作者提出了一种具有自调整电子路径（Self-adjustelectronpath，SEP）的新型SJ-MOSFET，SEP由一个浮空欧姆接触和两个寄生二极管沟槽。在关断状态下，SEP由两个寄生二极管形成耗尽层，从而抑制漏电流的增加。在正向导通状态下，SEP通过浮空欧姆接触的设计实现N柱和P柱之间的电荷平衡，而不增加比导通电阻；在反向导通状态下，SEP通过FOC实现电子和空穴之间的转变，降低了少数载流子电流和少子注入。作者所提出的结构通过仿真验证了峰值反向恢复电流IRRM降低了40.8%，反向恢复电荷Qrr降低了60.1%，软度系数S提高了45.7%，在不降低其它电学特性的前提下，改善了反向恢复特性。
背景介绍
SJ-MOSFET因电荷补偿的概念，突破了Si基的Ron,sp和BV的极限，目前广泛应用于功率转换的器件中。但是，SJ-MOSFET中的寄生体二极管表现出较差的反向恢复过程，导致了较大的功耗，甚至造成器件失效。目前已有的报道最小化体二极管的反向恢复电荷的方法有局域寿命控制、集成肖特基二极管和集成MOS沟道二极管。但是，反向恢复电荷通常随漏电流IDSS或Ron,sp的增加而减少。
为了在不增加漏电流和Ron,sp的情况下减少反向恢复电荷，作者提出了一种具有自调整电子路径（SEP）的SJ-MOSFET，并利用仿真进行验证。因SEP的引入，采用了兼容的流片工艺，在反向导通状态下，少子电流和少子注入显著减小，从而减小了反向恢复电荷，提高了软度因子。
结果与讨论
器件结构
下图a和b展示了所提出的SEP-SJ-MOS与传统SJ-MOS的示意图。SEP-SJ-MOS的特征在于Pwell和浮空Pwell之间的SEP。SEP通过浮空欧姆接触FOC连接N柱和P柱。对应的等效电路如下图c和d所示。SJ-MOSFET中有两个寄生二极管，D1由P-Bdoy/N柱的PN结形成，D2由P柱/N柱的PN结形成。D3由P-Body/N-SEP的PN结形成。D4由浮空P-Body/N-SEP的PN结形成。
在关断状态下，D3和D4都被反偏，SEP被耗尽，抑制了漏电流的增加。而在正向导通下，D3被MOS的沟道短路，D4则被FOC短路，P柱和N柱的电位相同，抑制了N柱的耗尽以及导通电阻的增大，此时的SEP-SJMOS等效于常规SJMOS。在反向导通状态下，D4被FOC短路，D2和D3串联，具有较高的正向压降，这就减少了D2的少子注入。通过D1和D3将少子注入到N柱和SEP中。SEP中的少子可以通过势阱被浮空的P-body吸引，并通过FOC转变为电子。电子则通过SEP和N柱直接流入到漏极。在多子电流的作用下，减少了少子电流和少子注入，从而显著减少了反向导通状态下的储存的少子，使SEP-SJMOS在不降低其它电学特性的情况下实现了低反向恢复电荷。
仿真结果
作者采用下表中的参数定义SEP-SJ-MOS和SJ-MOS。
下表a展示了两种器件阻断特性的仿真结果。在300K时，SEP-SJMOS的漏电流并不会因SEP的引入而增加；在400K时，SEP-SJMOS的漏电流密度略高。击穿时，两种器件的电场分布如下图b。两种结果沿着N柱中心线AA’和P柱中心线BB’的电场分布几乎相同。在SEP-SJMOS中，SEP被寄生体二极管D3和D4被完全耗尽，抑制了了表面处的电场和漏电流的增加。
下图a显示了两种器件IV特性的仿真结果，两种器件在正向导通状态下具有相同的Ron,sp。而在反向导通状态下，SEP-SJMOS在比SJ-MOS低的正向电压下开始导通。在电流密度IDS=-10A/cm2时，因多子电流的作用，VFSD减小了0.06V，在高电流密度IDS=-100A/cm2时，因少子电流的减小，VFSD增大了0.03V。
而IDS=-10A/cm2和IDS=-100A/cm2时仿真得到的电流密度如下图b和c。在SJ-MOS中，电流几乎均匀地分布在N柱和P柱内，这表明D1和D2都已经导通。而在SEP-SJMOS中，少子会被吸引到浮空的P-body上，并通过FOC转化为电子。D2的导通被抑制，电流主要由N柱传导。在低电流密度下，P柱几乎没有电流，N柱中也没有少子电流，如下图b。在高电流密度下，P柱中电流增加，且N柱中的少子电流的比例也在增大，如下图c。
在IDS=-10A/cm2和IDS=-100A/cm2时，SEP-SJ-MOS和SJ-MOS中的少子分布，如下图所示。因少子电流和少子注入的减少，N柱中的空穴密度和P柱中的电子密度显著降低。
SEP-SJMOS和SJMOS的反向恢复波形的仿真结果如下图a，VCC设置为300V，杂散电感LS=20nH。器件面积设置为10mm2，电流密度为100A/cm2。通过减少反向导通时的少子，反向恢复峰值电流IRRM降低了40.8%，反向恢复电荷Qrr降低了60.1%，软度因子S(S=tb/ta)提高了45.7%，抑制了反向恢复时的震荡。
通过改变Rg，di/dt对IRRM和反向恢复峰值电压Vrrm的影响如下图b所示。IRRM和VRRM都会随di/dt增大而增大。SEP-SJMOS具有更好的IRRM和VRRM可控性，在相同的di/dt下，IRRM和VRRM均明显降低。
SEP区域的宽度WSEP和掺杂浓度NSEP对器件的IRRM和IDSS影响如下所示。对于固定的WSEP，随着NSEP的增加，在关断状态下SEP难以耗尽，导致了IDSS增加。此外，增大NSEP可以减少少子的注入，而SEP的电阻减小可以增加多子电流。增大WSEP和增加NSEP具有相似的效果，NSEP选择为5e15/cm3，以采用兼容的流片工艺制造，WSEP选择为0.4um，以降低IRRM而不增加IDSS。
仿真得到的VGS-QG特性和开关波形如下所示。SEP-SJMOS和SJMOS具有几乎相同的波形。SEP-SJMOS在不降低其它电学特性的情况下实现了更好的反向恢复特性。
器件的流片工艺如下。
总结
提出了一种新型的SJ-MSOFET，其电子路径可自调节，以减少反向恢复电荷。TCAD模拟结果表明，SEP的引入在不增加漏电流IDSS和Ron,sp的情况下，有效地降低了反向导通状态下的少数载流子电流和少数载流子注入，可以实现反向恢复电荷Qrr的60.1%的降低和柔软度因子S的45.7%的提高。
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