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隨著電子技術(shù)在工業(yè)、交通、消費、醫(yī)療等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，當代社會對電力電子設(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，全稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一種非常重要的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。它的基本作用是作為一個開關(guān)，控制電流的流動。

MOSFET有不同的類型，包括平面、溝槽等。還有超結(jié)、SGT、DMOS，Si-MOSFET 根據(jù)制造工藝可分為平面柵極MOSFET和超結(jié) MOSFET，之前介紹的MOSFET主要是平面工藝。

傳統(tǒng)的平面MOSFET有一些固有的缺點，尤其是在高電壓應(yīng)用中。這些缺點主要體現(xiàn)在其導(dǎo)通電阻（R）和擊穿電壓（BV）的權(quán)衡關(guān)系上。簡單來說，平面MOSFET在高電壓下需要更厚的漂移區(qū)來承受高電壓，但這也會導(dǎo)致更高的導(dǎo)通電阻，從而增加功率損耗。

平面結(jié)構(gòu)晶體管的缺點是如果提高額定電壓，漂移層會變厚，因此導(dǎo)通電阻會增加。MOSFET的額定電壓取決于垂直方向的漂移區(qū)的寬度和摻雜參數(shù)。為了提高額定電壓等級，通常增加漂移區(qū)的寬度同時降低摻雜的濃度，但會造成MOSFET的導(dǎo)通電阻大幅增加。同時，也是為了克服平面MOSFET的局限性，超結(jié)MOSFET應(yīng)運而生。超結(jié)MOSFET利用了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著降低了導(dǎo)通電阻，同時維持了高擊穿電壓。那么，今天要重點討論超結(jié)MOSFET（super junction mosfet）。

一、超結(jié)MOS的定義

超結(jié)MOS（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱SJ-MOS）是電力電子領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一類功率器件，其主要特征是在傳統(tǒng)MOSFET基礎(chǔ)上引入了超結(jié)結(jié)構(gòu)，使其在高電壓、大電流條件下具備更優(yōu)越的性能。超結(jié)MOS器件相較于傳統(tǒng)的MOSFET有著更低的導(dǎo)通電阻和更高的耐壓性能，廣泛應(yīng)用于高效能電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，如開關(guān)電源、逆變器、電動汽車、光伏發(fā)電等。

而超結(jié)MOS也是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端排列多個垂直pn結(jié)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是在保持高電壓的同時實現(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(zhì)濃度增加約5倍，從而可以降低RDS(ON)。

1、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)計為具有較低電阻的 N 層，從而實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻產(chǎn)品。

2、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。內(nèi)部二極管的反向電流irr和反向恢復(fù)時間trr會影響晶體管關(guān)斷開關(guān)特性。

二、超結(jié)MOS的結(jié)構(gòu)

超結(jié)MOSFET的核心創(chuàng)新在于其“超結(jié)”結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)通過在垂直方向上交替排列的P型和N型區(qū)域來實現(xiàn)。每個P型區(qū)域和其旁邊的N型區(qū)域共同構(gòu)成一個“超結(jié)單元”，這些單元在整個器件中交替排列。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流可以通過較低的電阻路徑流動，同時在關(guān)斷狀態(tài)下仍然能夠承受高電壓。

1、垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計

與傳統(tǒng)的平面MOSFET不同，超結(jié)MOSFET采用垂直結(jié)構(gòu)，這意味著電流在器件中是垂直流動的。這種設(shè)計能夠有效利用芯片的厚度來優(yōu)化電流的流動路徑，從而降低導(dǎo)通電阻。

