功率MOSFET及其发展浅说

近年来作了多次关于功率半导体器件发展趋势的报告，许多朋友都希望我讲得更详细些，或更能符合应用工作者的口味，因而撰写一篇现代功率半导体器件浅说的想法由来已久。只是由于设想太大，久久未能动笔。现在从功率MOSFET写起，作为现代功率半导体器件浅说之一，以后再接着写之二、之三，这样就免于搁浅。本文是一种尝试，希望能使读者对现代功率半导体器件的发展有较深入的理解，能更主动地以新一代的器件去改进自己的电路。既是一篇浅说，就需要把基本原理讲得尽可能浅显些。使大家像读故事书那样把技术弄清楚。有的解释或许不够严格。如果我忽略了一些主要的东西，希望读者能协助我予以改正。

　　由于世界市场的激烈竞争，各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计、改进新的工艺、开发新的产品。好些产品甚至每个季度都有新的发展，品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度。因此详细介绍器件发展的新趋势，就显得更为必要了。

　　本文从功率MOSFET开始来介绍现代功率半导体器件，这是因为功率MOSFET是新一代功率半导体器件的起点。同时，从器件的结构来说，功率MOSFET也属于最基本的结构之一。

　　图1所示为IR功率MOSFET的基本结构。图中每一个六角形是一个MOSFET的原胞（cell）。正因为原胞是六角形的（hexangular）,因而IR常把它称为HEXFET。功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。已风行了十余年的IR第三代（Gen－ 3）HEXFET每平方厘米约有18万个原胞，目前世界上密度最高的IR第八代（Gen－8）HEXFET每平方厘米已有1740万个原胞。这就完全可以理解，现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。

图1 　　图1中已标明了漏（Drain）和源（Source）。漏源之间的电流通过一个沟道（Channel）上的栅（Gate）来控制。按MOSFET的原意， MOS代表金属（Metal）－氧化物（Oxide）－半导体（Semiconductor），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）。FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管）的名字也由此而来。然而我们从图1中可以看到，HEXFET中的栅极并不是金属做的，而是用多晶硅（Poly）来做栅极，这也就是图中所注明的硅栅极（SiliconGate）。IR在1978年时是用金属做栅极的， 1979年的Gen－1HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。 　　作为功率MOSFET来说，有两项参数是最重要的。一个是Rds(on),即通态时的漏源电阻。另一个是Qg，即栅极电荷，实际即栅极电容。栅极电容细分起来可分成好几个部分，与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系。除此之外有些瞬态参数也需要很好考虑，这些我们留到后面再谈。 1通态漏源电阻Rds(on)的降低 　　为降低Rds(on)，先要分析一下Rds(on)是由哪些部分组成。图2列出了芯片中的各部分的电阻。这些电阻主要包括： 　　RCH：沟道电阻，即栅极下沟道的电阻。 　　RJ：JFET电阻，即把各原胞的P－基区（P－Base）所夹住的那部分看为JEFT。JEFT是结型场效应晶体管（JunctionFET）的简称。结型场效应管是以PN结上的电场来控制所夹沟道中的电流。虽同称为场效应晶体管，但它和MOSFET是以表面电场来控制沟道中的电流情况不同，所以 MOSFET有时也被称为表面场效应管。 图2 　　RD：漂移层电阻，主要是外延层中的电阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所谓外延片即在原始的低阻衬底（substrate）硅片上向外延伸一层高阻层。高阻层用来耐受电压，低阻衬底作为支撑又不增加很多电阻。对MOSFET来说，载流子（电子或空穴）在这些区域是在外界电压下作漂移（Drift）运动，故而相关的电阻称为RD。若要求MOSFET的耐压高，就必须提高高阻层（对N沟道MOSFET来说，称N－层）的电阻率，但当外延层的电阻率提高时，RD也随之提高。这也是很少出现一千伏以上的高压MOSFET的原因。 （1）降低沟道电阻 　　首先我们来看如何降低沟道电阻。前面已经提到，当前功率MOSFET发展的一个重要趋势就是把单个原胞的面积愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是为了降低沟道电阻。为什么提高原胞的密度可降低沟道电阻呢？从图一可以看出：HEXFET的电流在栅极下横向流过沟道。其电阻的大小和通过沟道时的截面有关。而这个截面随器件内原胞周界的增长而增大。当原胞密度增大时，在一定的面积内，围绕着所有原胞的总周界长度也迅速扩大，从而使沟道电阻得以下降。 　　IR公司1995年发展的第五代HEXFET，其原胞密度已比第三代大5倍。因此通过同样电流时的硅片面积有希望缩小到原来的2/5。第五代的另一个特点是，其工艺大为简化，即从第三代的6块光刻板减为4块，这样器件的制造成本就可能降低。当今世界上最流行的仍是IR的第三代和第五代，第三代常用于较高电压的器件（如200～600伏），而第五代常用于较低电压的器件（如30～250伏）。高密度结构在较低电压器件中显示更优越作用的原因是因为低压器件的体电阻RD较小，因而降低沟道电阻更易于显出效果。过去有多年工作经验的电力电子工作者，常对当前生产厂热中于发展低压器件不感兴趣或不可理解。这主要是电力电子技术的应用面已大大拓宽，一些低压应用已成为新技术发展中的关键。最典型的是电脑中电源的需求。正在研究的是1伏甚至到0.5伏的电源，同时必须迅速通过50或100安这样大的电流，这种要求对半导体器件是十分苛刻的。就像要求一个非常低压力的水源，瞬间流出大量的水一样。 　　为进一步增加原胞密度，也可以采用挖槽工艺。通常称为trench(沟槽)MOSFET。图3（a）将沟槽结构作了一个简单图示。沟槽结构的沟道是纵向的，所以其占有面积比横向沟道为小。从而可进一步增加原胞密度。有趣的是，最早做功率稍大的垂直型纵向MOSFET时，就是从挖槽工艺开始的，当初称为VVMOS,但由于工艺不成熟，因而只有当平面型的VDMOS出现后，才有了新一代的功率半导体器件的突破。在半导体器件的发展过程中，因为半导体工艺的迅速发展，或是一种新的应用要求，使一些过去认为不成熟的技术又重新有了发展，这种事例是相当普遍的。当前一统天下的纵向结构功率MOSFET，也有可能吸纳横向结构而为低压器件注入新的发展方向。 （2）降低JFET电阻 　　为降低JFET电阻，很早就采用了一种工艺，即增加所夹沟道中的掺杂浓度，以求减小JFET的沟道电阻。 　　沟槽式结构也为降低JFET电阻带来好处。从上