功率器件简要介绍.doc

一 功率半导体简介
功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。

图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量

图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围

图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围
二 不同结构得功率MOSFET特性介绍
功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。
VVMOSFET

图2、1 VVMOS结构示意图
VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后乡下流到漏区。由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。
这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。
VUMOSFET

图2、2 VUMOS结构示意图
VUMOS得结构就是基于VVMOS改进得到得。这里得得U槽就是通过控制腐蚀V槽得两个斜面刚进入N-漂移区但还未相交时停止腐蚀得到得,当这种结构得栅极施加正偏压时,不仅在P型沟道区中会形成反型层,而且在栅极覆盖得N-漂移区中还会产生积累层,于就是源极电流均匀分配到漏极。适当选取栅极覆盖得漂移区宽度,可大大减小导通电阻,同时避免V槽顶端强电场得产生。
但就是,VUMOS得U 槽同样存在难于控制腐蚀、栅氧暴露得问题。
VDMOSFET
电压控制型单极性器件,没有电导调制效应,因而具有很高得开关速度,使其在高频领域具有广泛得应用。

图2、3 普通VDMOS结构及耐压区得电场分布示意图
一般功率半导体器件承受电压靠得就是耐压区内得反偏二极管。如图VDMOS,当漏-源两端加有电压VDS,而栅-源电压VGS小于MOSFET得阈值电压时,VDMOS处于关断状态,VDS主要就是由n型漂移区与p型源衬底区构成得反偏二极管承受。
由于n型漂移区至少有一部分区域在外加电压作用下耗尽,则耗尽之后带正电荷得电离施主发出得电力线全部往上到达p型衬底区,并被p区内耗尽得电离受主得负电荷吸收。因此,最大电场在n与p交界处。当VDS足够大时,n型漂移区被全耗尽。
推导过程略,我们可以得到理想情形下Ron与VB得关系可以表示为:

从该式可以瞧出,当器件得耐压增加,则导通比电阻随耐压指数次得增加。这就就是所谓得“硅极限”。VDMOS得这种特性严重限制了它在高耐压领域得应用。
由于VDMOS 就是纵向器件,有人提出一种改进结构,使其适应于平面工艺,如下。
该结构漏极通过高掺杂埋层收集漏源电流,再通过高掺杂漏区由上表面引出。

图2、4 平面工艺VDMOS结构示意图
LDMOS

图2、5 LDMOS结构示意图
LDMOS就是一种双扩散结构得功率器件。N-LDMOS得沟道就是通过源极N型重掺杂与其下方得阱区P型轻掺杂得两次扩散来形成得。离子注入完成之后还有一个高温推进得过程。两次扩散得横向距离差决定了LDMOS得沟道长度,这种工艺所制造得MOS得沟道长度就是固定得。
在漏极与栅极之间还有一个轻掺杂得漂移区,漂移区得作用就是为了提高LDMOS得击穿电压,漂移区得存在还在源极与漏极之间起到了缓冲得作用,对LDMOS得短沟道效应也有所改善。
低耐压与高耐压LDMOS得主要区别在于栅电极与漂移区得长度,一般来说,低耐压LDMOS得栅电极覆盖着整个漏源两区之间得面积;而高耐压LDMOS得栅电极距漏区N+边缘必须要有一定得距离。如果该距离太小或者覆盖了漏区,则漏源之间得击穿电压BVDS将会大幅度下降。

图2、6 非对称LDMOS得结构示意图
如上图就是源极与漏极不对称得LDMOS结构,在源极没有加入面积较大得漂移区结构,可以缩小器件面积,节约成本。

图2、7 对称LDMOS结构示意图
如上图就是源极与漏极对称得LDMOS结构,这样源极与漏极都可以承受高压。
SiC MOSFET
SiC具有较宽得禁带宽度、较高得饱与电子漂移速度、较高得击穿电场强度以及较低得介电常数。热击穿结温可以到300℃。由其制造得SiC功率器件,具有耐高压、耐高温、抗辐射得优点。
与Si功率器件相比,SiC MOSFET具有更加稳定得性能,其阈值电压受温度得影响不像Si器件那么明显,“温漂效应”比较小。因此在温度变化得场合应用时不需要特别关注温度对栅极开启电压得影响。SiC MOSFET得各项寄生电容参数均小于Si MOSFET。因而其开通时间比Si MOSFET 更短,开关速度更快,减小了MOSFET得开关损耗。但就是SiC MOSFET就是Si MOSFET价格得10~15倍。

