超結(jié)（SJ）硅MOSFET自1990年代后期首次商業(yè)化用于功率器件應(yīng)用領(lǐng)域以來，在400–900V功率轉(zhuǎn)換電壓范圍內(nèi)取得了巨大成功。參考寬帶隙（WBG）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件，我們將在本文中重點(diǎn)介紹其一些性能特性和應(yīng)用空間。

SJ MOSFET

讓我們研究一下導(dǎo)致平面Si N-MOSFET導(dǎo)通電阻（RDS（ON））的因素，如圖1所示，以了解SJ MOSFET的優(yōu)點(diǎn)和概念。

圖1：平面N-MOSFET，顯示導(dǎo)通狀態(tài)電阻元件（來源：1)

對于額定電壓為30V的器件，對RDS（ON）的漂移區(qū)域貢獻(xiàn)約為30%。隨著額定電壓的升高，該區(qū)域必須變厚，摻雜濃度必須降低。對于額定電壓為600V的器件，該區(qū)域可占總RDS（ON）的95%以上。這個(gè)問題可以通過SJ概念使用電荷平衡思想來解決。為了平衡電子行進(jìn)采用明顯更高的摻雜n區(qū)（與具有類似額定電壓的平面MOSFET相比），圖2顯示了位于漂移區(qū)域的深p摻雜垂直柱。在關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生空間電荷耗盡區(qū)域會(huì)導(dǎo)致電場均勻分布，從而產(chǎn)生高擊穿電壓。

圖2：簡化的SJ N-MOSFET橫截面（來源：2)

對于給定的RDS（ON），SJ器件尺寸可以顯著減小，從而改善開關(guān)行為，如下一節(jié)所述。SJ器件超過了RDS（ON）的Si限制，RDS（ON）于1979年基于1-D泊松理論3建立。根據(jù)SJ器件所需的2D泊松解決方案，可以通過降低圖2所示的間距Cp并增加摻雜濃度來降低RDS（ON）。

工藝/器件挑戰(zhàn)

制造SJ MOSFET的兩種不同方法如圖3所示。左圖顯示了一種多次外延生長方法，其在連續(xù)的n型外延生長之間使用掩蔽的p型植入物。右圖顯示了深溝槽方法，其中為p柱指定的區(qū)域被蝕刻掉，隨后填充這些區(qū)域。

圖3：制造SJ MOSFET的兩種方法（來源：4）。

左圖為多次外延法，右圖為深溝槽，然后進(jìn)行再生

這兩種方法都有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)和權(quán)衡。多次外延法可以垂直調(diào)節(jié)摻雜水平，但摻雜劑的向外擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生可能更難電荷平衡的球形區(qū)域。溝槽方法的優(yōu)點(diǎn)是更精確的橫向控制，以更小的間距創(chuàng)建更平滑的能譜柱，在蝕刻和填充方面存在工藝挑戰(zhàn)。器件面臨的挑戰(zhàn)包括提高雪崩性能。雪崩事件會(huì)影響電荷平衡，可能會(huì)降低擊穿電壓，這對可靠性來說是不希望的。雪崩耐用性涉及RDS（ON）的權(quán)衡。SJ器件的另一個(gè)固有特性是結(jié)面積大，導(dǎo)致反向恢復(fù)電荷（QRR）高，這可能會(huì)限制其在涉及第三象限操作的許多應(yīng)用中的使用。

Si SJ MOSFET的性能和特點(diǎn)

對于非SJ傳統(tǒng)的垂直單極MOSFET，特定的導(dǎo)通電阻可以表示為：

公式1：傳統(tǒng)垂直MOSFET的電阻方程。

這里，BV是擊穿電壓，μ是通道遷移率，e是介電常數(shù)，Ec是臨界電場。對于SJ器件，這將更改為：

公式2：SJ MOSFET的電阻方程。

此處Cp是柱間距，如圖2所示。公式2表明，SJ MOSFET RDS（ON）可以比傳統(tǒng)的硅功率MOSFET小得多。這也顯示在圖4中，該圖將Cp = 1um時(shí)SJ Si MOSFET的RDS（ON）與其它技術(shù)進(jìn)行了比較。例如，600V SJ Si MOSFET在RDS（ON）方面比傳統(tǒng)硅MOSFET小60倍。

圖4：傳統(tǒng)硅、硅SJ、碳化硅和氮化鎵功率MOSFET的比電阻與擊穿電壓的關(guān)系（來源：1）。

SJ Si MOSFET的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是輸出電容COSS相對于VDS施加的漏極電壓的極端非線性行為。圖5顯示了英飛凌歷代CoolMOS?SJ技術(shù)的COSS變化。胞元間距Cp的降低使COSS非線性更加明顯。在高VDS下，COSS可以用板電容器模型近似，其板距離是耗盡電荷的空間寬度。隨著胞元間距的降低，這種橫向耗盡發(fā)生在較低的電壓下。對于給定的RDS（ON），隨著Cp的減小，需要更小的SJ芯片尺寸，從而進(jìn)一步降低COSS。

圖5：歷代英飛凌CoolMOS?SJ硅MOSFET的輸出電容和存儲(chǔ)能量與漏極電壓的關(guān)系（來源：1）。

對于硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，開關(guān)能量損耗很大程度上取決于輸出電容中存儲(chǔ)的能量Eoss，而Eoss又取決于與能量相關(guān)的COSS（er）電容。COSS中的強(qiáng)非線性支持近乎無損的關(guān)斷，因?yàn)镸OS溝道可以在為輸出電容充電所需的時(shí)間范圍內(nèi)完全關(guān)閉。表1比較了傳統(tǒng)和SJ 600V硅MOSFET具有類似RDS（ON）的特性。SJ器件在總柵極電荷（Qg）、米勒柵極漏極電容（Qgd）、反向恢復(fù)電荷（Qrr）和Eoss等關(guān)鍵參數(shù)方面改進(jìn)了15-25%。在這種情況下，SJ器件的雪崩能量額定值EAS僅從較小的芯片尺寸開始降低。然而，在許多大功率應(yīng)用中，過壓能力更為重要，這樣箝位電路就可以有足夠的裕量來觸發(fā)并提供保護(hù)。

表1：600V平面和SJ Si MOSFET與類似RDS（ON）的一些關(guān)鍵特性的比較（來源：6）。

減少柵極電荷有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它能夠?yàn)榻o定的柵極驅(qū)動(dòng)器提供更快的器件切換，或者相反，可以使用較低電流的驅(qū)動(dòng)器，從而降低總功耗。SJ器件改進(jìn)的另一個(gè)關(guān)鍵途徑是反向恢復(fù)電荷QRR。這在需要連續(xù)換向第三象限電流的硬開關(guān)應(yīng)用中尤其重要，例如在圖騰柱PFC中。獨(dú)立的Si SJ MOSFET不是這些應(yīng)用的首選，而是首選將其與沒有QRR的反并聯(lián)肖特基勢壘二極管（SBD）配對。或用SiC或GaN?等WBG器件替換Si SJ MOSFET。然而，SJ工藝的改進(jìn)，以在體二極管中實(shí)現(xiàn)更快的反向恢復(fù)，例如縮短壽命的鉑擴(kuò)散，使得QRR性能與WBG器件的差距更加縮小。

審核編輯：湯梓紅