功率MOSFET基本结构：沟槽结构介绍

 

1. 沟槽双扩散型场效应晶体管

垂直导电平面结构功率MOSFET管水平沟道直接形成JFET效应，如果把水平的沟道变为垂直沟道，从侧面控制沟道，就可以消除JFET效应。

(a) 水平沟道

(b) 垂直沟道

(c) 栅极沟槽

(d) 沟槽结构

图1. 沟槽结构功率MOSFE管

为了形成这种垂直沟道结构，必须在N-外延层中开沟槽，沟槽表面制作氧化层后，在沟槽内部填充多晶硅形成栅极；在沟槽氧化层外侧，通过二次扩散掺杂，形成P-体区，并在P-体区内部形成N+源极区。这种结构制作过程中，需要开沟槽（Trench），称为沟槽结构功率MOSFET管、Trench结构功率MOSFET管。

(a) 沟槽结构立体图

(b) 沟槽结构单个晶胞

(c) 沟槽结构多个晶胞并联

图2  沟槽结构功率MOSFET管立体和截面图

这种结构将栅极埋入基体中，形成垂直沟道，实际上就是使用内部深度来换取芯片表面面积，电流通路从下部衬底漏极，垂直流过N-外延区、沟道和N+源极区，沟道和电流方向平行，没有横向JFET寄生结构，因此，没有JFET效应和JFET电阻，导通电阻非常小；栅极水平方向截面积可以使用很小尺寸，栅极宽度远小于平面结构，寄生栅极漏极电容Cgd，即反向传输电容（米勒电容）Crss，大幅减小，开关损耗大幅降低；栅极宽度小，栅极所占用面积减小，晶胞单元尺寸（Cell Pitch）可以做得更小，芯片流过电流面积增大，芯片面积得到更为充分利用。同样芯片面积，单元尺寸更小，就可以制作更多单元，提高晶胞和沟道单位密度，进一步降低导通电阻。

如果单纯提高单元密度，输入电容Ciss和反向转移电容Crss也会增大，在高频工作条件下会削减低导通电阻获得的优势。这些电容可以通过调整沟槽内侧栅极氧化层厚度，特别是沟槽底部栅极氧化层厚度，来优化和降低这些寄生电容，这也导致生产工艺变得复杂。

早期采用V型沟槽，由于沟槽底部尖角容易形成局部电场集中而产生高电场，影响器件可靠性，现在常用沟槽为U型沟槽。沟槽结构P-体区和N-漂移层形成PN结，称为J1，这个PN结电场强度大，耗尽层区域在P-体区会延展扩大，因此，沟道宽度和P-体区厚度必须相应增大，来保证要求击穿电压，这样会增大沟道电阻。PN结J1高电场在沟槽栅极氧化层中也会产生高电场，特别是沟槽底部拐角处，高电场产生空穴和电子对，影响器件的可靠性。沟槽底部表面圆滑度可以缓解这个问题，但是，氧化层电场强度还是非常大。

沟槽结构导通电阻小，开关速度快，满足现代电力电子技术高频高效、高功率密度的要求。这种结构内部需要开挖沟槽，工艺复杂，沟槽侧壁平直度、沟槽底部表面圆滑度，都影响器件性能，所以，各个单元一致性、跨导特性和雪崩能量比平面结构差，对工艺控制的要求比平面高。沟槽结构主要适用于低压和中压功率MOSFET，如30V功率MOSFET管用于高频非隔离BUCK变换器，80V、100V器件用于通讯系统模块隔离电源，100V、150V器件用于通讯系统热插拔电路。

三种结构功率MOSFET管导通电阻和Qgd关系如图所示。

图3  三种结构的导通电阻和Qgd关系

沟槽结构功率MOSFET管漏极和源极电压，依然由低掺杂N-外延层所承担，电压越高，外延层厚度越大，外延层电阻和器件耐压的2.5次方成正比，外延层电阻是影响总导通电阻主要因素之一。