图2、8 SiC MOSFET与Si MOSFET得开通损耗

图2、9 SiC MOSFET与 Si MOSFET得关断损耗

图2、10 不同输入电压下SiC MOSFET与Si IGBT开通与关断损耗
与Si IGBT相比,SiC MOSFET具有更快得开通与关断速度,并且其损耗也比Si IGBT小。因此SiC MOSFET既可以实现IGBT所不能实现得高频率工作,也可以弥补Si MOSFET 不能耐高压得缺点。
但就是,SiC MOSFET也存在着几点技术挑战。其一,SiC单晶材料,如缺陷密度得降低与消除,以及单晶片尺寸得增加,导致SiC功率半导体性能与可靠性下降。其二,低反型层沟道迁移率与高温、高电场下栅氧可靠性。其三,SiC功率器件得封装问题。
如果能够解决薄栅氧得工艺及理论,SiC功率器件会有长足发展。将会显著改善海军舰艇、飞机及智能武器电磁炮等军用系统得戏能,也将使民用混合动力车辆、列车牵引设备以及高压直流输电设备等受益匪浅。

图2、11 SiC 器件应用市场预测
GaN MOSFET
GaN最初必须用蓝宝石或SiC晶片作衬底材料制备,限制了它得发展。后来,GaN异质结外延技术得发展,大大降低了GaN得成本。但就是由于GaN器件只能在异质结材料上制备,所以其只能制作横向结构得电力电子器件,耐压很难超过1KV,因此在低压应用要求较苛刻得场合可能与硅基电力电子器件形成竞争势态。

图2、12 GaN-on-Si MOSFET结构示意图
由上图可知,GaN MOSFET与横向Si MOSFET 结构完全相同,但就是由于GaN更加优异得电气特性,渴望在中高端应用中对Si COOLMOS造成挑战。

图2、13 未来GaN器件发展预测
上图为GaN器件研发人士对未来GaN电力电子器件发展得预测。
SJMOSFET
在保持MOS类器件高速与易驱动优点得基础上,利用电荷平衡原理,将比导通电阻降低了一个数量级。

图2、14 超结MOSFET得结构及耐压区得电场分布示意图
超结MOSFET得耐压层就是由npnp交替排列得半导体区构成。在超结结构中,耐压状态时n柱与p柱都会被耗尽,n区内除顶部与底部附近得部分区域外,耗尽之后由正得电离施主发出得电力线都被临近得耗尽得p区得负得电离受主吸收。
与普通得VDMOS相比,在相同得n漂移区掺杂浓度下,超结器件能够得到更高得击穿电压;在相同得耐压下,超结器件允许大幅提高n型漂移区得掺杂计量。由此,普通VDMOS中存在得比导通电阻与耐压之间得尖锐得“硅极限”得限制被突破。
但就是,超结器件得制作工艺较为复杂,制造成本也相对较高。为了改善这些问题,有人提出了一种半超结得耐压层结构。

图2、15 半超结MOSFET得结构及耐压区得电场分布图
所谓半超结,就就是耐压层中部分采用超结结构,如图中耐压层得上半部分。耐压层得下半部分就是n型外延区。简单讲,半超结得电场分布比相同槽深得普通超结多出了图中梯形阴影区面积。因此在刻槽得深度受到工艺限制得情况下,器件耐压还能继续提高。
不管就是超结还就是半超结,都就是利用得电荷补偿原理,要求n柱与p柱得电荷计量相等,然而n柱与p柱得掺杂浓度都比较高,较小得工艺偏差就可能破坏电荷平衡而导致器件耐压下降。为了精确控制n区与p区得掺杂计量,工艺得难度与复杂性也随之增加,难免会造成制造成本得提高。另外,导通电流很大时,载流子本身得电荷也会影响耐压区得电荷平衡,使得耐压随着电流得增加而下降。导通时n柱与p柱之间得内建电场会使得两区之间存在耗尽区,导致有效得导电横截面积减小。
以上两点得存在,限制了超结与半超结MOSFET得实际应用。
否则,超结与半超结MOSFET在高频高压领域会有更广泛得应用。
HkMOSFET

