超结器件

1 历史背景
自 1950 年 Ge 功率管问世以来，它很快就取代 了上世纪 40 年代采用的电子管及离子管。图 1 示出 了 F. Goodenough 在 1984 年发表的功率器件的年销 售额及预测[1]。 由于现在世界上 70%以上的电能都 是经过半导体功率器件变换其形式而应用的， 功率 器件的年销售额仅次于集成电路， 现在每年约二百 亿美元。
为现在称为超结（super-junction）的耐压层。 他提出
了超结的多种结构，并作了理论计算，发现在一定的
图形的基本单元的尺度 b 的值下，Ron 与 VB 的 1.3 次 方成正比：
Ron=c10-7bVB1.3
一个不断扩展的情形，进一步求优化分布。得到的结
果是在同样 VB 下，Ron 大约可再降低 10%[4]。 这 两 篇 论 文 虽 然 都 比 较 短 ， 但 在 IEEE
Transaction 这 样 重 要 的 刊 物 上 却 很 快 接 受 作 为
Regular Paper 发 表 ， 这 本 身 足 以 说 明 当 时 人 们 对 Ron-VB 关系的重视程度。
图 3 VDMOST 一个单元结构和耐压区电场分布
电场线对 y 的斜率与 n-区掺杂浓度 ND 成正比。 电场线与 y 轴所包围的面积为 VDS。 当 VDS 增加时， 面积的增加是靠了斜率不变的直线向右移动。 这时
靠近 p+区的电场增加。 当此电场增加到击穿的临界
电场 Ecrit 时，会发生雪崩击穿。 这时的外加电压就是 击穿电压 VB。 通常 EC 之值为 2.5×105 V/cm 上下。 显 然，外延层厚度 W 愈大，电场线的斜率愈小，即外延
C 的充电为主导的 阶 段 ），IGBT 的 关 断 面 临 缓 慢 下
降过程的第 2 阶段。 在该阶段，由于 J2 发射结两旁 的非平衡载流子并不为零，该结仍是正偏压。非平衡
载流子 的 消 失 是 由 J2 结 的 一 边 的 基 区 及 另 一 边 的 发射区内复合而逐渐消失的。 这个速度主要决定于
上述的③和④两点值得特别注意。 电力电子技 术要求在变换电能时尽量提高变换的频率， 这样可
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使外围电路中的储能元件（电感及电容）的体积大 为缩小，重量减轻许多。 但是开关频率高就遇到开 关损耗大的问题。 图 2a 示出一个功率器件通过一个 纯电阻性负载在直流供电下，在开关运用的示意图； 图 2b 示出器件上的电压降 V、通过器件的电流 I 及 两者的乘积即功率 P 与时间的关系。 图 2b 中，在功 率器件被关断时，I 很小而 V 接近于外加电压 VB，因 此器件上损耗的功率也很小。 从关断到导通有一个 时间段 ton， 这里假设 ton 内电流随时间逐渐增加，而 电压逐渐减小。当电流增加到完全导通时的一半时， 负载 R 上有接近一半的外加电压，这对应着一个很 大的功率 P 值。 在 ton 之后的导通时间内，I 达到了一 个稳定值， 由于功率器件在一定电流下总有一定的 电压降，因此有一个一定的功耗 P 值。在周期性的开 关操作下， 平均功耗是图中 P 线和 t 轴所围绕面积 的平均值。
非平衡载流子的寿命， 因此表现为关段过程中的电
流有较长的拖尾。
2 超结的发明
作者从 1981 年开始研究功率 MOST 导通电阻[4]，
此后从事多方面结边缘终端技术的工作， 发现各种
结边缘技术的要害都在于在边缘引入了电荷。 这些
电荷产生的电场能降低原来的最大电场。 1989 年作
者想出了在体内引入电场的几种方法。 其中包括作
比较厚，而导通时的 Ron 也就相应的增加。 只不过在 双极型及别的器件中， 开关速度这个主要矛盾未解
决之前，Ron 与 VB 的矛盾关系是次要矛盾，并不突出。 比导通电阻能否进一步下降是当时业内关注的
问题。 1979 年胡正明用外延层杂质浓度在纵向非均
匀而得到一个优化的分布[3]。 但结果表明，在同样 VB 下，Ron 只能再下降约 10%。 1982 年陈星弼与胡正明 考虑到电流从外延层顶部向下流时其流动路径存在
第 42 卷第 12 期 2008 年 12 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.42 No.12 December，2008
超结器件
陈星弼 ห้องสมุดไป่ตู้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）
摘要：简要地介绍了突破传统“硅极限”的超结器件发明的背景，以及产生的来由。 描述了既用作漂移区又用作耐压
应当注意， 这个充电电流并不能使 n-型区中的 非平衡空穴的总数有显著的变化[5]。 事实上，由于电 流的连续性及衬底 p+对 n-型区的注射效率应接近于 1 这两个条件，n-型每经过 J1 结流出一个空穴，就相 应地有空穴从衬底 p+区流入到 n-型区。
