SJ MOSFET的应用及与SiC和GaN的比较

超结（SJ）硅MOSFET自1990年代后期首次商业化用于功率器件应用领域以来，在400–900V功率转换电压范围内取得了巨大成功。参考宽带隙（WBG）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件，我们将在本文中重点介绍其一些性能特性和应用空间。

SJ MOSFET

让我们研究一下导致平面Si N-MOSFET导通电阻（RDS（ON））的因素，如图1所示，以了解SJ MOSFET的优点和概念。

图1：平面N-MOSFET，显示导通状态电阻元件（来源：1)

对于额定电压为30V的器件，对RDS（ON）的漂移区域贡献约为30%。随着额定电压的升高，该区域必须变厚，掺杂浓度必须降低。对于额定电压为600V的器件，该区域可占总RDS（ON）的95%以上。这个问题可以通过SJ概念使用电荷平衡思想来解决。为了平衡电子行进采用明显更高的掺杂n区（与具有类似额定电压的平面MOSFET相比），图2显示了位于漂移区域的深p掺杂垂直柱。在关断状态下产生空间电荷耗尽区域会导致电场均匀分布，从而产生高击穿电压。

图2：简化的SJ N-MOSFET横截面（来源：2)

对于给定的RDS（ON），SJ器件尺寸可以显著减小，从而改善开关行为，如下一节所述。SJ器件超过了RDS（ON）的Si限制，RDS（ON）于1979年基于1-D泊松理论3建立。根据SJ器件所需的2D泊松解决方案，可以通过降低图2所示的间距Cp并增加掺杂浓度来降低RDS（ON）。

工艺/器件挑战

制造SJ MOSFET的两种不同方法如图3所示。左图显示了一种多次外延生长方法，其在连续的n型外延生长之间使用掩蔽的p型植入物。右图显示了深沟槽方法，其中为p柱指定的区域被蚀刻掉，随后填充这些区域。

图3：制造SJ MOSFET的两种方法（来源：4）。

左图为多次外延法，右图为深沟槽，然后进行再生

这两种方法都有其独特的挑战和权衡。多次外延法可以垂直调节掺杂水平，但掺杂剂的向外扩散会产生可能更难电荷平衡的球形区域。沟槽方法的优点是更精确的横向控制，以更小的间距创建更平滑的能谱柱，在蚀刻和填充方面存在工艺挑战。器件面临的挑战包括提高雪崩性能。雪崩事件会影响电荷平衡，可能会降低击穿电压，这对可靠性来说是不希望的。雪崩耐用性涉及RDS（ON）的权衡。SJ器件的另一个固有特性是结面积大，导致反向恢复电荷（QRR）高，这可能会限制其在涉及第三象限操作的许多应用中的使用。

Si SJ MOSFET的性能和特点

对于非SJ传统的垂直单极MOSFET，特定的导通电阻可以表示为：

公式1：传统垂直MOSFET的电阻方程。

这里，BV是击穿电压，μ是通道迁移率，e是介电常数，Ec是临界电场。对于SJ器件，这将更改为：

公式2：SJ MOSFET的电阻方程。

此处Cp是柱间距，如图2所示。公式2表明，SJ MOSFET RDS（ON）可以比传统的硅功率MOSFET小得多。这也显示在图4中，该图将Cp = 1um时SJ Si MOSFET的RDS（ON）与其它技术进行了比较。例如，600V SJ Si MOSFET在RDS（ON）方面比传统硅MOSFET小60倍。

图4：传统硅、硅SJ、碳化硅和氮化镓功率MOSFET的比电阻与击穿电压的关系（来源：1）。

SJ Si MOSFET的另一个关键优势是输出电容COSS相对于VDS施加的漏极电压的极端非线性行为。图5显示了英飞凌历代CoolMOS™ SJ技术的COSS变化。胞元间距Cp的降低使COSS非线性更加明显。在高VDS下，COSS可以用板电容器模型近似，其板距离是耗尽电荷的空间宽度。随着胞元间距的降低，这种横向耗尽发生在较低的电压下。对于给定的RDS（ON），随着Cp的减小，需要更小的SJ芯片尺寸，从而进一步降低COSS。

图5：历代英飞凌CoolMOS™ SJ硅MOSFET的输出电容和存储能量与漏极电压的关系（来源：1）。

对于硬开关电源转换器，开关能量损耗很大程度上取决于输出电容中存储的能量Eoss，而Eoss又取决于与能量相关的COSS（er）电容。COSS中的强非线性支持近乎无损的关断，因为MOS沟道可以在为输出电容充电所需的时间范围内完全关闭。表1比较了传统和SJ 600V硅MOSFET具有类似RDS（ON）的特性。SJ器件在总栅极电荷（Qg）、米勒栅极漏极电容（Qgd）、反向恢复电荷（Qrr）和Eoss等关键参数方面改进了15-25%。在这种情况下，SJ器件的雪崩能量额定值EAS仅从较小的芯片尺寸开始降低。然而，在许多大功率应用中，过压能力更为重要，这样箝位电路就可以有足够的裕量来触发并提供保护。

表1：600V平面和SJ Si MOSFET与类似RDS（ON）的一些关键特性的比较（来源：6）。

减少栅极电荷有几个优点。它能够为给定的栅极驱动器提供更快的器件切换，或者相反，可以使用较低电流的驱动器，从而降低总功耗。SJ器件改进的另一个关键途径是反向恢复电荷QRR。这在需要连续换向第三象限电流的硬开关应用中尤其重要，例如在图腾柱PFC中。独立的Si SJ MOSFET不是这些应用的首选，而是首选将其与没有QRR的反并联肖特基势垒二极管（SBD）配对。或用SiC或GaN 等WBG器件替换Si SJ MOSFET。然而，SJ工艺的改进，以在体二极管中实现更快的反向恢复，例如缩短寿命的铂扩散，使得QRR性能与WBG器件的差距更加缩小。

参考文献：

1 F. Udrea, et. al. “Superjunction Power Devices, History, Development, and Future Prospects,” IEEE Trans. Electron Devices, March 2017

2 A. Huang, “Power Semiconductor Devices for Smart Grid and Renewable Energy Systems,” Proceedings of the IEEE, 2017

3 C. Hu, “Optimum doping profile for the minimum ohmic resistance and high-breakdown voltage,” IEEE Trans. Electron Devices, March 1979

4 Toshiba White paper “Superjunction MOSFETs and SiC diodes optimize power conversion performance”

5 B. J. Baliga, “Semiconductors for high-voltage, vertical channel field-effect transistors,” J. Applied Phys., 1982 6 Vishay Siliconix Application Note AN849

来源： 星辰工业电子简讯