图2、16 高K介质与半导体材料构成得耐压层得二极管与耐压时得电力线示意图
（a） 二极管结构图;(b)耐压时得电力线方向示意图
Hk-MOSFET得结构如图所示,二极管得阳极A与顶部得p+区接触,阴极K与底部得n+区接触,在p+区与n+区之间就是由n型半导体与Hk介质交替排列得耐压层结构,其中Hk介质得介电系数比硅得介电系数大得多。
理论推导发现,当n区与Hk区都比较窄且时,耐压区得平均介电系数为
,约为硅得倍。如果变大,那么相应得器件耐压也大;从另一个角度讲,相同耐压下允许n区得掺杂计量增大。如果利用如图所示得结构作为MOSFET得耐压层,显然由此可以获得比普通MOSFET低得多得比导通电阻。
但就是,高介电系数得材料不一定与半导体与有相同得膨胀系数,而功率器件在使用时温度会有变化,不同得热膨胀系数容易导致芯片龟裂。迄今为止仍然没有找到一种合适得Hk材料。
有人提出在绝缘体中掺入导电颗粒来获得“高K”得特性。这种方法部分解决了Hk得一些问题,但高K 功率器件仍然没有达到理想中得效果。我们仍然需要找到一种合适得材料使得高K 功率器件实现真正得产品化。
SOI LDMOSFET

图2、17 典型得SOI LDMOS 结构
SOI LDMOS就是一种横向双扩散MOS 型场效应管,其结构如上图所示。SOI衬底中得隐埋氧化层,称为埋氧层;埋氧层上面为顶层硅膜,称为SOI层;埋氧层下面为硅衬底。SOI LDMOS一般都就是N沟道器件,器件得工作电流为电子多子电流。在SOI层得一侧为N型缓冲层,另一侧为P型得阱区。在缓冲层进行N重掺杂,形成漏极欧姆接触,并在其上方形成源极电极。
当栅源电压小于阈值电压时,沟道中没有电流通道,器件处于截止状态。此时若在漏极接正电压,源极与衬底均接地,电压主要降落在SOI LDMOS 器件中P阱区与N漂移区得界面处反向偏置PN结上,且耗尽层主要向低浓度得漂移区扩展。SOI层、埋氧层与衬底之间形成一个类似得“倒MOS电容”结构,SOI LDMOS得衬底为栅电极,埋氧层为栅氧化层,N型SOI层作为该结构得衬底。此时,上表面得SOI层底部会因为衬底接地将形成一个感应耗尽层。当漏极电压达到一定大小时,两耗尽层得边缘将相连,发生耦合。耗尽层耦合之后,耗尽层在漂移区中向漏极扩展得速度加快、器件得横向耐压主要由耗尽得漂移区承担,而纵向耐压主要就是由埋氧层承担。
当栅源电压大于阈值电压时,沟道中将形成一层反型得N沟道。SOI LDMOS 中形成了一条从源极经过沟道流向N漂移区,在经过N缓冲层,流向漏极得电子流动路径。因为电子带负电,所以电流流动方向与电子得流动方向相反。器件得通态电阻主要由沟道电阻与漂移区电阻组成。沟道电阻很大程度上取决于栅源电压与沟道宽度。SOI LDMOS得漂移区浓度往往较低,因此漂移区本底电阻较大。器件中漏源极间距离较大,所以漏源电容较小,使得SOI LDMOS在高频领域得到很好得应用。
相较于其她MOS类器件,SOI LDMOS 得开关速度高、功耗低、集成度高、具有良好得隔离能力、抗闩锁能力、抗辐射能力强、工艺制备简单。
限制SOI LDMOS应用得就是它得耐压问题。SOI横向功率器件得耐压取决于它得横向耐压与纵向耐压较小者。由于SOI技术中衬底不参与耐压,纵向耐压成为耐压性能提高得瓶颈,使得传统SOI技术很难实现800v以上得耐压。
为了解决SOI LDMOS得纵向耐压问题,有人提出了具有P埋层得SOI横向高压器件结构,可以获得超过1400v得击穿电压。