CN111969062A - 一种改善反向恢复特性的超结mosfet - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率半导体技术，涉及一种改善反向恢复特性的超结MOSFET。相对于传统的MOSFET，本发明在P型漂移区和N型漂移区中间引入绝缘介质，同时将P型阱区分隔为位于N型漂移区上的第一P型阱区和位于P型漂移区上的第二P型阱区两个部分。第一P型阱区与源极金属形成肖特基接触。在第二P型阱区内引入一个平面N型MOSFET，器件的N+源区通过一个浮空金属连接到平面N型MOSFET的漏极。N型MOSFET的源极作为本发明器件的源极，而其栅极与本发明器件栅极相连接。器件反向导通时，由于肖特基二极管处于反偏状态，因此与其相连接的N型漂移区一侧体二极管不导通，只有P型漂移区一侧体二极管导通，因此反向导通时漂移区内存储的电荷减少。本发明改善了器件反向恢复特性。

Description

一种改善反向恢复特性的超结MOSFET
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种改善反向恢复特性的超结MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,简称MOSFET)。
背景技术
超结MOSFET的击穿电压与比导通电阻的折中关系远优于普通的MOSFET，因此在500V-650V的功率开关领域处于统治地位。但是超结MOSFET的体二极管的反向恢复电荷比普通的MOSFET的大很多，这不仅增加了自身的损耗，另一方面会带来电磁干扰噪声，对应用系统造成不利影响。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种改善反向恢复特性的超结MOSFET。
本发明的技术方案：一种改善反向恢复特性的超结MOSFET，其元胞包括漏极结构、耐压层结构、源极结构和栅极结构，其中耐压层结构位于漏极结构之上，源极结构和栅极结构位于耐压层结构之上；
所述漏极结构包括漏极金属1以及第一N+漏区2，所述第一N+漏区2的上表面与耐压层接触；所述漏极金属1上表面与第一N+漏区2下表面接触；所述漏极金属1引出端为漏极D；
所述耐压层结构包括N型漂移区5、P型漂移区3以及第一绝缘介质4，所述N型漂移区5和P型漂移区3并列设置于第一N+漏区2上表面，N型漂移区5和P型漂移区3通过第一绝缘介质4隔离；
所述源极结构包括第一P型阱区7、第一N+源区13、第二P型阱区6、P+体接触区12、源极金属15和第一浮空金属14；所述第一P型阱区7位于N型漂移区5的上表面，所述第二P型阱区6位于P型漂移区3的上表面，第一P型阱区7和第二P型阱区6之间通过第一绝缘介质4隔离；在第一P型阱区7上层远离第二P型阱区6的一侧具有第一N+源区13；在第二P型阱区6上层靠近第一P型阱区7的一侧具有P+体接触区12，P+体接触区12与第一绝缘介质4接触；所述源极金属15位于第一P型阱区7、第一绝缘介质4、P+体接触区12上表面，源极金属15引出端为源极S；第一浮空金属14位于第一N+源区13上表面；
所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质8和位于第二绝缘介质8之中的第一导电材料9构成；所述沟槽栅沿器件垂直方向贯穿第一P型阱区7后延伸入N型漂移区5中，第二绝缘介质8与第一N+源区13、第一P型阱区7和N型漂移区5接触；所述第一导电材料9的引出端为栅极G；
其特征在于，第二P型阱区6的上层还具有第二N+源区11和第二N+漏区10，第二N+源区11与P+体接触区12接触，第二N+漏区10位于远离P+体接触区12的一侧；还包括第三绝缘介质16、第二导电材料17和第二浮空金属(18)，第三绝缘介质16位于第二N+源区11和第二N+漏区10之间的第二P型阱区6的上表面，且第三绝缘介质16还向两侧延伸至部分第二N+源区11和第二N+漏区10的上表面；第二导电材料17位于第三绝缘介质16上表面，第二导电材料17与栅极连接；所述第二浮空金属18位于第二N+漏区10上表面，第二浮空金属18与第一浮空金属14相连接；源极金属15还延伸至部分第二N+源区11的上表面，源极金属15与第一P型阱区7形成肖特基接触。
本发明的有益效果为，本发明的改善反向恢复特性的超结MOSFET，极大地减小了反向恢复电荷，改善了器件的反向恢复特性。
附图说明
图1是本发明的超结MOSFET示意图；
图2是本发明超结MOSFET等效电路图示意图；
图3是常规超结MOSFET示意图；
图4是常规超结MOSFET等效电路图示意图；
图5是本发明超结MOSFET与常规超结MOSFET反向恢复电流仿真对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图1所示，为本发明的改善反向恢复特性的超结MOSFET，等效电路图如图2所示。源极金属15与第一P型阱区7组成P型肖特基二极管，而第三绝缘介质16、第二导电材料17、第二N+源区11、第二N+漏区10以及P+体接触区12组成一个平面MOSFET，其中第二N+漏区10为漏极，第二N+源区11以及第二P+体接触区12为源极，而第二导电材料17为栅极。平面MOSFET的栅极引出端为器件的栅极，其第二N+漏区10通过第二浮空金属18与第一浮空金属相连。与常规的超结MOSFET相比较，N型漂移区与P型漂移区被绝缘介质4所分隔开，将器件体二极管分为两个二极管，一个二极管由第一P型阱区7、N型漂移区5以及第一N+漏区2组成，而另一个二极管由P+体接触区12、第二P型阱区6、P型漂移区3以及第一N+漏区2组成。
其工作原理如下：
正向耐压时，器件栅极接地，源极接地，漏极接正电压。由于栅极接地，因此第一N+源区13的电位处于浮空状态。漏电流经过肖特基二极管会提高第一P型阱区7的电势，但是由于第一N+源区13的电位处于浮空状态，因此其耐压不受影响。
正向导通时，器件栅极接正电压，源极接地，漏极接正电压。电子由平面MOSEFT的源极通过其沟道到其漏极，再通过第三浮空金属(23)和第一浮空金属15流向第一N+源区14，再由沟槽栅产生的电子沟道，通过N性漂移区流向器件的漏极。
反向导通时，器件栅极与源极电压相同均为正电压，漏极接地。由于肖特基二极管处于反偏状态，因此由第一P型阱区7、N型漂移区5以及第一N+漏区2组成的不会导通，只有由第二P+体接触区12、第一P型阱区6、P型漂移区3以及第一N+漏区2组成的二极管会导通。因此相对于普通超结二极管相比较，反向导通时，N型漂移区不会往P型漂移区注入电子，并且只有一半的体二极管导通，从而可以极大地降低漂移区内存储的电荷，因此体二极管反向恢复过程中的反向恢复电荷会极大地减小。
常规超结MOSFET如图3所示，等效电路图如图4所示，图5为本发明超结MOSFET与常规超结MOSFET反向恢复电流仿真对比图。600V等级的两种MOSFET在400V工作电压下进行反向恢复特性仿真，可以看出本发明超结MOSFET较常规超结MOSFET的反向恢复电流和反向恢复电荷下降明显，反向恢复特性得以改善。

