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隨著電子技術在工業、交通、消費、醫療等領域的蓬勃發展，當代社會對電力電子設備的要求也越來越高，功率半導體就是影響這些電力電子設備成本和效率的直接因素之一。自從二十世紀五十年代真空管被固態器件代替以來，以硅(Si)材料為主的功率半導體器件就一直扮演著重要的角色，功率MOSFET是其中最典型的代表。

MOSFET的中文全稱是金屬-氧化物半導體場效應晶體管。它的基本機構如下圖所示：P型半導體作為襯底，其兩端各有一個重摻雜N+，分別作為源極（SOURCE,S）和漏極（DRAIN, D），在P型半導體表面涂上一層sio2絕緣層并在絕緣層上引出一端，作為柵極（GATE, G）。

當柵源兩端電壓為零時，不論漏源之間的電壓是正偏還是反偏，半導體中始終有反向偏置的PN結致使器件無法導通。當柵源兩端加上一個正向電壓且VGS上升到閾值時，P區形成一個反型層，為柵極和漏極之間創造了通路，此時MOS管導通。

為了增加MOS的耐壓能力，常在P區和漏極的N+之間增加一段漂移區，承受器件在反向耐壓狀態下的高電壓。漂移區的摻雜濃度也決定了器件的大部分電阻，此即為LDMOS的基本結構。

除了橫向結構以外，還存在一種縱向結構模式，稱為VDMOS。在VDMOS結構中，漏端和源端、柵端不在同一平面（如下圖所示）。但與LDMOS相同的是，VDMOS的耐壓和導通電阻同樣主要由漂移區決定。所以提高漂移區摻雜濃度自然成為降低功率MOS導通電阻的方法之一。

在這樣的背景下，為了得到大功率低損耗的功率器件，有學者提出，可以通過設置交替的PN條來提高器件漂移區的摻雜濃度進而實現低導通電阻，此即SUPER JUNCTION MOSFET(SJ MOS)。所以以下就是今天我要跟大家分享的關于半導體超結MOSFET及其發展的相關知識，希望有興趣的朋友可以一起多交流學習。

一、超結MOSFET的定義

半導體超級結 MOSFET (SJ-MOS)，英文名稱：Super Junction MOSFET。為了解決額定電壓提高而導通電阻增加的問題，超結結構MOSFET在D端和S端排列多個垂直pn結的結構，其結果是在保持高電壓的同時實現了低導通電阻。超級結的存在大大突破了硅的理論極限，而且額定電壓越高，導通電阻的下降越明顯。

以下圖為例，超結在S端和D端增加了長長的柱子，形成垂直的PN結，交替排列。N層和P層在漂移層中設置垂直溝槽，當施加電壓時耗盡層水平擴展，很快合并形成與溝槽深度相等的耗盡層。耗盡層僅擴展至溝槽間距的一半，因此形成厚度等于溝槽深度的耗盡層。耗盡層的膨脹小且良好，允許漂移層雜質濃度增加約5倍，從而可以降低RDS(ON)。

超級結的性能提升方法：使溝槽和溝槽間距盡可能小和深。SJ-MOS 可以設計為具有較低電阻的 N 層，從而實現低導通電阻產品。

超級結存在的問題：本質上超級結MOSFET比平面MOSFET具有更大的pn結面積，因此trr比平面MOSFET快，但更大的irr流動。內部二極管的反向電流irr和反向恢復時間trr會影響晶體管關斷開關特性。

二、超結MOSFET的結構

高壓的功率MOSFET的外延層對總的導通電阻起主導作用，要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓，同時，降低導通電阻，最直觀的方法就是：在器件關斷時，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級，同時，在器件導通時，形成一個高摻雜N+區，作為功率MOSFET導通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開，分別設計在不同的區域，就可以實現上述的要求。

基于超結SuperJunction的內建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設計出的一種新型器件。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖3所示。Infineon最先將這種結構生產出來，并為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS，這種結構從學術上來說，通常稱為超結型功率MOSFET。

垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關斷時，形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道，P和垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，并建立橫向水平電場;同時，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，產生寬的耗盡層，并建立垂直電場。

