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功率MOSFET 的研究与发展 张 波 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室， 四川，成都，610054 从 1975 年美国 IR 公司推出 VVMOS （Vertical V-groove MOSFET ）以来，功 率 MOSFET 器件得到快速发展，已成为中小功率应用领域的主流功率半导体开关 器件[1] 。功率MOSFET 一直沿着结构优化、创新结构和宽禁带半导体材料三个方 向发展，将器件性能推向更高电压应用范围、更低导通损耗、更高工作频率和更 高可靠工作。 一、 结构优化 VVMOS是第一个商业化的功率MOSFET ，为改善V型槽顶端的电场尖峰和电 流集中效应，研究人员又发明了了VUMOS （Vertical U-groove MOSFET ），但 VVMOS和VUMOS均是利用各向异性原理湿法腐蚀形成沟槽结构，工艺稳定性不 佳。因此当平面型的垂直双扩散MOSFET—VDMOS （Vertical Double Diffused MOSFET ）发明以后，VDMOS便成为功率MOSFET 的主流结构并沿用至今。 功率 MOS 器件是一个三端半导体开关，常用于电路的电源和负载控制。功 率 MOS 器件导通电阻越小，它通过的电流就越大。如计算机的 CPU、Memory 、 TFT 背光、风机等的供电控制，都要求功率 MOS 器件小体积、低损耗和大电流。 特别是随着 CPU 主频不断提高和内部电源电压不断降低，要求初始启动电流越来 越大，常常需要 80A 甚至 100A 以上的电流。在既定的小体积封装内，要达到大 的开关电流，除改善封装的热特性外，唯一可行的办法就是减小器件导通电阻。 目前除了通过优化器件结构（或研发新器件结构和应用新材料）减小导通电阻外， 另一个有效方法是增加单位面积内的元胞（Cell ）数量，即增加元胞密度。因此， 高密度成为当今制造高性能功率 MOS 器件的关键技术。 目前，功率MOS 器件的工艺水平已进入亚微米甚至向深亚微米发展，利用 1 Spacer 技术研制的小单元尺寸功率 MOS 器件和槽栅功率 MOS 器件（也称为 Trench MOSFETs 或 TMOS 或 RMOS 或 UMOS 等）已市场化。 IR 公司生产的第 八代（Gen-8 ）HEXFET 元胞密度为每平方英寸 1.12 亿个元胞，且 IRF1704 器件 的最高工作温度也提升到200°C 。 在低压低功耗功率 MOS 器件领域，槽栅功率 MOS 器件得到迅速发展。图 1 是槽栅功率 MOS 器件结构示意图和其导通电阻表达式。由于槽栅功率MOS 器件 结构中没有传统 VDMOS 器件所固有的 JFET 电阻，使得槽栅功率 MOS 器件的单 元密度（cell density ）可以随着加工工艺特征尺寸的降低而迅速提高。美国AATI 公司采用 0.35μm 工艺生产的槽栅功率 MOS 器件，其单元密度高达每平方英寸 287M 个元胞。为进一步提高槽栅功率 MOS 器件性能，研究者还提出了包括槽底 [2] [3] 部厚栅氧（Thick Bottom Oxide ）结构 、窄槽结构（Narrow Trench ） 、深槽积 [4] [5] 累层 和 W 形槽栅（W-shaped gate trench MOSFET ）结构 等。图 2 给出了日本 东芝公司提出的深槽积累层模式功率 MOS 器件结构示意图。该结构在两个窄的 矩形栅电极和薄的 N- - 漂移区之间有一个窄的高电阻率 N 外延层，该外延层由于