2、交替P型和N型區(qū)域

這些交替的區(qū)域在器件導(dǎo)通時形成了一個高效的電流通道，而在關(guān)斷時則能夠分擔電場，使得器件能夠承受更高的電壓。

讓我們也順便來看一下常規(guī)的平面MOS制造工藝，如下：

再來比較一下超級結(jié)MOS的工藝，更加復(fù)雜，最主要的不同在于溝槽的填充制造：

三、超結(jié)MOS的核心特點

1、低導(dǎo)通電阻

通過在縱向結(jié)構(gòu)中引入多個P型和N型層的超結(jié)設(shè)計，極大地降低了功率器件的導(dǎo)通電阻，在高電壓應(yīng)用中尤為顯著。

2、高耐壓性

傳統(tǒng)MOSFET在提高耐壓的同時會增加導(dǎo)通電阻，而超結(jié)結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化電場分布，使其在保持高耐壓的同時仍能保持較低的導(dǎo)通電阻。

3、高效率

超結(jié)MOS具有較快的開關(guān)速度和低損耗特性，適用于高頻率、高效率的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

4、較低的功耗

由于導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗的降低，超結(jié)MOS在工作時的能量損耗也顯著減少，有助于提高系統(tǒng)的整體能效。

四、超結(jié)MOS的工藝原理

在傳統(tǒng)的高壓MOSFET中，導(dǎo)通電阻隨著器件耐壓的增加呈現(xiàn)出立方關(guān)系增長，這意味著在高壓下，器件的導(dǎo)通電阻非常高，影響效率。而超結(jié)MOS通過在漂移區(qū)內(nèi)構(gòu)建縱向的P型和N型層，使得電場在縱向方向上得到優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)可以在保持高耐壓的同時，大幅降低導(dǎo)通電阻。

具體的工藝流程可分為以下幾個步驟：

1、摻雜與離子注入

在超結(jié)MOS的漂移區(qū)，最重要的部分是形成交替的P型和N型摻雜區(qū)。這個過程需要精準的摻雜控制：

（1）離子注入

通過離子注入工藝，分別在器件的漂移區(qū)進行P型和N型雜質(zhì)的注入。離子注入的深度和濃度需要非常精確的控制，確保后續(xù)的超結(jié)結(jié)構(gòu)能夠均勻分布。

（2）多次摻雜與注入

通常需要多次重復(fù)摻雜和注入過程，以在漂移區(qū)形成多個交替的P型和N型區(qū)域。

2、外延生長

外延工藝在超結(jié)MOS的制造過程中是非常關(guān)鍵的步驟，它決定了P型和N型層的精度和厚度控制：

（1）外延生長

通過外延生長技術(shù)，在晶圓表面依次生長交替的P型和N型層，以構(gòu)建多層的超結(jié)結(jié)構(gòu)。外延工藝的精準控制可以確保每層的厚度和摻雜濃度滿足設(shè)計要求，以優(yōu)化電場分布和降低導(dǎo)通電阻。

