原创 沟槽栅低压功率MOSFET 的发展（1）

　　近些年国际上众多公司和学者都在针对进一步减小Q_g 和R_ds（on）进行研究，有大量相关的专利和论文。本篇主要针对用于低侧的超低压MOSFET对国际上用以改善R_ds（on）的新工艺和新方法做一简要的阐述。

　　器件漏源通态比电阻R_ds（on）是器件单位面积开态时漏源之间的总电阻，它是决定器件最大额定电流和功率损耗的重要参数。早期用于低压的MOSFET 大都是使用平面工艺，但是由于平面工艺MOSFET 其本身条件的限制（主要是体内JFET 器件的限制），单个原胞的面积并不能减的很小，这样就使增加原胞密度变得很困难，限制了平面工艺MOSFET 向进一步减小R_ds（on）的方向发展。在这种情况下，为了进一步增加原胞密度，提高单位面积芯片内的沟道总宽度，现在普遍采用挖槽工艺制作MOSFET，通常称之为沟槽MOSFET。对于传统沟槽MOSFET 来说，理想情况下，R_ds（on）由五部分组成，如图1 所示。

R_ds（on）＝R_N+ + R_CH + R_A + R_D + R_S （1）

　　R_N+――源区N^＋扩散区电阻。由于N^＋区掺杂浓度很高，所以电阻很小。因此这一部分电阻相对于组成R_ds（on）的其它电阻而言是可以忽略的。

　　R_CH――沟道电阻，即栅极下沟道电阻。对于低压MOSFET，R_CH 是组成R_ds（on）最重要的参数。沟道宽长比、栅氧厚度和栅极电压的变化都能够影响R_CH 的变化。

图1. 传统沟槽MOSFET结构及内部电阻示意图

　　R_A――当外加栅压时，N^-外延层中的电荷在栅极下表面产生积累，在沟道和JFET 区之间形成一条电流通路。这一积累层的电阻就是R_A。R_A 受积累层电荷和表
面载流子迁移率的影响。

　　R_D――漂移区电阻，主要是外延层中的电阻。外延层是在衬底的硅片上生长的一层高阻层，用来承受高压。在外界电压的作用下，载流子在这些区域中是作漂移运动，所以相应产生的电阻称作漂移区电阻。对于高压MOSFET，漂移层电阻是决定通态电阻最为重要的因素。

　　R_S――衬底电阻。对于高压MOSFET，R_S 可以忽略。但是对于低压MOSFET，特别是击穿电压小于50V 的器件，R_S 会对R_ds（on）产生较大的影响。

　　由图1 可以看出，传统沟槽MOSFET 与平面MOSFET 相比减少了JFET 电阻，而且由于沟槽结构的沟道变为纵向，其占有面积要比横向沟道小，所以其原
胞密度可以进一步得到提高。

　　由（1）式看出，对于超低压MOSFET，减小R_ds（on）可以通过减小其各组成因素实现，即减小沟道电阻R_CH、积累层电阻R_A、漂移区电阻R_D 和衬底电阻R_S。另外，减小源区接触电阻也能够对减小R_ds（on）作出一定的贡献。

　　要减小上述电阻，一种直观的方法是增加导电通路各区的掺杂浓度。但是单纯的增加掺杂浓度会很大程度上降低器件的击穿电压。我们知道，改善器件的通态电阻受到材料和击穿电压的限制，这是由于“硅极限”的存在和要维持一定的击穿电压要求有一个相对厚的、低掺杂的外延层。通态电阻正比于击穿电压的2.4 到2.6 次方，即通态电阻随着击穿电压的提高呈指数倍的升高，也可以理解为通态电阻的减小也是以击穿电压的减小为代价的。所以，在优化器件通态电阻的同时，还应兼顾满足器件的耐压条件，也就是在通态电阻和器件耐压之间寻找一个最好的折衷（trade-off）。

沟槽栅低压功率MOSFET 的发展（２）

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