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深P区沟槽栅功率MOSFET性能研究

2026-02-10 14:45:01

为解决传统结构存在的雪崩击穿位置随机变化问题,前人在每个元胞中引入深P扩散区,深P区沟槽栅功率MOSFET由此发明,

图片来源:网络

如上,deep P+即为深P扩散区(上图删去deep P+即为传统结构),

引入deep P+的作用有二:

1、deep P+和N外延形成的PN结会改变器件内部的电场分布,降低栅氧化层电场,

2、通过穿通雪崩(由深P+ / N外延/ N+衬底结构决定)钳位最大电压,避免雪崩过程发生栅氧损坏,

但这种方案的代价是——深P+区会压缩电流路径、限制电流扩展(见上图黄色区域),器件导通电阻因之增大。

为了解决深P+区带来的导通电阻增大问题,1995年,前人又鼓捣出一种改进方案,

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如上,思路很简单——不再每个元胞都设深P+区,而是N个元胞设一个深P+区,

通过仿真证明,当N=16时,可实现与单元胞钳位相媲美的雪崩能力,

在30V沟槽栅功率MOSFET中应用这种方案,结果显示,器件元胞密度提升接近2倍,达到5 Mcell/cm²,导通电阻降低50%,为上一代沟槽栅功率MOSFET的一半,

电阻的降低,既源自沟道密度的增大,也源于大部分元胞不存在深P+区,电流扩展更加顺畅。

图片来源:网络

这张图是两种深P区沟槽栅功率MOSFET方案的性能对比,

Unit Cell Clamp为每个元胞都设深P+区,1-of-16为N个元胞设一个深P+区,

横轴元胞密度(每平方厘米芯片,有多少个元胞),纵轴比导通电阻,

前者呈现U型,

即,当元胞密度较小时,随着元胞密度的增加,器件电阻逐渐减小,这是因为沟道密度增加带来并联的沟道宽度增加。

存在一个元胞密度最优值,此时器件导通电阻最小,

再往后,随着元胞密度的增加,器件电阻又开始逐渐增大,

为什么会这样?

因为元胞密度太大,意味着元胞间距很小,此时每个元胞内部,相邻深P区靠得太近,电子从沟道出来后,向漂移区的扩展路径被压缩,

换言之,设置深P+区,相当于在沟槽栅功率MOSFET中又引入了JFET区电阻。

道理很简单,在基本结构中,P阱被沟槽隔断,且P阱的深度小于沟槽深度,于是消除了JFET区电阻,

而在深P区结构中,深P+区的底部在沟槽底部之下,于是沟槽无法完全隔断相邻的P区,又形成JFET区电阻。

沟道密度越大,元胞间距越小,引入的JFET区电阻增长越快,最终完全抵消沟道密度增大带来的沟道电阻降低之收益。

而如果N个元胞设一个深P+区,在统计范围内,随着元胞密度的增大,器件导通电阻单调降低,

原因是该结构多数元胞中不存在JFET电阻,电流扩展更加顺畅。

图片来源:网络

与这张图对比,看得更明显,

横轴是元胞密度,纵轴是比导通电阻,

为什么平面MOS呈现U形,而沟槽MOSFET随着元胞密度的增大,电阻单调降低(这里的沟槽MOSFET是传统结构)?

其实是同样的道理,

对平面MOS而言,随着元胞密度的增大(元胞间距的减小,比如从10μm降到5μm),每平方厘米芯片中包含的沟道数量随之增大,沟道电阻因而降低,

但元胞密度继续增大,JFET区电阻开始急剧增大,

因为相邻P阱的间距太小,耗尽区严重挤压导电路径,电流拥挤效应导致JFET区电阻骤增。

换言之,对平面MOS而言,元胞密度的增大应该存在某个临界点,

在此之前,沟道电阻降幅胜过JFET电阻增幅,于是总电阻降低,

在此之后,JFET电阻增幅胜过沟道电阻降幅,于是总电阻增大。

而传统沟槽MOSFET之所以未出现该现象,是因为沟槽的存在直接隔绝了相邻P阱区,相当于消除了JFET区,

电子从沟道出来后,直接向下进入漂移区,不需要在两个相邻P阱之间的狭窄通道中堵车。

平面MOS则不然,沟道位于半导体表面,导致电子从沟道出来后,必须经由相邻P阱之间的JFET区域,如下图,

白色虚线是俺随意画的耗尽区边界,红色箭头是电流路径被挤压后的情形,

若元胞密度太大,元胞间距太小,意味着JFET宽度太小,

可以想象,电流路径被挤压得更厉害,在此处发生严重堵车,车流量骤降。

于是有此差异。

换句话说,在沟槽栅功率MOSFET中引入深P+区,从JFET区的角度看,本质上是将其还原成平面MOS,只不过JFET区位置更深而已,

当然,沟道方向改变带来的迁移率提升,导致沟道电阻降低,以及元胞间距缩小带来的沟道密度提升,这部分仍然存在收益。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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深P区沟槽栅功率MOSFET性能研究
为解决传统结构存在的雪崩击穿位置随机变化问题,前人在每个元胞中引入深P扩散区,深P区沟槽栅功率MOSFET由此发明,图片来源:网络如上,deep P+即为深P扩
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