综述：一种新型VDMOS结构，通过工艺兼容的MOS沟道二极管集成实现了低反向恢复电荷特性

《Microelectronics Reliability》：A novel VDMOS structure with low reverse recovery charge via process-compatible MOS-channel diode integration

提出一种新型MPP-MCD VDMOS结构，通过优化P-体、源区及栅极掩膜实现体二极管集成，在保持导通电阻和漏电流相近的同时将反向恢复电荷降低71.5%，有效解决高频应用中的功率损耗和可靠性问题。

　　

张一鸣|陶然|高大为

浙江大学集成电路学院，杭州，311200，中国

摘要

本文提出了一种新型的VDMOS结构，称为MPP-MCD，该结构有效降低了开关转换过程中反向恢复过程引起的功率损耗。通过策略性地修改P-Body、源极P⁺区域和栅极掩模布局，实现了MOS通道二极管与VDMOS的单片集成，而无需引入额外的工艺步骤。TCAD仿真结果表明，在基准参数下，与传统VDMOS（Con-VDMOS）相比，MPP-MCD将反向恢复电荷（Q_rr）降低了54.4%，同时保持了相当的导通电阻（R_on-sp）和关断状态漏电流（I_off）。此外，MPP-MCD克服了传统MCD集成方案（Con-MCD）中薄氧化层和单通道配置带来的可靠性限制，在长时间栅极偏压应力下表现出更低的阈值电压（V_T）和反向导通电压（V_F）漂移。参数分析进一步表明，MPP-MCD在平衡击穿电压和漏电流性能的同时，可以将Q_rr降低多达71.5%，这凸显了其在高频和高效率功率开关应用中的潜力。

引言

由于垂直双扩散MOSFET（VDMOS）具有高电流密度、低导通电阻（R_on-sp）和快速开关能力，因此在电力电子应用中受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。然而，其体二极管在开关转换过程中的反向恢复过程会导致显著的功率损耗，且这种损耗会随着工作频率的增加而加剧。为了解决这个问题，人们探索了多种策略，包括载流子寿命控制[4]、使用反并联或寄生体二极管[5]、[6]，以及快速恢复二极管（如肖特基势垒二极管（SBD）[7]、异质结二极管（HJD）[8]、[9]、MOS通道二极管（MCD）[10]、[11]、[12]）的单片集成。

在这些方法中，载流子寿命控制技术通常会降低导电性能[4]，而外部反并联二极管会增加系统复杂性和寄生效应[5]。尽管体二极管被广泛用作自由轮二极管[6]，但其较高的正向电压（Si约为0.7 V，SiC约为2.8 V）限制了其在高频、低功耗应用中的适用性。这些限制促使了单片集成二极管的发展。然而，每种集成方法都面临着特定的挑战：SBD由于像力效应和热不稳定而容易产生可靠性问题[7]；HJD在制造过程中面临与异质界面质量相关的问题[13]；而传统的MCD集成通常需要牺牲通道或复杂的阱结构，这会降低导电性能并引入额外的工艺复杂性[10]、[11]、[12]。此外，除了工艺兼容性和性能之间的权衡之外，大多数优化反向恢复的方案都忽略了其对器件可靠性的影响。在VDMOS中，可靠性风险主要由界面陷阱引起的参数变化所主导[14]、[15]，这是因为垂直结构具有延长的漂移区，能够实现更平滑的电场分布，并显著减少热载流子注入（HCI）。例如，传统的MCD方法需要采用分裂栅极设计来集成厚氧化层和薄氧化层，这引入了两个关键风险：（1）在相同的漏极偏压下，薄氧化层受到的电荷影响更严重，导致比厚氧化层更快的退化；（2）厚氧化层和薄氧化层之间的界面成为电场积累点，在高电压下会形成热点，加速界面陷阱的产生，从而影响长期可靠性[16]。

在这种情况下，我们提出了一种新型的MCD集成VDMOS结构，称为MPP-MCD，仅通过对P-Body、源极P⁺和栅极掩模进行修改来实现。这种设计完全兼容标准VDMOS工艺，无需额外的薄氧化层栅极模块。TCAD仿真结果证实，MPP-MCD保持了出色的导通性能，对击穿电压（BV）的影响最小，并显著降低了Q_rr，同时与Con-MCD结构相比也表现出更高的可靠性。

部分摘录

器件结构和机制

在本研究中，采用了张等人[11]报告的结构作为基准器件。为了在保持结构稳定性的同时实现反向恢复性能的最大改进，关键参数——即MCD氧化层厚度——被设定为其临界值10 nm。为了阐明所提出的MPP-MCD的结构创新，图1展示了（a）Con-VDMOS、（b）Con-MCD和（c, d）MPP-MCD结构之间的三维示意图和布局比较。

静态电气特性和反向恢复性能

图2比较了Con-VDMOS、Con-MCD和所提出的MPP-MCD结构的正向导电特性。如图2a中的转移特性曲线（栅极电压从0扫描到10 V，V_ds = 0.1 V）和输出IV曲线（图2b）所示，这三种结构的阈值电压（V_T）几乎相同。这归因于它们相同的栅极氧化层厚度、P-Body掺杂分布和通道长度。然而，在其他方面存在显著差异

结论

本文提出了一种具有单片集成MOS通道二极管的新型VDMOS结构，称为MPP-MCD，并对其进行了系统评估。通过优化P-Body、源极P⁺区域和栅极掩模的布局，MPP-MCD实现了无额外工艺步骤的二极管集成，从而保持了与传统VDMOS制造的完全兼容性。TCAD仿真表明，所提出的结构显著降低了Q_rr——最多降低了71.5%

利益冲突声明

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致谢

作者非常感谢浙江CMOS集成电路技术及设计技术创新中心的友好指导。本工作得到了国家自然科学基金（编号：62504203）和浙江省重点研发计划（编号：2024SJCZX0029）的支持。