但是，由于这个充电电流毕竟使 J1 结两边电荷 变化，耗尽区从几乎没有变为伸展到一定程度。 n-的 中性区有一定的减薄，从而少子渡越时间降低。该过 程的时间很短，到其结束时，可近似地把结上两边电 荷的变化率忽略，即近似地当作不再充电。而且双极 型晶体管的非平衡载流子的总量也不变。 由于中性
超结器件
问题常被误会为不存在。事实上，传统器件也有这个 问题，只是被速度低这个更重要的缺点所掩盖了。
图 3a 示出 VDMOST 的一个单元结构。 当漏源 两端加有电压 VDS，而栅源电压 VGS 低于 MOST 的阈 电压时，器件 无 电 流 ，耐 住 VDS 的 是 n-外 延 层 ，即 耐 压层。 耐压区的电场分布示意图如图 3b 所示。
Super-Junction Components
CHEN Xing-bi
（State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices， Universtiy of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China） Abstract：The background of the invention of the super-junction structure，which breaks the “silicon limits” of the traditional device are presented.The realationships of the specific on -resistance and the breakdown voltage are described for some detail arrangements of the structure.The device physics in transient of turn -on process of super-junction MOST are presented.Finally，the progress of super-junction devices is discussed briefly. Keywords：semiconductor power device； super-junction； composite buffer layer； specific on-resistance； silicon limit
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电力电子技术 Power Electronics
Vol.42 No.12 December，2008
基区变薄， 故这时 IGBT 的电流就是这时双极型晶
体管的电流。这个电流并不太小，但毕竟是比开始时
还有电容 C 的充电电流小一些。
在经历上述快速的下降过程的第 1 阶段 （电容
Ron=0.83×10-8×VB2.5（Ω·cm2）
（1）
这是一个可怕的关系，称为“硅极限”。设想一个
耐压为 200 V 的器件，根据上述理论公式，每平方毫
米有 0.47 Ω，那么对耐压为 500 V 的器件，每平方毫
米的电阻会增加近 10 倍。
式（1）的关系在别的器件中也存在。 例如对双极
型晶体管，要求集电极耐压高，则集电区要轻掺杂且
在 VDMOST 出现后的不到两年时间内，出现了 IGBT，它的结构如图 4a 所示。 可见，IGBT 的开关特 性也是由只需很小的驱动功率的 MOST 的栅电压来 控制的。 图 4a 和 VDMOST 的图 3a 的差别只是在 n 外延层下不是 n+型而是 p+衬底。 但就是这点差别却 带来了一个重要的效果。 当 n-MOST 中的源有电子 向下流、会经过外延层 n 和衬底 p+形成的 p-n 结。 这 个 p-n 结在电子进入衬底 p+的同时， 也把空穴注入 到 n-外延层中去。 使得 n-外延区充满了非平衡电子 与空穴，其浓度可以远超于平衡时电子的浓度，使得 耐压区在导通时电导受到强烈调制， 导通时电压大 大下降。
图 1 功率器件的年销售额及预测 现代电力电子技术的发展使功率器件多数情形 下是用作一种开关。 对功率器件性能的要求大致有
如下几条：①耐压高。即功率器件加反向电压而处于 关断时,其击穿电压要高。 这个要求比较容易理解， 而要实现此要求并非易事。②导通时电流密度大。这 使得处理一定电流时所需芯片面积不大。 ③导通时 器件上压降低。 意即导通时器件单位面积的电阻很 小；④开关速度高，意即器件从关断到导通的时间 ton 及从导通到关断的时间 toff 都很小。 ⑤驱动功率小。 意即要使得驱动功率器件运作， 开关输入端所需要 的能耗较小，否则需要多个前级放大器才能控制。
区的各种超结结构的导通电阻与击穿电压的关系，及超结 MOST 瞬态特性中导通过程的器件物理。 最后简要地介绍
了超结器件的进展。
关键词：半导体功率器件； 超结； 复合缓冲层； 比导通电阻； 硅极限