具有P柱中N点区域的超结MOSFET，用于软恢复

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来源：Superjunction MOSFET with an N-dot region in the P-pillar for Soft Reverse Recovery（ISPSD 24年）

摘要

在本文中，提出了一种新型的具有P柱中N点区域的超结MOSFET，并进行了实验研究。利用硼和砷扩散速率的差异，通过在P柱注入后植入等剂量的砷和硼，自然形成了N点区域。因此，N柱和P柱之间的电荷平衡条件保持不变，这允许所提出的超结MOSFET的击穿电压不受影响。更重要的是，N点区域增加了位于N点区域下方的P柱的接地电阻，这降低了反向恢复期间非平衡空穴的提取速度。因此，所提出的MOSFET获得了柔软的反向恢复性能。实验结果表明，与传统的超结MOSFET相比，所提出的MOSFET的软度因子可以提高2.5倍以上，且无副作用。

关键词—超结MOSFET；反向恢复；二极管；柔软度

文章的研究内容

文章的研究内容是关于一种新型的超结MOSFET（Superjunction MOSFET，简称SJ-MOSFET），这种器件在P柱（P-pillar）中引入了一个N点区域（N-dot region），目的是实现更软的（soft）反向恢复特性。以下是对研究内容的具体概述：

1. 新型结构的提出：文章提出了一种具有P柱中N点区域的超结MOSFET，这种结构旨在改善器件的反向恢复性能。

2. 利用扩散速率差异：通过利用硼（boron）和砷（arsenic）的扩散速率差异，在P柱注入后植入等剂量的砷和硼，自然形成了N点区域。

3. 电荷平衡条件：由于N点区域的形成，N柱和P柱之间的电荷平衡条件保持不变，这有助于维持超结MOSFET的击穿电压不受N点区域影响。

4. 反向恢复性能改善：N点区域增加了P柱的接地电阻，从而降低了反向恢复期间非平衡空穴的提取速度，实现了更软的反向恢复特性。

5. 实验研究：通过实验验证了所提出的超结MOSFET与传统超结MOSFET相比，在没有副作用的情况下，软度因子（softness factor）提高了2.5倍以上。

6. 关键词：文章的关键词包括超结MOSFET、反向恢复、二极管和柔软度，这些关键词概括了文章的主要内容和研究重点。

7. 实验结果：文章通过实验结果展示了新型SJ-MOSFET在反向恢复过程中的性能提升，包括降低的电压过冲（voltage overshoot）和抑制的电压振荡。

