超结器件P柱区的深宽比对其使用中的性能影响较大，因此需要注意其实际的通电性，并根据其不同的影响因素来进行制作工艺上的生产调整。半超结MOS的击穿电压和导通电阻是超结MOS和电压支持层的击穿电压和导通电阻之和。半超结MOS在相同的导通电阻下与超结MOS相比降低了P柱区的深宽比，减少了工艺步骤和难度，节约了成本。

影响击穿特性的因素主要是cell漂移区中的 N 区和 P区的电荷量，半超结是基于电荷补偿的器件 ，如果 N 区和P区电荷不平衡 ，击穿电压便会严重下降。当 N 区电荷大于 P 区电荷时 ，击穿发生在P-body 和 N 区形成的 PN 结；当 N 区电荷小于 P 区电荷时 ，击穿发生在 P区和 N 型电压支持层形成的 PN 结。因此，精确控制P/N区的电荷平衡成为半超结器件工艺控制的关键点。

3.半超结VDMOS器件的实际应用分析

首先，半超结器件通态阻抗小，通态损耗小。由于其Rdson远远低于超结器件及传统VDMOS，因此在系统电源类产品中半超结器件的导通损耗必然较之超结与传统VDMOS要减少的多，其大大提高了系统产品的效率，半超结的这个优点在大功率、大电流类的电源产品上，优势表现的尤为突出。其次，同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。同等电流以及电压规格条件下，半超结的晶圆面积要小于超结及传统VDMOS工艺的晶圆面积，这样作为MOS的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。并且，由于半超结器件导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际应用中往往会增加散热器来降低MOS单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于半超结器件可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用半超结器件后可以将散热器彻底拿掉，其有效的提高了系统电源类产品的功率密度。

除了上述提到的优点外，作为功率器件的半超结在应用上也有其不可避免的缺点。如EMI可能超标、栅极震荡现象较突出、纹波噪音差等，这些都需要在器件应用中不断进行总结分析，再结合设计与工艺上的优化，逐步对其进行完善。

4.结束语

随着现代技术的不断成熟，在信息应用技术的发展中，半超结器件的使用，为现代社会的发展提供了一定的技术保障。而其中所衍生出来的诸多元器件，在使用上，也极大的满足了不同领域内的应用需求，伴随着新型材料的不断涌现，对半超结这一类特种器件的发展势必将起到锦上添花的作用，加速其发展进程，使其更快的达到一个新的辉煌时代。

［1］马超.半超结型VDMOS的设计与仿真优化［D］. 中国科学院大学（工程管理与信息技术学院）， 2014.

［2］陈文高，荆吉利，孙伟锋.半超结VDMOS的研究［J］.微电子学，2009， 39（4）：584-587.

［3］任敏，李泽宏，张金平，等.超结VDMOS器件的研究及最新进展［C］// 2011’全国半导体器件产业发展、创新产品和新技术研讨会，2011.