【博主簡介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

隨著電子技術(shù)在工業(yè)、交通、消費(fèi)、醫(yī)療等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，當(dāng)代社會(huì)對電力電子設(shè)備的要求也越來越高，功率半導(dǎo)體就是影響這些電力電子設(shè)備成本和效率的直接因素之一。自從二十世紀(jì)五十年代真空管被固態(tài)器件代替以來，以硅(Si)材料為主的功率半導(dǎo)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。它的基本機(jī)構(gòu)如下圖所示：P型半導(dǎo)體作為襯底，其兩端各有一個(gè)重?fù)诫sN+，分別作為源極（SOURCE,S）和漏極（DRAIN, D），在P型半導(dǎo)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(dāng)柵源兩端電壓為零時(shí)，不論漏源之間的電壓是正偏還是反偏，半導(dǎo)體中始終有反向偏置的PN結(jié)致使器件無法導(dǎo)通。當(dāng)柵源兩端加上一個(gè)正向電壓且VGS上升到閾值時(shí)，P區(qū)形成一個(gè)反型層，為柵極和漏極之間創(chuàng)造了通路，此時(shí)MOS管導(dǎo)通。

為了增加MOS的耐壓能力，常在P區(qū)和漏極的N+之間增加一段漂移區(qū)，承受器件在反向耐壓狀態(tài)下的高電壓。漂移區(qū)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(jié)構(gòu)。

除了橫向結(jié)構(gòu)以外，還存在一種縱向結(jié)構(gòu)模式，稱為VDMOS。在VDMOS結(jié)構(gòu)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(dǎo)通電阻同樣主要由漂移區(qū)決定。所以提高漂移區(qū)摻雜濃度自然成為降低功率MOS導(dǎo)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(xué)者提出，可以通過設(shè)置交替的PN條來提高器件漂移區(qū)的摻雜濃度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)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(guān)于半導(dǎo)體超結(jié)MOSFET及其發(fā)展的相關(guān)知識，希望有興趣的朋友可以一起多交流學(xué)習(xí)。

一、超結(jié)MOSFET的定義

半導(dǎo)體超級結(jié) MOSFET (SJ-MOS)，英文名稱：Super Junction MOSFET。為了解決額定電壓提高而導(dǎo)通電阻增加的問題，超結(jié)結(jié)構(gòu)MOSFET在D端和S端排列多個(gè)垂直pn結(jié)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是在保持高電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低導(dǎo)通電阻。超級結(jié)的存在大大突破了硅的理論極限，而且額定電壓越高，導(dǎo)通電阻的下降越明顯。

以下圖為例，超結(jié)在S端和D端增加了長長的柱子，形成垂直的PN結(jié)，交替排列。N層和P層在漂移層中設(shè)置垂直溝槽，當(dāng)施加電壓時(shí)耗盡層水平擴(kuò)展，很快合并形成與溝槽深度相等的耗盡層。耗盡層僅擴(kuò)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(zhì)濃度增加約5倍，從而可以降低RDS(ON)。

超級結(jié)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(shè)計(jì)為具有較低電阻的 N 層，從而實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻產(chǎn)品。

超級結(jié)存在的問題：本質(zhì)上超級結(jié)MOSFET比平面MOSFET具有更大的pn結(jié)面積，因此trr比平面MOSFET快，但更大的irr流動(dòng)。內(nèi)部二極管的反向電流irr和反向恢復(fù)時(shí)間trr會(huì)影響晶體管關(guān)斷開關(guān)特性。

二、超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)

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

基于超結(jié)SuperJunction的內(nèi)建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設(shè)計(jì)出的一種新型器件。內(nèi)建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖3所示。Infineon最先將這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來，并為這種結(jié)構(gòu)的MOSFET設(shè)計(jì)了一種商標(biāo)CoolMOS，這種結(jié)構(gòu)從學(xué)術(shù)上來說，通常稱為超結(jié)型功率MOSFET。

垂直導(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，形成兩個(gè)反向偏置的PN結(jié)：P和垂直導(dǎo)電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，P和垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)耗盡層增大，并建立橫向水平電場;同時(shí)，P+和外延層N-形成PN結(jié)也是反向偏置形，產(chǎn)生寬的耗盡層，并建立垂直電場。

由于垂直導(dǎo)電N+區(qū)摻雜濃度高于外延區(qū)N-的摻雜濃度，而且垂直導(dǎo)電N+區(qū)兩邊都產(chǎn)生橫向水平電場，這樣垂直導(dǎo)電的N+區(qū)整個(gè)區(qū)域基本上全部都變成耗盡層，即由N+變?yōu)镹-，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(qū)與低摻雜外延層N-區(qū)的耐壓。

當(dāng)MOS導(dǎo)通時(shí)，柵極和源極的電場將柵極下的P區(qū)反型，在柵極下面的P區(qū)產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道，同時(shí)，源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)入垂直的N+區(qū)，中和N+區(qū)的正電荷空穴，從而恢復(fù)被耗盡的N+型特性，因此導(dǎo)電溝道形成，垂直N+區(qū)摻雜濃度高，具有較低的電阻率，因此導(dǎo)通電阻低。

比較平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，可以發(fā)現(xiàn)，超結(jié)型結(jié)構(gòu)實(shí)際是綜合了平面型和溝槽型結(jié)構(gòu)兩者的特點(diǎn)，是在平面型結(jié)構(gòu)中開一個(gè)低阻抗電流通路的溝槽，因此具有平面型結(jié)構(gòu)的高耐壓和溝槽型結(jié)構(gòu)低電阻的特性。