（2）重復(fù)生長過程

外延生長過程需要多次進行，以形成所需的多層超結(jié)結(jié)構(gòu)。這些層之間的精確匹配是實現(xiàn)理想電場分布的關(guān)鍵。

3、熱處理與擴散

在摻雜和外延生長之后，通常需要進行熱處理工藝：

（1）熱退火

通過熱退火工藝激活摻雜原子，使其在硅晶格中占據(jù)正確的晶格位置，提升器件的電性能。

（2）擴散工藝

熱處理還會引發(fā)擴散過程，進一步均勻分布摻雜物，確保P型和N型層的完整性和穩(wěn)定性。

4、氧化層與柵極形成

與傳統(tǒng)的MOSFET類似，超結(jié)MOS也需要形成柵極、源極和漏極的結(jié)構(gòu)：

（1）熱氧化工藝

在表面生長一層薄的氧化硅層，作為柵極的絕緣層。

（2）多晶硅柵極沉積

使用多晶硅材料沉積柵極，接著進行圖形化處理和刻蝕，形成精確的柵極區(qū)域。

5、金屬化與接觸

在形成柵極、源極和漏極之后，需要進行金屬化處理以形成電氣接觸：

（1）金屬沉積

使用物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，在器件的源極、漏極和柵極上沉積金屬層。

（2）金屬刻蝕與圖形化

金屬層沉積完成后，通過光刻和刻蝕工藝進行圖形化，形成各個電極的接觸點。

6、鈍化與封裝

最后一步是對器件進行鈍化和封裝，確保其在實際使用中的可靠性和耐久性：

（1）表面鈍化

在器件表面進行鈍化處理，防止外界環(huán)境中的污染物或水分侵蝕芯片，提高器件的長期穩(wěn)定性。

（2）封裝

超結(jié)MOS器件封裝的要求通常較高，因為它們需要在高功率、高溫環(huán)境下工作。通常使用陶瓷或塑料封裝以保護芯片。

五、超結(jié)MOSFET的優(yōu)勢

1、導(dǎo)通電阻大幅降低

超結(jié)結(jié)構(gòu)顯著降低了高電壓應(yīng)用中的導(dǎo)通電阻，減少了功率損耗，提高了能效。

2、耐壓性能優(yōu)異

通過優(yōu)化電場分布，超結(jié)MOS在提高耐壓的同時避免了導(dǎo)通電阻的急劇增加，使其在高電壓應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

3、高頻開關(guān)性能優(yōu)越

得益于超結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，超結(jié)MOS具備出色的開關(guān)速度，適用于高頻開關(guān)電源和逆變器等應(yīng)用。

4、工藝成熟，生產(chǎn)成本逐步降低

隨著工藝的不斷成熟和批量生產(chǎn)能力的提升，超結(jié)MOS的生產(chǎn)成本逐步降低，推動了其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

超結(jié)MOS的工藝雖然復(fù)雜，但其顯著的性能提升使其在電力電子領(lǐng)域成為不可或缺的器件，特別是在需要高效率、高功率密度和低能耗的應(yīng)用場景中。

六、超結(jié)MOSFET的應(yīng)用

超結(jié)MOSFET在多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在以下幾個方面：

1、開關(guān)電源

超結(jié)MOSFET的低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓使其非常適合用于開關(guān)電源中，能夠提高轉(zhuǎn)換效率，減少能量損失。

2、電動汽車（EV）

超結(jié)MOSFET被廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和電池管理系統(tǒng)中。它們的高效能和優(yōu)異的熱性能能夠提升整車的性能和可靠性。

3、光伏逆變器

光伏逆變器需要處理高電壓和大電流，超結(jié)MOSFET的性能優(yōu)勢使其成為這些系統(tǒng)中的理想選擇，能夠提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少熱量損耗。

4、工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，超結(jié)MOSFET被用于各種電機驅(qū)動和電源管理應(yīng)用中。它們的高效能和高可靠性能夠確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。

七、超結(jié)MOSFET的發(fā)展方向

1、更高的集成度

通過更高的集成度，可以在更小的芯片面積上實現(xiàn)更高的性能，從而進一步降低成本和提高效率。

2、更優(yōu)的材料

新材料的研究和應(yīng)用會帶來超結(jié)MOSFET性能的進一步提升。例如，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型半導(dǎo)體材料可能會在未來得到廣泛應(yīng)用。

3、更智能的控制技術(shù)

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，超結(jié)MOSFET可能會在電路設(shè)計中實現(xiàn)更高效、更智能的應(yīng)用，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

寫在最后面的話

Si-MOSFET 在導(dǎo)通電阻和額定電壓方面落后于 IGBT 和 SiC-MOSFET，但非常適合在中低功率水平下的高速運行。超級結(jié)MOS管具有高耐壓、低電阻優(yōu)點，對于相同的擊穿電壓和芯片尺寸，超級結(jié)MOS管的導(dǎo)通電阻遠小于普通高壓VDMOS，所以常用于高能效和高功率密度的快速開關(guān)應(yīng)用中。

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審核編輯 黃宇