
兩種MOSFET斷面結(jié)構(gòu)比較

相對(duì)于常規(guī) VDMOS器件結(jié)構(gòu), RDS(on)與BVSS存在矛盾關(guān)系,要想提高BVSS,一般都是從減小EPI摻雜濃度著手,但是外延層又是正向電流流通的通道,EPI 摻雜濃度減小了,電阻必然變大,RDS(on)增大。否則就需要增大芯片面積,增大封裝外形,增加大量成產(chǎn)成本。所以對(duì)于普通 VDMOS,兩者之間的矛盾不可調(diào)和。

采用超結(jié)(Super Junction,簡(jiǎn)稱SJ)工藝的高壓功率MOSFET,是通過(guò)設(shè)置一個(gè)深入EPI層的P柱區(qū),通過(guò)提高電流傳導(dǎo)區(qū)的摻雜濃度,顯著降低單位面積導(dǎo)通電阻,但同時(shí)又不使耐壓受到影響,從而使其成為具有高耐壓和低電阻特性的一種新型器件。特殊的超結(jié)結(jié)構(gòu)讓高壓超結(jié)MOSFET的內(nèi)阻在同樣面積情況下降低到傳統(tǒng)平面MOSFET的1/5,開關(guān)損耗因此減為普通的VDMOSFET的1/2。
與傳統(tǒng)的功率 MOSFET相比,SJ-MOSFET具有傳導(dǎo)損耗低、電流驅(qū)動(dòng)能力大、柵極電荷低、開啟電壓低、開關(guān)速度快、出色的非鉗位感性開關(guān)(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力、百分之百的雪崩能量擊穿測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。
SJ-MOSFET工藝比較

如上圖所示,目前主要有三種方法制作溝槽:
一、通過(guò)多次掩刻,反復(fù)注入摻雜,外延生長(zhǎng)得到P柱區(qū),稱為多層外延(Multi-EPI)。此方法注入比較均勻,工藝品質(zhì)相對(duì)容易控制,但生產(chǎn)工序多,生產(chǎn)周期長(zhǎng),成本相對(duì)較高。
二、直接挖出深溝槽(Deep-Trench)。通過(guò)在N型外延上開深溝槽,然后再利用外延工藝在溝槽內(nèi)生長(zhǎng)出P型單晶硅形成在N型外延上的P型區(qū)域,然后通過(guò)回刻工藝將槽內(nèi)生長(zhǎng)的P型外延單晶刻蝕到與溝槽表面平齊,以形成縱向P型區(qū)域。成本相對(duì)較低,但不容易保證溝槽內(nèi)性能的一致性。
三、傾斜角度注入(STM技術(shù))。除了多次注入法,能保證在EPI中注入這么深,并且保證不同位置的濃度差異不大的方法還有STM技術(shù)(Super trench MOSFET)。采用傾斜角度注入,實(shí)現(xiàn) Super junction的結(jié)構(gòu)。