由于垂直導電N+區摻雜濃度高于外延區N-的摻雜濃度，而且垂直導電N+區兩邊都產生橫向水平電場，這樣垂直導電的N+區整個區域基本上全部都變成耗盡層，即由N+變為N-，這樣的耗盡層具有非常高的縱向的阻斷電壓，因此，器件的耐壓就取決于高摻雜P+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。

當MOS導通時，柵極和源極的電場將柵極下的P區反型，在柵極下面的P區產生N型導電溝道，同時，源極區的電子通過導電溝道進入垂直的N+區，中和N+區的正電荷空穴，從而恢復被耗盡的N+型特性，因此導電溝道形成，垂直N+區摻雜濃度高，具有較低的電阻率，因此導通電阻低。

比較平面結構和溝槽結構的功率MOSFET，可以發現，超結型結構實際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點，是在平面型結構中開一個低阻抗電流通路的溝槽，因此具有平面型結構的高耐壓和溝槽型結構低電阻的特性。

內建橫向電場的高壓超結型結構與平面型結構相比較，同樣面積的硅片可以設計更低的導通電阻，因此具有更大的額定電流值和雪崩能量。

由于要開出N+溝槽，它的生產工藝比較復雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接制作：通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。前者工藝相對的容易控制，但工藝的程序多，成本高;后者成本低，但不容易保證溝槽內性能的一致性。

三、超結MOSFET的工作原理

1、關斷狀態

從下圖中可以看到，垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關斷時，也就是G極的電壓為0時，橫向形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。

柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道，左邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，右邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，并建立橫向水平電場。

當中間的N+的滲雜濃度和寬度控制得合適，就可以將中間的N+完全耗盡，如下圖b所示，這樣在中間的N+就沒有自由電荷，相當于本征半導體，中間的橫向電場極高，只有外部電壓大于內部的橫向電場，才能將此區域擊穿，所以，這個區域的耐壓極高，遠大于外延層的耐壓，功率MOSFET管的耐壓主要由外延層來決定。

注意到，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，有利于產生更寬的耗盡層，增加垂直電場。

2、開通狀態

當G極加上驅動電壓時，在G極的表面將積累正電荷，同時，吸引P區的電子到表面，將P區表面空穴中和，在柵極下面形成耗盡層，如圖5示。

隨著G極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，進一步吸引P區電子到表面，這樣，在G極下面的P型的溝道區中，積累負電荷，形成N型的反型層，同時，由于更多負電荷在P型表面積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來越減小，橫向的電場也越來越小。

G極的電壓進一步提高，P區更寬范圍形成N型的反型層，最后，N+區域回到原來的高滲雜的狀態，這樣，就形成的低導通電阻的電流路徑，如下圖所示。

四、傳統MOS管的瓶頸

下面，我就跟大家分享一下傳統MOS管的瓶頸：

五、超結MOSFET的缺點和改進

當然，超結理論在現實應用中也并不是完美的，那具體有哪些缺點和可以改善的地方呢？

六、超結MOSFET的優點

超結MOSFET與傳統的VDMOS相比，具有導通電阻低、開關速度快、芯片體積小、發熱低的特點。一般來說，相同電流、電壓規格的超結MOSFET導通電阻僅為傳統VDMOS的一半左右，器件開通和關斷速度較傳統VDMOS下降30%以上。這些特點可以使超結MOSFET在替代傳統VDMOS時具有更好的溫升和效率表現，一般來說，使用超結MOSFET后，電源效率可以上升1～2百分點。同時超結MOSFET也完全可以與驅動IC一起進行集成封裝，大幅度降低產品體積。

超級結具有更小的結電容，對超級結器件而言，電阻的減小會帶來明顯的好處，例如在相同RDS(on)下的更低導通損耗或更小管芯。另外，芯片面積的減小會導致更低的結電容以及柵極和輸出電荷，這可減小動態損耗。在低壓溝槽式或平面式MOS管中，通常需要考慮以更高結電容為讓步條件來降低RDS(on)。在超級結技術情況下，讓步程度是最小的。電荷平衡機制可同時減小RDS(on)和器件結電容，使之成為一種雙贏解決方案。