功率MOSFET基本结构：平面结构
作者：刘松
功率MOSFET即金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）有三个管脚，分别为栅极（Gate），漏极（Drain）和源极（Source）。功率MOSFET为电压型控制器件，驱动电路简单，驱动的功率小，而且开关速度快，具有高的工作频率。常用的MOSFET的结构有：横向导电双扩散型场效应晶体管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET）、垂直导电双扩散型场效应晶体管（Planar MOSFET），沟槽型场效应晶体管（Trench MOSFET），超结结构场效应晶体管（Super Junction MOSFET），浮岛结构场效应晶体管等。
1、横向导电双扩散型场效应晶体管的结构
N沟道的横向导电双扩散型场效应晶体管的结构如图1所示，栅极，漏极和源极都在硅片的上表面，下部为衬底。栅极和源极加上正向电压后，在栅极的氧化层下面的P区吸附电子，栅极和源极正向电压大于一定的值时，P区紧靠栅极的氧化层的薄层中，局部的电子的浓度大于P区的空穴的浓度，从而形成“反型层”，也就是薄层由P型变成N型，电子就可以从源极通过反型层流向漏极，电流从漏极向源极流动，这个反型层就形成电流流过的通道也称为“沟道”。
电流从漏极流向源极时，电流在硅片内部横向流动，而且主要从硅片的上表层流过，因此没有充分应用芯片的尺寸；而且，这种结构的耐压，由栅极下面P层宽度和掺杂决定，这个区域同时也是导电的沟道，为了减小沟道的导通电阻，栅极下面P层宽度不可能过大，掺杂浓度也不可能太低，因此，其耐压通常也比较低，无法承受高的反向电压。另外，电流从芯片表面的薄层流过，即使是沟道的截面积增加，但芯片整体的截面积也不大，这样，芯片电流流过的截面积非常小，因此，导通电阻比较大，无法流过大的电流。这种结构的电压和电流的额定值都受到限制，无法用于功率电路。但这种结构具有低的电容，使用短沟道，因此开关速度快，主要适合低压应用，如微处理器、存储芯片，运放、数字电路及射频电路等。
图1 横向导电结构的MOSFET
在芯片制程工艺中，经常使用芯片或半导体的工艺尺寸，如3um、2um、1.5um、1um、0.8um、0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.13um、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm，通常所说这个工艺尺寸，指的就是栅极Gate的宽度，也是沟槽宽度或者线宽，不是每个晶胞单元尺寸，如图2所示。沟槽宽度对应着漏极到源极的距离，沟槽宽度减小，载流子流动跨越沟道的导通时间减小，允许工作开关频率可以提高；沟槽宽度小，沟道开通所加栅极电压可以降低，导通更容易，开关损耗降低，同时，沟道导通电阻降低，降低导通损耗。但是，漏极和源极的间距不断减小，栅极下面接触面积越来越小，栅极对沟道的控制力就不断减弱，带来问题就是栅极电压为0时，漏极和源极的漏电流增加，导致器件性能恶化，增加了静态功耗。使用上下双栅极结构、鳍型结构（FinFET），就可以解决了短沟道效应这个问题，这样也促进了新一代芯片的工艺尺寸不断的降低，工艺水平不断提升。
图2 芯片工艺制程的线宽
单芯片的电源IC中，内部集成的功率MOSFET只能使用横向导电结构，因为所有的引脚都在芯片的表面。为了解决漏极和源极的耐压比较低的问题，必须对上面的结构进行改进。因为外加电压的正端加到MOSFET的漏极，如果在高掺杂的漏极N+和P区的沟道之间，增加一个低掺杂的N-区域，如图3所示，因为N-和N+为相同的半导体类型，不影响电流导通的回路，电流可以直接从N+流向N-；尽管N-为低掺杂，但是，其电阻率低于沟道，这样，通过调整其掺杂浓度和宽度，就得到较高的反向电压，同时控制其导通电阻在设计的范围内，这种结构就可以流过大电流，应用于功率电路。
图3 横向导电的功率MOSFET
在漏极N+和P-体区之间增加的N-层，称为“漂移层（Drift Layer）”，也称为“外延层（Epi Layer）”。当漏极和源极之间加上电压时，P区掺杂浓度高，耗尽层主要在N-层的漂移层中扩展，漏极和源极的阻断电压，几乎完全依赖漂移层的宽度和掺杂浓度。
使用N-漂移层作为衬底，在N-漂移层中，通过2次的扩散就可以形成图3的结构：第1次扩散制作出P阱，也称为P-体区（P-Body）；然后，在P-体区的内部，第2次扩散制作出N+源极。因此，这种结构称为横向导电双扩散型功率MOSFET，LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET）。