1.內(nèi)阻低,通態(tài)損耗降低
由于SJ-MOSFET的RDS(on)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VDMOS,在產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)為SJ-MOSFET的通態(tài)損耗較之VDMOS大幅減少,減少發(fā)熱,從而提高了產(chǎn)品的能效比,SJ-MOSFET的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品上,優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。
2.封裝體積小,有利于功率密度的提高
首先,同等電流、電壓規(guī)格和同等功率條件下,SJ-MOSFET的晶圓面積要遠(yuǎn)小于VDMOS工藝的晶圓面積,從而便于封裝成更小尺寸的產(chǎn)品,有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高,設(shè)計(jì)更小體積的電源電路。
其次,由于SJ-MOSFET的導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗,減少了工作狀態(tài)下導(dǎo)通過(guò)程中的熱聚集,從而有利于縮減散熱器的體積,甚至取消散熱器,有效減小了線路板面積和產(chǎn)品外殼尺寸,有效的提高了產(chǎn)品的功率密度,降低成本。
3.柵電荷小,降低了對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力的要求
傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對(duì)較大,我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到由于IC的驅(qū)動(dòng)能力不足造成的溫升問(wèn)題,而在電路設(shè)計(jì)中為了增加IC的驅(qū)動(dòng)能力,確保MOSFET的快速導(dǎo)通,我們不得不增加推挽或其它類型的驅(qū)動(dòng)電路,從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOSFET 的柵電容相對(duì)比較小,這樣就可以降低其對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求,提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。
4.結(jié)電容小,開關(guān)速度加快,開關(guān)損耗小
由于SJ-MOSFET結(jié)構(gòu)的改變,其輸出的結(jié)電容也有較大的降低,從而降低了其導(dǎo)通損耗。同時(shí)由于SJ-MOSFET柵電容也有了相應(yīng)的減小,電容充放電時(shí)間變短,提高了SJ-MOSFET的開關(guān)速度與頻率,也有利于減小變壓器和電感尺寸。對(duì)于頻率固定的電源而言,可以有效的降低其開關(guān)損耗,提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。應(yīng)用在頻率相對(duì)較高的電源上,收效更為明顯。
以上優(yōu)勢(shì)給客戶帶來(lái)整體BOM成本降低,電源效率提升。尤其是便攜式產(chǎn)品,滿足客戶對(duì)小型化、輕薄化、低溫升、高性價(jià)比、高效率、節(jié)能環(huán)保等方面的要求。

中能微電子的SJ-MOSFET采用可靠性更高的多層外延技術(shù)路線,依靠自有專利技術(shù)結(jié)合市場(chǎng)的需求不斷優(yōu)化升級(jí),研發(fā)出電流范圍2A~47A,電壓范圍600V~800V的系列產(chǎn)品,服務(wù)于終端客戶市場(chǎng)。中能微SJ-MOS有以下幾個(gè)方便的特點(diǎn):
◆ 超結(jié)工藝低溫升
較低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,更好控制溫升問(wèn)題,有效降低電源整體的工作溫度,可以適應(yīng)更復(fù)雜的工況環(huán)境,延長(zhǎng)電源的使用壽命。
◆ 低內(nèi)阻 高效率
比較高的輕載、滿載效率,超低的導(dǎo)通內(nèi)阻和Qg,有效降低導(dǎo)通、開關(guān)損耗,更方便設(shè)計(jì)出更高效率的產(chǎn)品。
◆ 生產(chǎn)工藝優(yōu)化 高穩(wěn)定性
優(yōu)化后更強(qiáng)的EAS能力,能對(duì)電源抗沖擊能力提供有效保障。利用多層外延技術(shù)形成的超結(jié)耐壓層的晶格質(zhì)量較好,缺陷與界面態(tài)少,芯片內(nèi)部缺陷少于其他工藝同類產(chǎn)品,高溫穩(wěn)定性得到較大程度的提高。
◆ 易用性和適配性好
中能微SJ-MOS系列產(chǎn)品在使用過(guò)程中簡(jiǎn)單、易用,驅(qū)動(dòng)電流需求很小,對(duì)新一代高速開關(guān)電源提供有力的支持。
◆ 型號(hào)齊全
中能微SJ-MOS擁有比較全的型號(hào),電壓等級(jí)覆蓋500V,600V,650V,700V,800V;電流等級(jí)覆蓋2A,5A,7A,10A,11A,15A,20A,30A,47A等全系列產(chǎn)品。后續(xù)還在開發(fā)更多規(guī)格的產(chǎn)品以及高度客制化的參數(shù)型號(hào)系列產(chǎn)品。
◆ 應(yīng)用范圍廣
產(chǎn)品從消費(fèi)級(jí)、工業(yè)類再到汽車級(jí)市場(chǎng)都有廣泛的應(yīng)用,例如 LED照明、開關(guān)電源、適配器、各種中小功率充電器,大功率充電樁,光伏逆變器、車載照明系統(tǒng)、UPS、逆變器、快充、通信電源,工業(yè)電源等。
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