面对激烈竞争 功率MOSFET有何发展前景？ |
| 2013-12-08 22:30 作者：www.guigu.org 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：由于世界市场的激烈竞争，各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计、改进新的工艺、开发新的产品。好些产品甚至每个季度都有新的发展，品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度。因此详细介绍器件发展的新趋势，就显得更为必要了。
关键词：栅极电荷、通态漏源电阻、功率MOSFET
IR功率MOSFET的基本结构中每一个六角形是一个MOSFET的原胞（CELL）。正因为原胞是六角形的（HEXANGULAR）,因而IR常把它称为HEXFET。功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。已风行了十余年的IR第三代（GEN－3）HEXFET每平方厘米约有18万个原胞，目前世界上密度最高的IR第八代（GEN－8）HEXFET每平方厘米已有1740万个原胞。这就完全可以理解，现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。
作为功率MOSFET来说，有两项参数是最重要的。一个是RDS(ON),即通态时的漏源电阻。另一个是QG，即栅极电荷，实际即栅极电容。栅极电容细分起来可分成好几个部分，与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系。除此之外有些瞬态参数也需要很好考虑。
一、通态漏源电阻RDS(ON)的降低
为降低RDS(ON)，先要分析一下RDS(ON)是由哪些部分组成。这些电阻主要包括：
1、RCH：沟道电阻，即栅极下沟道的电阻。
2、RJ：JFET电阻，即把各原胞的P－基区（P－BASE）所夹住的那部分看为JEFT。
3、RD：漂移层电阻，主要是外延层中的电阻。
（1）降低沟道电阻。当前功率MOSFET发展的一个重要趋势就是把单个原胞的面积愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是为了降低沟道电阻。为什么提高原胞的密度可降低沟道电阻呢？HEXFET的电流在栅极下横向流过沟道。其电阻的大小和通过沟道时的截面有关。而这个截面随器件内原胞周界的增长而增大。当原胞密度增大时，在一定的面积内，围绕着所有原胞的总周界长度也迅速扩大，从而使沟道电阻得以下降。
为进一步增加原胞密度，也可以采用挖槽工艺。通常称为TRENCH(沟槽)MOSFET。沟槽结构的沟道是纵向的，所以其占有面积比横向沟道小。从而可进一步增加原胞密度。有趣的是，最早做功率稍大的垂直型纵向MOSFET时，就是从挖槽工艺开始的，当初称为VVMOS,但由于工艺不成熟，因而只有当平面型的VDMOS出现后，才有了新一代的功率半导体器件的突破。当前一统天下的纵向结构功率MOSFET，也有可能吸纳横向结构而为低压器件注入新的发展方向。
2）降低JFET电阻
为降低JFET电阻，很早就采用了一种工艺，即增加所夹沟道中的掺杂浓度，以求减小JFET的沟道电阻。
沟槽式结构也为降低JFET电阻带来好处。原结构中的JFET在沟槽型结构中已经消失。这也就使其RDS(ON)得以进一步下降。然而沟槽式的缺点是其工艺成本要比原平面型的结构较高。
（3）降低漂移电阻
当要求MOSFET工作于较高电压时，必需提高硅片的电阻率。在双极型晶体管中（晶闸管也一样），有少数载流子注入基区来调节体内电阻，所以硅片电阻率的提高对内阻的增加影响较小。但MOSFET则不属于双极型晶体管，它依赖多数载流子导电，所以完全是以外延层的电阻率来决定其RD。因而使MOSFET的RDS(ON)与器件耐压有一个大概2.4到2.6次方的关系。即要求器件的耐压提高时，其RDS(ON)必然有一个十分迅速的上升。这也是为什么在600伏以上常采用IGBT的原因。IGBT是绝缘栅双极型晶体管的简称，IGBT虽然结构与MOSFET相似，但却是一种双极型器件。它也是采用少数载流子的注入来降低其体电阻的。
一个十分聪明的构思又为功率MOSFET提供了一条新出路。如果N－沟道MOSFET中的P基区向体内伸出较长形成一个P柱。则当漏源之间加上电压时，其电场分布就会发生根本的变化。通常PN结加上电压时，电位线基本上是平行于PN结面的。但这种P柱在一定的设计下可使电位线几乎和元件表面平行。就像P柱区和N－区已被中和为一片高阻区一样。于是就可以采用较低的电阻率去取得器件较高的耐压。这样，RDS(ON)就因较低的电阻率而大大下降，和耐压的关系也不再遵循前面所提到的2.4到2.6次方的关系了。这样一种思路为MOSFET拓宽了往高压的发展，今后和IGBT在高压领域的竞争就大为有利了。
通过上面的各种努力，IR公司MOSFET的RDS(ON)正逐年下降，或者说，正在逐季下降。应用工作者如何抓住机会跟上器件的发展，及时把更好性能的器件用上去，就变得十分重要了。
二、栅电荷QG的降低
MOSFET常常用在频率较高的场合。开关损耗在频率提高时愈来愈占主要位置。降低栅电荷，可有效降低开关损耗。
为了降低栅电荷，从减小电容的角度很容易理解在制造上应采取的措施。为减小电容，增加绝缘层厚度（在这儿是增加氧化层厚度）当然是措施之一。减低电容板一侧的所需电荷（现在是降低沟道区的搀杂浓度）也是一个相似的措施。此外，就需要缩小电容板的面积，这也就是要减小栅极面积。缩小原胞面积增加原胞密度从单个原胞来看，似乎可以缩小多晶层的宽度，但从整体来讲，其总的栅极覆盖面积实际上是增加的。从这一点来看，增加原胞密度和减小电容有一定的矛盾。
采用了上述措施，IR产生了第3.5代。也称为低栅电荷MOSFET。第3.5代的米勒电容下降80％，栅电荷下降40％。当然第3.5代还有许多其它措施来降低RDS(ON)（降低了15％），这样所带来的好处不仅是开通速度快了，温升降低了，也带来了DV/DT能力的提高，栅漏电压的增高，同时也降低了驱动电路的费用。所以对应用工作者来说，将大家最为熟悉的第三代改换用第3.5代的时机已经来到。为缓解原胞密度增高后栅面积增大引起栅电荷过分增大的问题，一种折衷的结构也随之出现。那就是将漏极的原胞结构改为条状漏极。这时候可以有同样窄的栅极（条密度很高）而不至于增加太多栅极面积，所以栅电荷得以减小。
为了追求更低Rds(on)的MOSFET，同时又要求有更快速的性能，一种完全崭新结构的MOSFET还会出现。 |
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