8. 影响因素研究：研究了N点剂量和N点区域到P柱底部的距离对软度因子和击穿电压的影响。

9. 结论：文章得出结论，所提出的具有N点区域的超结MOSFET在不引入副作用的情况下，显著改善了反向恢复性能。

这项研究对于提高功率转换系统的效率和可靠性具有重要意义，尤其是在需要快速开关应用的场合。

文章的研究方法

1. 理论设计：提出了一种新型的超结MOSFET（SJ-MOSFET）结构，该结构在P柱中引入了N点区域，以期望改善反向恢复性能。

2. 制造工艺：利用硼和砷的扩散速率差异，通过在P柱注入后植入等剂量的砷和硼，自然形成了N点区域。这种方法不需要复杂的制造工艺。

3. 实验制备：在实验室中制备了所提出的SJ-MOSFET，并与传统的SJ-MOSFET进行了对比实验。

4. 电场分布模拟：通过模拟，比较了所提出的SJ-MOSFET与传统SJ-MOSFET在不同条件下的电场分布情况。

5. 反向恢复特性测试：测试了两种SJ-MOSFET在反向恢复期间的电流、电压波形，以及反向恢复电荷（Qrr）和软度因子等参数。

6. 性能比较：将所提出的SJ-MOSFET与传统SJ-MOSFET的性能进行了比较，特别是反向恢复期间的电压过冲和振荡情况。

7. 参数影响分析：研究了N点区域的剂量和位置对SJ-MOSFET反向恢复性能的影响，以及这些参数如何影响击穿电压。

8. 数据分析：对实验数据进行了详细分析，以验证所提出的SJ-MOSFET结构在改善反向恢复性能方面的有效性。

9. 结果验证：通过实验结果验证了理论设计和模拟的准确性，确保了研究结果的可靠性。

10. 结论提炼：基于实验和分析结果，得出了所提出的SJ-MOSFET结构能够显著提高反向恢复软度因子，且不引入副作用的结论。

整体来看，这项研究采用了理论设计、模拟分析、实验验证和参数优化等方法，系统地研究了新型SJ-MOSFET结构对反向恢复性能的影响。

文章的创新点

1. N点区域设计：在P柱中引入N点区域（N-dot region），这是通过在P柱注入后植入等剂量的砷（As）和硼（B）来自然形成的，利用了硼和砷不同的扩散速率。

2. 电荷平衡保持：尽管引入了N点区域，但N柱和P柱之间的电荷平衡条件保持不变，这有助于维持超结MOSFET的击穿电压不受新结构的影响。

3. 反向恢复性能改善：N点区域增加了P柱的接地电阻，这降低了反向恢复期间非平衡空穴的提取速度，从而实现了更软的反向恢复特性。

4. 无需复杂工艺：与传统的需要复杂制造过程的SJ-MOSFET相比，所提出的结构不需要额外的复杂工艺步骤，易于实现。

5. 软度因子显著提升：实验结果表明，与常规超结MOSFET相比，所提出的SJ-MOSFET在没有副作用的情况下，软度因子可以提高2.5倍以上。

6. 电压过冲和振荡降低：所提出的SJ-MOSFET在反向恢复期间显示出较低的电压过冲和抑制的电压振荡，这有助于提高系统的稳定性和可靠性。

7. N点剂量和位置的影响研究：文章不仅提出了新结构，还研究了N点区域的剂量和位置对器件性能的具体影响，为进一步优化提供了依据。

8. 实验验证：通过实验验证了所提出的SJ-MOSFET结构的有效性，确保了理论设计和模拟结果的准确性。

这些创新点展示了在超结MOSFET设计中通过引入N点区域来优化反向恢复性能的新方法，有助于推动功率电子器件技术的发展。

文章的结论

1. 新型SJ-MOSFET结构：提出了一种具有P柱中N点区域的新型超结MOSFET，并进行了实验研究。

2. 电荷平衡未受影响：N点区域的形成并未影响N柱和P柱之间的电荷平衡条件，保持了超结MOSFET的击穿电压不变。

3. 反向恢复性能改善：由于N点区域增加了P柱的接地电阻，减缓了非平衡空穴的提取速度，所提出的SJ-MOSFET展现出了更软的反向恢复特性。

4. 软度因子显著提升：与传统的超结MOSFET相比，所提出的SJ-MOSFET的软度因子提高了2.5倍以上，且没有引入副作用。

5. 电压过冲降低：在反向恢复测试中，所提出的SJ-MOSFET显示出较低的电压过冲和抑制的电压振荡，提高了系统的稳定性。

6. N点剂量和位置的影响：研究了N点区域的剂量和位置对软度因子和击穿电压的影响，发现软度因子随N点剂量的增加而增加，但超过一定剂量后趋于饱和。

7. 无需复杂制造工艺：所提出的SJ-MOSFET结构不需要复杂的制造工艺，易于实现，有利于工业应用。

8. 实验验证：通过实验验证了所提出的SJ-MOSFET结构在改善反向恢复性能方面的有效性。

9. 潜在应用价值：所提出的SJ-MOSFET由于其改善的反向恢复性能，具有在高速开关应用中的潜在应用价值。

文章的结论强调了所提出SJ-MOSFET结构的有效性，并指出了其在功率电子领域的应用潜力。

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