在这项工作中得到的半超结MOSFET具有超过1500V的BV，同时实现了极低的Ron,sp和开关性能的优化。所制备得到的MOSFET结构由顶部超结区域（SJ）和底部缓冲层（BL）组成，通过优化这两个区域的比例可以得到上述优化的结果。实验结果验证，该器件的BV约为1550V，Ron,sp约为12.4Ω·mm2。此外，该MOSFET表现出了约为12.5nC的低栅漏电荷QGD，并且体二极管的反向恢复特性与过往报道的SJ-MOS相比更软。
背景介绍
目前大多数所报道的Si基SJ-MOSFET的最大击穿电压仅约为900V。但是目前更多的应用场景需要在更高击穿电压范围，并同时降低Ron,sp。而开发得到更高电压范围的SJ-MOSFET的主要挑战在于工艺成本的增加和实现器件参数之间的平衡。具体地，更高的BV的SJ-MOSFET需要更长的P柱和N柱。例如，基于多层外延生长技术的平台下，通过多重B注入和随后的N型外延生长工艺来形成具有P柱的N型漂移层。每个生长步骤的厚度和数量随着BV呈比例的增加。同样地，在其它SJ结构形成工艺中，例如沟槽填充外延生长、沟槽刻蚀深度、工艺步骤的总数和整体工艺复杂性也随着BV的增加而增加。
为了实现更好的性能，如更低的Ron,sp、更高的BV或更好的开关特性，本文提出了一种1550V的半SJ-MOSFET，这个器件采用8层外延层和n型的底部缓冲层。此器件具有较低的Ron,sp、较低的栅漏电荷QGD和良好的体二极管反向恢复特性。
器件结构
下图a展示了所设计得到的SJ结构和底部N型缓冲层（BL）的1550V的半SJ-MOSFET。下图b则是半SJ-MOSFET的BV是由SJ结构和底部BL结构串联而产生的耐压之和。因此，可以通过增加SJ层的总厚度或者通过增加BL厚度的同时降低BL的掺杂浓度来增加BV。
SJ-MOSFET的较高BV需要较厚的SJ结构以维持耐压，且需要较宽的横向间距以维持P柱和N柱的深宽比。这是因为制造SJ-MOSFET结构所需的工艺复杂性或工艺步骤的数量增加。对于半SJ-MOSFET，要在固定的BV下实现最小的Ron,sp，需要综合考虑SJ区域和N-BL区域之间的比例rT，其中rT定义为rT=TSJ/(TSJ+TBL)。TSJ和TBL分别是SJ区域和BL区域的厚度。
半SJ-MOSFET的器件参数如下。为了减少纵向上的外延数量，单个外延层的厚度约为8.5-9.5um，并且n-BL层的厚度在40-50um的范围内。该器件具有17.6um的元胞尺寸，可实现高沟道密度、低工艺成本和低Ron,sp。
仿真结果
下图a展示了1550V的半SJ结构的等势线。击穿时的碰撞电离如下图b。从图里可以看到，所设计的半SJ-MOSFET中的SJ结构和BL结构在雪崩击穿时都具有优化的等势线分布。另外，雪崩击穿发生在一个相对理想的位置，也就是SJ区域和BL区域的交界处，使得器件的击穿特性更加稳定，可靠性也更高。下图c则是展示了电场在纵向上的分布，图里看到无论在n柱区域和P柱区域，元胞区域内的峰值电场强度保持在2.5e5V/cm。
仿真中的BV和Ron,sp作为电荷不平衡的函数如下图所示。当结构优化良好时，仿真结果显示出较低的Ron,sp（低于13Ω·mm2）和高于1500V的BV。通过仿真研究了7次外延和8次外延的两种器件结构，其rT值分别为0.6和0.63。
当SJ-MOSFET保持不同的BV时，Ron,sp与BV的2.5次方呈比例。为了获得更理想的品质因素（FOM=BV2.5/Ron,sp），作者在设计中优化了SJ区域和BL区域之间的厚度rT。上图中就显示了Ron,sp权衡下的rT和FOM之间的关系。这些结果都验证了具有优化的rT的半SJ-MOSFET在工艺成本和器件特性之间实现了更好的权衡。
实验结果
基于多次外延工艺线，作者得到了如下图所示的器件实物，其中器件的SJ区域和BL区域的厚度分别为65-75um和40-50um。实验采用8次外延，元胞间距为17.6um，元胞面积约为12.4mm2。
设计得到的器件静态测试曲线如下图。其中输出特性曲线、击穿特性曲线和阈值电压的测试结果与仿真结果类似。测试的器件在线性区内的Ron,sp小于13Ω·mm2，BV约为1550V，且击穿前的漏电流小于10nA。并且器件常温下的在IDS=1mA时Vth约为3.5V。
所得到的器件不仅实现了超低的Ron,sp，而且还表现出了超低的栅漏电荷QGD，波形如下。通过在VDD=960V和IDS=5A条件下测试，器件的QGD约为12.5nC。与常见的VDMOS相比，半SJ结果降低了Ron,sp和Ron×QGD。因为Ron,sp=Ron×A，A是器件有源区面积，QGD又取决于芯片有源区面积和MOS的栅极结构，因此在半SJ-MOSFET的情况下，因其减小芯片面积带来的超低Ron,sp，也会导致QGD的减小。所以半-SJ结构不仅具有低导通电阻，还具有高工作频率的优点。
在SJ结构中，因P柱和N柱在低反向电压下的耗尽，注入的电子空穴必须被完全移出，这就会导致体二极管表现出硬反向恢复的特性。突然的电流下降对其它电路元件产生影响，带来较高的功耗。在半SJ结构中，N型BL在高反向电压逐渐耗尽。因此SJ结构下方的附加缓冲层实现了软反向恢复特性。实测得到的反向恢复波形如下。体二极管的软度因子大于1，超过了SJ器件的软度因子2-4倍。
下图则是展示了器件在BV和Ron,sp之间的权衡，并且对比了Si基极限能力。在1350-1550V的之间，器件的BV和Ron,sp之间有很好的平衡，器件的FOM也达到了最佳，优于以报道的SJ-MOSFET的最优性能。
总结
利用多外延得到的SJ-MOSFET的BV超过1500V，Ron,sp低于13.0Ω·mm2。在本文中，还证明了体二极管的软反向恢复特性和较低的QGD。本工作中所展示的SJMOSFET具有优良的静态和开关特性，从而满足在更高电压和高速条件下的应用。
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