文章來(lái)源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

超結(jié)MOSFET（Super-Junction MOSFET，簡(jiǎn)稱SJ-MOS）是一種在高壓功率半導(dǎo)體領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)性能限制的關(guān)鍵器件。它通過(guò)在器件結(jié)構(gòu)中引入交替分布的P型與N型柱區(qū)，實(shí)現(xiàn)了在高耐壓下仍保持低導(dǎo)通電阻的特性，顯著提升了功率轉(zhuǎn)換效率與功率密度。

傳統(tǒng)高壓MOSFET的瓶頸與超結(jié)的提出

在高壓（通常指600V以上）功率MOSFET中，導(dǎo)通電阻主要由低摻雜的漂移區(qū)貢獻(xiàn)。為了提高器件的擊穿電壓，傳統(tǒng)方法需要進(jìn)一步降低漂移區(qū)摻雜濃度并增加其厚度，但這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻呈指數(shù)型上升。這種擊穿電壓與導(dǎo)通電阻之間的制約關(guān)系被稱為“硅極限”（Silicon limit），嚴(yán)重阻礙了高壓功率器件的發(fā)展。

為解決這一矛盾，基于陳星弼院士提出的“復(fù)合緩沖層”理論，業(yè)界研發(fā)出了超結(jié)MOSFET。其核心思想是通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在保持高耐壓的同時(shí)大幅降低導(dǎo)通電阻，從而突破硅材料的理論極限。

超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理

超結(jié)MOSFET的基本結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)VDMOS的漂移區(qū)中，制備出交替排列、垂直分布的P型柱和N型柱。從剖面看，這些P/N柱如同在漂移層中樹(shù)立起的多個(gè)垂直PN結(jié)。

其工作原理的關(guān)鍵在于“電荷平衡”與“橫向耗盡”。當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)并承受反向電壓時(shí)，相鄰的P柱與N柱之間會(huì)發(fā)生橫向的相互耗盡。在理想電荷平衡狀態(tài)下，整個(gè)漂移區(qū)可被完全耗盡，形成一個(gè)近似本征半導(dǎo)體（i區(qū)）的層。此時(shí)，器件的耐壓機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/pi/" target="_blank">PIN二極管：由P體區(qū)、完全耗盡的漂移區(qū)（i區(qū)）和N+襯底共同承受電壓，電場(chǎng)分布更接近理想的矩形，從而能在更薄的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓。

由于耐壓不再主要依賴于低摻雜的N型漂移區(qū)，因此超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N柱可以大幅提高摻雜濃度。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，高摻雜的N柱為電流提供了低電阻通路，從而顯著降低了器件的比導(dǎo)通電阻。

主要制造工藝

實(shí)現(xiàn)超結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)工藝制程要求極高，目前主流工藝有以下兩種：

多次外延及離子注入法：該方法通過(guò)多次外延生長(zhǎng)硅層并交替進(jìn)行離子注入，形成多層交替的P/N型薄層，再經(jīng)過(guò)高溫推進(jìn)使雜質(zhì)縱向擴(kuò)散連通，最終形成連續(xù)的P柱和N柱結(jié)構(gòu)。該工藝成熟，設(shè)計(jì)靈活，每層劑量可調(diào)，所得器件可靠性高，動(dòng)態(tài)特性好，但工藝步驟繁多，成本較高。

深溝槽刻蝕填充法：先在重?fù)诫s襯底上生長(zhǎng)低摻雜外延層，然后通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕形成深寬比很高的溝槽，再在溝槽中外延填充P型硅，形成P柱。該工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。但挑戰(zhàn)在于溝槽刻蝕的形貌控制、填充完整性以及避免產(chǎn)生微觀缺陷方面難度較大，可能對(duì)器件長(zhǎng)期可靠性和動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響。

超結(jié)MOSFET的性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

與傳統(tǒng)VDMOS相比，超結(jié)MOSFET在多項(xiàng)關(guān)鍵性能上取得顯著提升：

導(dǎo)通電阻顯著降低：在相同的耐壓和芯片面積下，超結(jié)MOSFET的導(dǎo)通電阻可比傳統(tǒng)VDMOS降低50%-80%。這主要得益于其N柱區(qū)的高摻雜濃度。

開(kāi)關(guān)速度更快：超結(jié)結(jié)構(gòu)的特性使其開(kāi)關(guān)速度比傳統(tǒng)VDMOS快30%以上，有利于降低開(kāi)關(guān)損耗。

芯片面積更小：由于比導(dǎo)通電阻低，實(shí)現(xiàn)相同額定電流所需的芯片面積更小，利于設(shè)備小型化。

工作效率與溫升改善：更低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗直接提升了電源系統(tǒng)的整體效率，通常可帶來(lái)1-2個(gè)百分點(diǎn)的效率提升，同時(shí)器件發(fā)熱大幅降低。

正因具備“高耐壓、低損耗、快開(kāi)關(guān)、小體積”的核心優(yōu)勢(shì)，超結(jié)MOSFET成功解決了傳統(tǒng)VDMOS在中高壓領(lǐng)域（600V-1200V）的性能瓶頸，被廣泛應(yīng)用于對(duì)效率和功率密度要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合，如服務(wù)器電源、工業(yè)電源、新能源汽車、充電適配器等。

超結(jié)MOSFET通過(guò)巧妙的電荷平衡原理和獨(dú)特的縱向P/N柱結(jié)構(gòu)，有效打破了高壓硅基功率器件的“硅極限”，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通電阻與擊穿電壓關(guān)系的優(yōu)化。盡管其制造工藝復(fù)雜，面臨成本與可靠性的平衡挑戰(zhàn)，但其優(yōu)異的綜合性能使其已成為高壓高效功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域不可或缺的器件。隨著工藝技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，超結(jié)MOSFET將繼續(xù)在推動(dòng)電力電子設(shè)備向更高效率、更小體積、更優(yōu)性能方向發(fā)展過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色。