內(nèi)建橫向電場的高壓超結(jié)型結(jié)構(gòu)與平面型結(jié)構(gòu)相比較，同樣面積的硅片可以設(shè)計(jì)更低的導(dǎo)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(chǎn)工藝比較復(fù)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(nèi)性能的一致性。

三、超結(jié)MOSFET的工作原理

1、關(guān)斷狀態(tài)

從下圖中可以看到，垂直導(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，也就是G極的電壓為0時(shí)，橫向形成兩個(gè)反向偏置的PN結(jié)：P和垂直導(dǎo)電N+、P+和外延epi層N-。

柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，左邊P和中間垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置，右邊P和中間垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)耗盡層增大，并建立橫向水平電場。

當(dāng)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(dāng)于本征半導(dǎo)體，中間的橫向電場極高，只有外部電壓大于內(nèi)部的橫向電場，才能將此區(qū)域擊穿，所以，這個(gè)區(qū)域的耐壓極高，遠(yuǎn)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(jié)也是反向偏置形，有利于產(chǎn)生更寬的耗盡層，增加垂直電場。

2、開通狀態(tài)

當(dāng)G極加上驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在G極的表面將積累正電荷，同時(shí)，吸引P區(qū)的電子到表面，將P區(qū)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(qiáng)，進(jìn)一步吸引P區(qū)電子到表面，這樣，在G極下面的P型的溝道區(qū)中，積累負(fù)電荷，形成N型的反型層，同時(shí)，由于更多負(fù)電荷在P型表面積累，一些負(fù)電荷將擴(kuò)散進(jìn)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(jìn)一步提高，P區(qū)更寬范圍形成N型的反型層，最后，N+區(qū)域回到原來的高滲雜的狀態(tài)，這樣，就形成的低導(dǎo)通電阻的電流路徑，如下圖所示。

四、傳統(tǒng)MOS管的瓶頸

下面，我就跟大家分享一下傳統(tǒng)MOS管的瓶頸：

五、超結(jié)MOSFET的缺點(diǎn)和改進(jìn)

當(dāng)然，超結(jié)理論在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中也并不是完美的，那具體有哪些缺點(diǎn)和可以改善的地方呢？

六、超結(jié)MOSFET的優(yōu)點(diǎn)

超結(jié)MOSFET與傳統(tǒng)的VDMOS相比，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、芯片體積小、發(fā)熱低的特點(diǎn)。一般來說，相同電流、電壓規(guī)格的超結(jié)MOSFET導(dǎo)通電阻僅為傳統(tǒng)VDMOS的一半左右，器件開通和關(guān)斷速度較傳統(tǒng)VDMOS下降30%以上。這些特點(diǎn)可以使超結(jié)MOSFET在替代傳統(tǒng)VDMOS時(shí)具有更好的溫升和效率表現(xiàn)，一般來說，使用超結(jié)MOSFET后，電源效率可以上升1～2百分點(diǎn)。同時(shí)超結(jié)MOSFET也完全可以與驅(qū)動(dòng)IC一起進(jìn)行集成封裝，大幅度降低產(chǎn)品體積。

超級結(jié)具有更小的結(jié)電容，對超級結(jié)器件而言，電阻的減小會(huì)帶來明顯的好處，例如在相同RDS(on)下的更低導(dǎo)通損耗或更小管芯。另外，芯片面積的減小會(huì)導(dǎo)致更低的結(jié)電容以及柵極和輸出電荷，這可減小動(dòng)態(tài)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(jié)電容為讓步條件來降低RDS(on)。在超級結(jié)技術(shù)情況下，讓步程度是最小的。電荷平衡機(jī)制可同時(shí)減小RDS(on)和器件結(jié)電容，使之成為一種雙贏解決方案。

七、超結(jié)MOSFET的主要作用

1、降低導(dǎo)通電阻

相較于傳統(tǒng)VDMOS，相同電流、電壓規(guī)格的超結(jié)MOSFET的導(dǎo)通電阻僅為傳統(tǒng)VDMOS的一半左右。這得益于其特殊的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得在相同的芯片面積下，超結(jié)MOS的內(nèi)阻更低。

2、提高開關(guān)速度

超結(jié)MOSFET的開通和關(guān)斷速度較傳統(tǒng)VDMOS快30%以上，這有助于降低動(dòng)態(tài)損耗，提高電源系統(tǒng)的效率。

3、減小芯片體積

由于超結(jié)MOS的內(nèi)阻低，可以在保證性能的同時(shí)減小芯片面積，從而有利于設(shè)計(jì)更小體積的電源電路，降低產(chǎn)品成本。

4、降低發(fā)熱

較低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)速度意味著更低的損耗，進(jìn)而減少了發(fā)熱量，這對于對溫度要求高的產(chǎn)品如充電頭等尤為重要。

5、提升效率

使用超結(jié)MOSFET后，電源效率可以上升1～2個(gè)百分點(diǎn)，這對于提高整體能源利用效率具有重要意義。

6、易于集成封裝

超結(jié)MOSFET可以與驅(qū)動(dòng)IC一起進(jìn)行集成封裝，進(jìn)一步降低產(chǎn)品體積和成本。

7、適用領(lǐng)域廣泛

超結(jié)MOSFET以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于電源、電機(jī)

寫在最后面的話

超結(jié)MOS作為一種創(chuàng)新的半導(dǎo)體器件技術(shù)，通過其獨(dú)特的超結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)速度、減小芯片體積、降低發(fā)熱和提升效率等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。這些特點(diǎn)使得超結(jié)MOS在高壓、高頻、高效率的電力電子應(yīng)用中具有廣闊的前景。

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審核編輯 黃宇