Claims (1)

1.一种改善反向恢复特性的超结MOSFET，其元胞包括漏极结构、耐压层结构、源极结构和栅极结构，其中耐压层结构位于漏极结构之上，源极结构和栅极结构位于耐压层结构之上；
所述漏极结构包括漏极金属(1)以及第一N+漏区(2)，所述第一N+漏区(2)的上表面与耐压层接触；所述漏极金属(1)上表面与第一N+漏区(2)下表面接触；所述漏极金属(1)引出端为漏极；
所述耐压层结构包括N型漂移区(5)、P型漂移区(3)以及第一绝缘介质(4)，所述N型漂移区(5)和P型漂移区(3)并列设置于第一N+漏区(2)上表面，N型漂移区(5)和P型漂移区(3)通过第一绝缘介质(4)隔离；
所述源极结构包括第一P型阱区(7)、第一N+源区(13)、第二P型阱区(6)、P+体接触区(12)、源极金属(15)和第一浮空金属(14)；所述第一P型阱区(7)位于N型漂移区(5)的上表面，所述第二P型阱区(6)位于P型漂移区(3)的上表面，第一P型阱区(7)和第二P型阱区(6)之间通过第一绝缘介质(4)隔离；在第一P型阱区(7)上层远离第二P型阱区(6)的一侧具有第一N+源区(13)；在第二P型阱区(6)上层靠近第一P型阱区(7)的一侧具有P+体接触区(12)，P+体接触区(12)与第一绝缘介质(4)接触；所述源极金属(15)位于第一P型阱区(7)、第一绝缘介质(4)、P+体接触区(12)上表面，源极金属(15)引出端为源极；第一浮空金属(14)位于第一N+源区(13)上表面；
所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质(8)和位于第二绝缘介质(8)之中的第一导电材料(9)构成；所述沟槽栅沿器件垂直方向贯穿第一P型阱区(7)后延伸入N型漂移区(5)中，第二绝缘介质(8)与第一N+源区(13)、第一P型阱区(7)和N型漂移区(5)接触；所述第一导电材料(9)的引出端为栅极；
其特征在于，第二P型阱区(6)的上层还具有第二N+源区(11)和第二N+漏区(10)，第二N+源区(11)与P+体接触区(12)接触，第二N+漏区(10)位于远离P+体接触区(12)的一侧；还包括第三绝缘介质(16)、第二导电材料(17)和第二浮空金属(18)，第三绝缘介质(16)位于第二N+源区(11)和第二N+漏区(10)之间的第二P型阱区(6)的上表面，且第三绝缘介质(16)还向两侧延伸至部分第二N+源区(11)和第二N+漏区(10)的上表面；第二导电材料(17)位于第三绝缘介质(16)上表面，第二导电材料(17)与栅极连接；所述第二浮空金属(18)位于第二N+漏区(10)上表面，第二浮空金属(18)与第一浮空金属(14)相连接；源极金属(15)还延伸至部分第二N+源区(11)的上表面，源极金属(15)与第一P型阱区(7)形成肖特基接触。
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