尽管P区多数载流子（多子）为空穴，在P区内部局部区域进行扩散掺杂，只要掺杂的5价元素的浓度，大于P区原来3价元素的掺杂浓度，那么，在这个局部区域的电子的浓度就大于空穴，从而转变为N型半导体。因此，判断是N型半导体还是P型半导体，掺杂几价的元素不是关键，主要的依据是电子浓度和空穴浓度。如果一个区域中，电子浓度高于空穴浓度，那么，多子是电子，少子是空穴，就是N型半导体，反之就是P型半导体。
2、垂直导电双扩散型场效应晶体管的结构
芯片的厚度非常薄，而芯片的面积，相对的尺寸比较大，图3中，电流依然是在芯片的上表层，横向水平从漏极流向源极，电流流过的截面积小，导通电阻大，芯片的尺寸没有充分得到利用；同时，为了提高漏极和源极的耐压，N-层漂移层的宽度必须增加，这样进一步增加了导通电阻，限制了芯片流过电流的能力，因此，如果设计高压大电流的LDMOS，芯片的尺寸将非常大，成本非常高。所以，LDMOS只用在低压、较小电流的单芯片电源IC里面。
如果把图3的结构中MOSFET的漏极N+区，移到衬底的底部，漏极通过衬底的下表面引出， MOSFET导通后，电流就可以从衬底底部的漏极垂直流向顶部的源极，电流在芯片内部垂直流动，而且电流流过芯片整个水平的截面积，由于芯片水平截面积较大，导通电阻小，这样，就可以提高MOSFET通过电流的能力，如图4所示。
图4 垂直导电的功率MOSFET
这种结构中，N-外延层的掺杂浓度越低、厚度越大，漏极和源极的耐压值越高，导通电阻越大；反之，掺杂浓度越高、厚度越小，耐压值越低，导通电阻越小。因此，通过调整N-外延层的掺杂浓度和厚度，就可以保证耐压值达到要求，同时，导通电阻也满足设计的要求。
这种结构的N沟道功率MOSFET，使用衬底为高掺杂的N+衬底，高掺杂衬底部分的电阻小；然后在N+衬底上制作出低掺杂、高纯度、一致性非常好的N-的外延层。然后，在N-的外延层中，同样的通过2次扩散掺杂，制作出两个连续的P-体区以及在二个P-体区内部的N+源极区。在芯片表面制作出薄的高质量的栅极氧化物，在氧化物上面沉积多晶硅栅极材料，沟道在栅极氧化物下面的P-体区中形成，源极和漏极区沉积金属材料，就完成了这种结构的生产。这种结构的电流从下到上垂直流过，通过2次扩散掺杂加工，因此，称为垂直导电双扩散功率MOSFET。在加工过程中，这种结构没有挖沟槽，采用的是平面的工艺，也称平面结构的功率MOSFET。
其工作原理是：栅极和源极间加正向电压，P区中的少数载流子，即少子，也就是电子，被电场吸引到栅极下面的P区的上表面，随着栅极和源极正向偏置电压的增加，更多的电子被吸引到这个表面的薄层区域，这样本地的电子密度要大于空穴，从而出现“反转”，形成反型层，半导体材料从P型变成N型，形成N型“沟道”，电流可以直接通过漏极的N+区、N-外延层、栅极下面N型沟道，流到源极的N+型区。
实际上，在上面的结构图中，示意的只是功率MOSFET内部一个单元的结构，也称“晶胞”。功率MOSFET的内部，由许多这样的单元，也称“晶胞”，并联而成。芯片的面积越大，所能加工出的单元越多，器件的导通电阻越小，能够通过的电流就越大；同样，在单位的面积的芯片上，能够加工的晶胞越多，也就是晶胞单位密度越大，器件的导通电阻也就越小。器件的导通电阻越小，通过电流的能力就越大，电流额定值也就越大。
在这种结构中，栅极下面的区域没有流过功率主回路的大电流，因此栅极下面占用的部分芯片的面积不能充分得到应用，也影响到能够加工的晶胞单位密度的最大值；栅极的面积大，寄生电容Crss就越大，因此开关性能较差，开关损耗大；同时，结构内在的JFET效应，导致导通电阻也偏大。但是，这种结构的功率MOSFET，工艺非常简单，单元的一致性较好，因此它的跨导的特性比较好，雪崩能量比较高，同时寄生电容也较大，主要应用于高压的功率MOSFET和开关频率不太高的中压功率MOSFET。
图5 平面结构的功率MOSFET
图6 平面结构的功率MOSFET立体图
图7 平面结构的功率MOSFET截面图
在图4中，栅极氧化层的的下面是N-外延区，在其二侧是二个P-体区，这种结构内在的就形成了一个JFET，如图8所示，产生JFET效应。N-区和二侧P区，形成PN结，产生耗尽层和空间电荷区。即使是在功率MOSFET导通的时候，这个耗尽层依然存在，那么，电流主要从二个P区之间非耗尽层的区域流过，相当于实际能通过电流的截面积减小，也就是相当于导通电阻变大，因为JFET效应增大的电阻，称为JFET电阻。耗尽层越宽，电流的通道面积越小，JFET效应越明显，JFET电阻越大。耗尽层的宽度，和JFET的栅极（P区）到JFET的源极（N-外延层最上部区域）的电压绝对值有关，这个电压绝对值为0，耗尽层非常窄，JFET电阻非常小；这个电压绝对值升高，耗尽层变宽，JFET电阻变大。当然，JFET电阻也受功率MOSFET的漏极和源极导通电压的影响。
图8 JFET的结构
