[發明專利]一種動態電荷平衡的超結VDMOS器件

無效

• 申請號: 201210187444.1
• 申請日: 2012-06-08
• 公開（公告）號: CN102810567A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 任敏;趙起越;鄧光敏;李巍;張蒙;張靈霞;李澤宏;張金平;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及垂直雙擴散金屬氧化物半導體器件（VDMOS器件），尤其是具有超結結構（Super?Junction）的VDMOS器件。?

背景技術

目前，功率半導體器件的應用領域越來越廣，可廣泛地應用于DC-DC變換器、DC-AC變換器、繼電器、馬達驅動等領域。縱向雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（VDMOS）與雙極型晶體管相比，具有開關速度快、損耗小、輸入阻抗高、驅動功率小、頻率特性好、跨導高度線性等優點，因而成為目前應用最為廣泛的新型功率器件。但常規VDMOS器件也有其天生的缺點，即導通電阻隨耐壓的增長（R_on∝BV^2.5）導致功耗的急劇增加。以超結VDMOS為代表的電荷平衡類器件的出現打破了這一“硅限（silicon?limit）”，改善了導通電阻和耐壓之間的制約關系（R_on∝BV^1.3），可同時實現低通態功耗和高阻斷電壓，因此迅速在各種高能效場合取得應用，市場前景非常廣泛。?

基本的超結結構為交替的p柱和n柱，該結構有效的前提是p、n柱嚴格滿足電荷平衡。在器件處于關斷狀態時，在反向偏壓下，由于橫向電場（x方向）和縱向電場（y方向）的相互作用，p柱區和n柱區將完全耗盡，耗盡區內縱向電場分布趨于均勻，因而理論上擊穿電壓僅僅依賴于耐壓層的厚度，與摻雜濃度無關，耐壓層摻雜濃度可以提高將近一個數量級，從而有效地降低了器件的導通電阻。電荷平衡是超結器件能夠獲得高耐壓的前提。文獻（Praveen?N.Kondckar.Static?Off?State?and?Conduction?State?Charge?Imbalance?in?the?Superjunction?Power?MOSFET.IEEE?Conference?on?Convergent?Technologies?for?Asia-Pacific?Region.2003）的研究表明，當p柱區和n柱區的電荷失衡時，超結器件的耐壓會大大降低，導致器件性能大大下降。?

對于依靠反偏PN結承受高壓的常規雙擴散金屬氧化物半導體器件（DMOS器件）來說，導通狀態下的電流呈現飽和態勢，直到器件發生雪崩擊穿，其擊穿電壓并不隨電流的增大而發生太大的變化。超結結構則不同，即使p柱區和n區的初始摻雜滿足電荷平衡，當結構中流過大電流時，它會在一個較低的電壓上發生雪崩擊穿，雪崩擊穿電壓值有可能低至靜態擊穿電壓值的一半，這是由于耐壓層的動態電荷失衡造成的。大電流引入的瞬時附加載流子，打破了p柱區和n柱區的電荷平衡，改變了耐壓層的電場分布，降低了器件的雪崩擊穿電壓，?提前出現的雪崩大電流會造成器件溫升，觸發器件中的寄生效應，造成二次擊穿引發器件失效。且電流越大，器件越容易發生雪崩擊穿，限制了器件的正向安全工作區。文獻（Bo?Zhang,Zhenxue?Xu?and?Alex?Q.Huang,Analysis?of?the?Forward?Biased?Safe?Operating?Area?of?the?Super?Junction?MOSFE?T,ISPSD?2000.May?22-25.Toulouse.France）指出，超結器件的正偏安全工作區小于常規DMOS器件。如果能找到有效的方法，緩解超結器件在大電流下的電荷失衡，將有效地提高超結器件的正向安全工作區。?

發明內容

本發明提供一種動態電荷平衡的超結VDMOS器件，該器件能夠實現超結結構中P區和N區的電荷動態平衡（不同工作溫度下），緩解超結器件在大電流下超結結構中P區和N區的電荷失衡，從而擴大器件的動態安全工作區。?

本發明的核心思想是在傳統超結VDMOS（如圖1所示）的N^-外延區3中，引入深能級施主雜質，這些深能級施主雜質在常溫下電離率比較低，可以忽略其對超結中N柱區摻雜濃度的貢獻，因此不影響器件的靜態電荷平衡。當器件正向導通并工作在大電流下時，隨著器件溫度升高，上述深能級施主雜質的電離率將得到大幅提高，相當于提高了N^-外延區3的摻雜水平，有效緩解了由于大量帶負電荷的電子流過N^-外延區3所造成的N^-外延區3和P型柱區4電荷失衡導致的器件雪崩擊穿電壓下降，提高了器件可工作的電流范圍，擴大了器件的正向安全工作區。?

本發明技術方案如下：?