超结MOSFET的基本结构与工作原理
文章来源：Jeff’s Chip World
原作者：Jeff’s Chip World
超级结MOSFET（简称SJ-MOS）是高压功率半导体领域突破传统性能限制的关键器件。通过在器件结构中引入交替分布的P型和N型柱区，实现高耐压下的低导通电阻特性，显着提高功率转换效率和功率密度。
传统高压MOSFET的瓶颈及超级结的提出
在高压（通常高于600V）功率MOSFET中，导通电阻主要由低掺杂漂移区贡献。为了提高器件的击穿电压，传统方法需要进一步降低漂移区的掺杂浓度并增加其厚度，但这会导致导通电阻呈指数级增加。这种击穿电压与导通电阻之间的限制关系被称为“硅极限”，严重阻碍了高压功率器件的发展。
为了解决这一矛盾，基于陈兴弼院士提出的“复合缓冲层”理论，业界开发出了超结MOSFET。其核心思想是通过结构创新，在保持高耐压的同时，大幅降低导通电阻，从而突破硅材料的理论极限。
超级结MOSFET的结构及工作原理
超级结MOSFET的基本结构是在传统VDMOS的漂移区中制备交替排列且垂直分布的P型柱和N型柱。从横截面来看，这些P/N 柱就像在漂移层中建立的多个垂直PN 结。
其工作原理的关键在于“电荷平衡”和“横向耗尽”。当器件处于截止状态并受到反向电压时，相邻P柱和N柱之间会发生横向互耗尽。在理想的电荷平衡状态下，整个漂移区可以完全耗尽，形成近似本征半导体（i区）的层。此时，器件的耐压机制变为PIN二极管的耐压机制：P体区、全耗尽漂移区（i区）和N+衬底共同承受电压，电场分布更接近理想的矩形，从而能够在更薄的区域实现更高的击穿电压。
由于耐压不再主要依赖于低掺杂N型漂移区，超结结构中的N柱可以大大提高掺杂浓度。当器件导通时，高掺杂的N 柱为电流流动提供低电阻路径，从而显着降低器件的比导通电阻。
主要制造工艺
实现超级结结构需要极高的工艺要求。目前主流的工艺有两种：
多次外延和离子注入法：该方法多次生长硅层并交替进行离子注入，形成多个交替的P/N型薄层。然后杂质通过高温前进垂直扩散并连接，最终形成连续的P柱和N柱结构。工艺成熟，设计灵活，各层用量可调。所得器件可靠性高、动态特性好，但工艺步骤多、成本高。
深沟槽刻蚀填充法：首先在重掺杂衬底上生长低掺杂外延层，然后通过深反应离子刻蚀形成高深宽比的沟槽，然后用P型硅外延填充沟槽，形成P柱。工艺步骤相对简单，成本较低。然而，挑战在于难以控制沟槽蚀刻的形貌、填充完整性以及避免微观缺陷，这可能对器件的长期可靠性和动态特性产生影响。
超级结MOSFET的性能优势及应用
与传统VDMOS相比，超级结MOSFET在多项关键性能上取得了显着提升：
导通电阻大幅降低：在相同耐压和芯片面积下，超级结MOSFET的导通电阻比传统VDMOS可降低50%-80%。这主要是由于其N柱区的掺杂浓度较高。
更快的开关速度：超级结结构的特性使得开关速度比传统VDMOS快30%以上，有利于降低开关损耗。
更小的芯片面积：由于比导通电阻低，达到相同额定电流需要更小的芯片面积，有利于器件小型化。
提高运行效率和温升：更低的传导损耗和开关损耗直接提高电源系统的整体效率，通常会带来1-2个百分点的效率提升，同时器件发热显着降低。
超级结MOSFET因其“高耐压、低损耗、快速开关、小尺寸”的核心优势，成功解决了传统VDMOS在中高压领域（600V-1200V）的性能瓶颈，广泛应用于对效率和功率密度要求严格的场合，如服务器电源、工业电源、新能源汽车、充电适配器等。
超级结MOSFET通过其巧妙的电荷平衡原理和独特的纵向P/N柱结构，有效打破了高压硅基功率器件的“硅极限”，优化了导通电阻和击穿电压之间的关系。尽管其制造工艺复杂，并面临平衡成本和可靠性的挑战，但其优异的综合性能使其成为高压高效功率转换领域不可或缺的器件。随着工艺技术的不断进步，超级结MOSFET将继续在推动电力电子设备向更高效率、更小尺寸和更好性能方向发展方面发挥关键作用。