图3  沟槽结构MOSFET管各部分导通电阻

2. 屏蔽栅（隔离栅）SGT结构

为了提高电源系统效率，降低导通损耗，使用低导通电阻沟槽结构功率MOSFET管，内部芯片面积就会增加；芯片面积增加，栅极和漏极面积都会增大，寄生电容Crss、输入电容Ciss和输出电容Coss都会增大，在高频工作时候，功率MOSFET管开关损耗、驱动损耗都会急剧增加。功率MOSFET管导通电阻RDS(on)和寄生电容是相互矛盾参数，为了减小导通电阻，就必须增加硅片面积；硅片面积增加，寄生电容就会增加，因此对于一定面积硅片，只有采用新工艺技术，才能减小寄生电容。

功率MOSFET管开关损耗主要与Crss、即漏极和栅极电荷Qgd相关，如果减小漏极和栅极相对区域产生的电荷，就可以减小电容Crss值。最为直接方法就是：在沟槽结构MOSFET管栅极沟槽最下面，也就是沟槽底部，引入一个低电位结构，这样，沟槽底部栅极氧化层外面N-外延层中，在反偏状态下，这种结构会辅助由P-Body和N-Epi构成PN结J1进行横向耗尽，形成电场强度更均匀分布耗尽层，从而实现更高击穿电压。这种结构栅漏电容Cgd大部分被转化为栅源电容Cgs，相当于降低漏极和栅极相对区域产生的电荷，从而极大减小寄生电容Crss值，提高功率MOSFET管开关速度。

将沟槽中填充多晶硅，分为上、下二部分，二部分之间用氧化层彼此隔离。下面部分连接到源极，上面部分连接到栅极，就可以实现上面结构和功能。这种结构在普通沟槽结构栅极与漏极之间加了一个屏蔽层，称为屏蔽栅技术Shielding Gate Technology，这种结构普通沟槽结构栅极分开为上、下二部分，也称为隔离栅技术Split Gate Technology。这种技术二种名称英文缩写相同，因此，统一称为SGT技术。

(a) SGT单个晶胞结构  (b) SGT截面

图4   SGT结构功率MOSFET管

工艺设计时屏蔽栅可以使用上下结构，也可以使用左右结构。使用上下结构屏蔽栅单元尺寸（沟槽宽度）可以做的更小，主要用于低压功率MOSFET管；左右结构需要较宽沟槽，制作沟槽深度更深，电荷平衡效果更强，能够在更深区域提高电场，主要用于中压功率MOSFET管。

SGT结构功率MOSFET管极大降低漏极栅极米勒电容Crss（Cgd），减少开关过程中米勒平台持续时间，降低开关损耗，器件可以工作在更高频率。这种结构在沟槽底部栅极氧化层外面N-外延层中形成耗尽层，把附近N-外延层电场抬高，将普通沟槽结构N-外延层中三角形电场，变为梯形电场，从而大幅提高器件耐压。

N-外延层为低掺杂，P-体区为高掺杂，功率MOSFET管漏极和源极加上电压，产生耗尽层时，耗尽层在P区扩散距离非常小，在外延层N-区扩散距离大，因此，可以认为耗尽层基本在外延层N-区扩散，器件耐压主要由外延层N-区承受。PN结结合面处，电场强度最大，电场强度沿着外延层N-向着衬底方向逐渐降低，器件耐压就是电场强度对耗尽层长度积分，也就是耗尽层长度和对应电场强度的曲线所包围面积。

(a) SGT上下结构

(b) SGT左右结构

图5  上下结构和左右结构的SGT

(a) 沟槽结构电场

(b) SGT结构电场

图6  沟槽结构和SGT结构内部电场分布

(a) 击穿Trench碰撞电离率  (b) 击穿SGT碰撞电离率

图7  击穿碰撞电离率对比

外延层厚度相同时，SGT结构功率MOSFET管内部为梯形电场，电场强度更高，耐压更高。对于相同耐压，SGT结构功率MOSFET管可以使用更薄外延层，外延层越薄，RDS(on)越低；更薄芯片更有利于内部沟道和外延层电阻产生热量传导出来，降低芯片热阻。目前，中、低压功率MOSFET管中，SGT技术取代沟槽结构，应用中占主导地位，实现开关电源和电力电子系统进一步向高频、高效率和高功率密度的技术方向发展和提高。

审核编辑：刘清