中低压VDMOS 提升EAS 能力的研究与设计

引言

VDMOS 器件凭借其高耐压、低损耗、快速开关及高频等特性在电力电子技术领域应用越来越广泛。随着该器件在汽车电子、航空航天等领域更广泛的应用，除了对于效能的考量外，器件的可靠性使用越来越受到重视。对于开关器件，非钳位感性负载下的开关过程会让器件同时承受高电压和大电流，雪崩耐量 EAS 是用来衡量器件对此极端应力的承受情况的重要指标参数。

客户在特定环境下的电源转换中，使用我司产品 17N20 时遇到因过压问题导致器件损坏的现象，判断是该产品的EAS 能力较弱从而导致的器件损坏，该产品的标称雪崩耐量为0.48J，客户需求其他静态参数不变的情况下，提升EAS 能力至0.55J 以上。

1 典型 EAS 测试原理

雪崩耐量体现了半导体开关器件的过雪崩电流能力，非钳位感性负载开关（UnclampedInductive Switching，UIS）的典型电路结构如下所示：t1 到 t3 的过程为一次 UIS 过程，首先对待测器件的 Gate 施加开启信号，使电感储存能量；之后储存的能量由被测器件进行吸收。器件吸收能量而不损坏的最大能量值为器件的雪崩耐量。对 tav 时间段电流和电压乘积积分可得到器件吸收的能量，即单次雪崩耐量Eav ：

其中，VDD=50V，L=1.00mH。2 产品失效机理及影响因素

⑴ 失效机理

（1）寄生二极管雪崩烧毁：VDMOS 结构中，Body 区与外延之间的存在寄生二极管，如下图 2 ：当外接感性负载时，器件关断后漏极电流不会突变，但体内寄生二极管反偏电压瞬间被抬升，进入雪崩状态。流过二极管的大电流及两端高电压会在器件内部产生热量，散热不及时就会导致MOS 过热烧毁失效。

（2）寄生三极管开启：正常情况下，VDMOS 中 RS 两端电压很小（小于正向开启电压），流过的电流几乎为 0 ；但当寄生二极管雪崩击穿时，即雪崩电流足够长并持续足够长时间，就可能激活内部的寄生NPN 双极晶体管( 如下图3），进而引发闩锁效应。一旦发生闩锁效应，MOSFET 内部会形成一个不可控的大电流通道，这不仅会导致功耗急剧增加，还可能因过热而造成永久性损伤。

⑵ 影响EAS 特性的因素

结构设计：不同的MOSFET内部结构设计会影响其雪崩耐受能力。例如，Contact结构问题、

寄生三极管问题，还有较大的芯片面积有助于散热，但同时也增加了寄生电容，影响开关速度。材料特性：硅基 (Si) 与碳化硅 (SiC) 等不同半导体材料因其物理属性差异而表现出不

同的雪崩行为。SiC MOSFET 由于其宽禁带特性，在高温环境下具备更佳的雪崩鲁棒性。外部条件：温度、湿度、周围环境中的电磁干扰等因素都会对实际应用中的EAS 产生影响。

3 EAS 性能优化提升

（1）优化方向

为了不影响其他参数，MOS 设计中通常都是减小 Body 中的横向电阻 R_S, 本产品采用Deep body 的注入方式来实现。将原本流程 PSD 层光刻取消，增加 LPSIN spacer 工艺作为沟道处的阻挡层，优化 PSD 层进行普注菜单，增加 P+ 区注入尺寸及深度 , 降低基区电阻Rs，有利于减小器件寄生 NPN 晶体管导通的可能性，提高其抗动态雪崩能力，在满足器件击穿电压、导通电阻的同时，达到用户对EAS 能力应用要求。

（2）器件仿真结果

将以上设计结果导入二维仿真软件 ISE-TCAD 中进行工艺和器件参数仿真。工艺仿真结果如图 4 所示。击穿电压仿真结果比对从图 5 可以看出，击穿电压满足产品设计要求，优化前后无明显差异；图6 为导通电阻的仿真结果比对，优化前后无明显差异，且达到设计要求；由图7 EAS 能力仿真结果比，可以看出Deep body 的电流密度与电压随时间的积分即EAS 能力，较工艺优化前有明显的提升，仿真结果满足客户对产品性能的要求。