1.1.2 Si功率MOSFET

1.1.2.1 MOSFET基本原理

MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的缩写，中文名为金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是一种常用的单极型开关管。n沟道MOSFET的基本结构如图1-9所示，具有源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）三端，并由栅极金属层（Metal）、作为绝缘材料的SiO₂氧化物层（Oxide）和p型衬底半导体层（Semiconductor）形成了M-O-S结构。

当栅-源电压V_GS为正时，栅极带正电荷，会在栅极下端的p区感应出带负电荷的反型层。当V_GS足够高时，反型层将源极和漏极的n+区连通，形成沟道。此时施加正向漏-源电压V_DS，电子通过沟道流通，MOSFET导通。而当V_GS不够高时，无法形成沟道，MOSFET关断，由反向偏置的pn结承受外加电压。

1.1.2.2 功率MOSFET种类与结构

1.横向双扩散MOSFET和垂直双扩散MOSFET

n沟道MOSFET的导通依赖于栅极下方p区反型后形成的沟道，关断时主要由漏极侧的pn结展宽承受电压。当将图1-9所示结构的MOSFET用作功率器件时存在矛盾：栅极下方p区长度不够时，MOSFET无法承受较高的反向电压，无法满足高压应用的要求；而当栅极下方p区长度过大时，沟道导通电阻过大，导致损耗增加，无法满足大电流应用的要求。

为了调和上述矛盾，在p区和漏极n+区增加一个低掺杂的n-区作为漂移区，成为横向双扩散MOSFET，即LDMOS（Laterally Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor），如图1-10所示。当LDMOS承受反向电压时，由于p区掺杂浓度远高于漂移区，因此耗尽区主要在漂移区扩展，阻断电压主要由漂移区的长度和掺杂浓度决定。此外，漂移区的电阻率低于沟道。则对于LDMOS，只需要增大漂移区的长度，就可以在提升阻断电压的同时使导通电阻相对增加得更少，实现了对阻断电压和导通电阻的折中。

为了提高耐压能力，就需要不断增大LDMOS漂移区的长度，从而导致漂移区导通电阻增大。同时，电流是在LDMOS表面是从漏极到源极横向流动的，而大部分衬底材料没有得到有效利用，占用芯片面积较大，不利于MOSFET的小型化。

为了改善上述问题，将漏极移动到芯片的背面、与源极和栅极相对，成为垂直双扩散MOSFET，即VDMOS（Vertical Double-Diffused Metal-Oxide Semiconduc tor），如图1-11所示。在VDMOS中，电流垂直穿过MOSFET，最大限度地利用了漂移区，使其横截面积最大、沟道宽度最宽，从而显著降低了漂移区的导通电阻。VDMOS的阻断电压主要由漂移区的厚度决定，只需要增大漂移区厚度就可以提高阻断电压，不会影响芯片面积。另外，源极和漏极分别位于芯片的两面，轻松解决了高电压器件的绝缘问题。

按照电子流过VDMOS的顺序，其导通电阻R_DS(on)依次包括：源极电阻R_Source、沟道电阻R_ch、电子离开DMOS元胞时JFET效应使元胞间电流通路变窄带来的电阻R_JFET、漂移区电阻R_drift和漏极电阻R_Drain，如图1-12所示。

不同电压等级的VDMOS，其各部分导通电阻占总R_DS(on)的比例见表1-1。低压VDMOS中，R_ch和R_JFET占比较大；高压VDMOS中，R_drift占总R_DS(on)中的绝大部分。为了降低R_DS(on)，针对低压和高压器件，分别开发了沟槽技术和超级结技术，将在下文中详细介绍。

2.沟槽栅MOSFET和屏蔽栅MOSFET

提高VDMOS的元胞密度可以降低R_ch，但会使R_JFET增大，两者存在矛盾。通过使用沟槽栅技术，将栅极结构从贴在芯片表面变为分隔在元胞间的沟槽，从而使沟道从水平方向转变为竖直方向，成为沟槽栅MOSFET，即Trench MOSFET，如图1-13所示，常见的沟槽栅有V形和U形。

VDMOS的JFET效应主要是由于元胞的pnp结构产生两个反偏的耗散层，同时n-区浓度较低，因此耗散层较宽，限制了元胞间电流通路的截面积。沟槽栅结构避免了pnp结构的产生，竖直沟道的出口直接连接了开放的漂移区，JFET效应被完全消除。此外，相比水平方向，垂直方向沟道占用芯片面积很少，元胞密度可以进一步提高。则在相同的器件尺寸下，更多的元胞并联也会使R_drift减小。

当采用沟槽栅后，单个元胞的栅极与漂移区接触面积变大，同时元胞密度更高，这使得栅-漏电容C_GD也随之变大，导致栅电荷Q_G变大、驱动损耗增加、开关速度变慢。为了降低C_GD，在沟槽栅中增加一层屏蔽栅，将下半部分的屏蔽栅与源极相连，成为屏蔽栅MOSFET，即SGT（Shielded Gate Trench）MOSFET，如图1-14所示。这就使得原本的C_GD转换为栅-源电容C_GS和漏-源电容C_DS，C_GD显著降低。

3.超级结MOSFET

高压VDMOS的R_DS(on)主要由R_drift决定，同时漂移区厚度决定阻断电压，其单位面积导通电阻R_DS(on),sp与阻断电压的2.5次方成正比。R_DS(on),sp随着阻断电压的升高而迅速增大，使得VDMOS无法同时满足高阻断电压和大电流，限制了其应用领域。

采用超级结技术，在VDMOS的基础上将p区向下垂直延伸，成为超级结MOSFET，即SJ-MOSFET（Super Junction MOSFET），如图1-15所示。在截止状态下，p柱和n-柱形成横向pn结，产生横向耗尽，只要满足pn柱区的电荷平衡，就可以使空间电荷区横向展宽，将n-区全部耗尽，形成一个近似矩形的电场，耐压能力得以提升。而在导通状态下，载流子从源极通过沟道进入超级结的n-区，然后进入n+衬底到达漏极。从上面的分析可以看出，在不影响耐压能力的前提下，提高n-柱区的掺杂浓度即可显著降低漂移区电阻，进而显著降低导通电阻，使得其R_DS(on),sp与阻断电压的1.4次方成正比。