文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

超結MOSFET（Super-Junction MOSFET，簡稱SJ-MOS）是一種在高壓功率半導體領域中突破傳統(tǒng)性能限制的關鍵器件。它通過在器件結構中引入交替分布的P型與N型柱區(qū)，實現(xiàn)了在高耐壓下仍保持低導通電阻的特性，顯著提升了功率轉(zhuǎn)換效率與功率密度。

傳統(tǒng)高壓MOSFET的瓶頸與超結的提出

在高壓（通常指600V以上）功率MOSFET中，導通電阻主要由低摻雜的漂移區(qū)貢獻。為了提高器件的擊穿電壓，傳統(tǒng)方法需要進一步降低漂移區(qū)摻雜濃度并增加其厚度，但這會導致導通電阻呈指數(shù)型上升。這種擊穿電壓與導通電阻之間的制約關系被稱為“硅極限”（Silicon limit），嚴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“復合緩沖層”理論，業(yè)界研發(fā)出了超結MOSFET。其核心思想是通過結構創(chuàng)新，在保持高耐壓的同時大幅降低導通電阻，從而突破硅材料的理論極限。

超結MOSFET的結構與工作原理

超結MOSFET的基本結構是在傳統(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立起的多個垂直PN結。

其工作原理的關鍵在于“電荷平衡”與“橫向耗盡”。當器件處于關斷狀態(tài)并承受反向電壓時，相鄰的P柱與N柱之間會發(fā)生橫向的相互耗盡。在理想電荷平衡狀態(tài)下，整個漂移區(qū)可被完全耗盡，形成一個近似本征半導體（i區(qū)）的層。此時，器件的耐壓機制轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃?a href="http://m.makelele.cn/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，電場分布更接近理想的矩形，從而能在更薄的區(qū)域內(nèi)實現(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)，因此超結結構中的N柱可以大幅提高摻雜濃度。當器件導通時，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通電阻。

主要制造工藝

實現(xiàn)超結結構對工藝制程要求極高，目前主流工藝有以下兩種：

多次外延及離子注入法：該方法通過多次外延生長硅層并交替進行離子注入，形成多層交替的P/N型薄層，再經(jīng)過高溫推進使雜質(zhì)縱向擴散連通，最終形成連續(xù)的P柱和N柱結構。該工藝成熟，設計靈活，每層劑量可調(diào)，所得器件可靠性高，動態(tài)特性好，但工藝步驟繁多，成本較高。

深溝槽刻蝕填充法：先在重摻雜襯底上生長低摻雜外延層，然后通過深反應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。該工藝步驟相對簡單，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，可能對器件長期可靠性和動態(tài)特性產(chǎn)生影響。

超結MOSFET的性能優(yōu)勢與應用

與傳統(tǒng)VDMOS相比，超結MOSFET在多項關鍵性能上取得顯著提升：

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

開關速度更快：超結結構的特性使其開關速度比傳統(tǒng)VDMOS快30%以上，有利于降低開關損耗。

芯片面積更小：由于比導通電阻低，實現(xiàn)相同額定電流所需的芯片面積更小，利于設備小型化。

工作效率與溫升改善：更低的導通損耗和開關損耗直接提升了電源系統(tǒng)的整體效率，通?？蓭?-2個百分點的效率提升，同時器件發(fā)熱大幅降低。

正因具備“高耐壓、低損耗、快開關、小體積”的核心優(yōu)勢，超結MOSFET成功解決了傳統(tǒng)VDMOS在中高壓領域（600V-1200V）的性能瓶頸，被廣泛應用于對效率和功率密度要求嚴苛的場合，如服務器電源、工業(yè)電源、新能源汽車、充電適配器等。

超結MOSFET通過巧妙的電荷平衡原理和獨特的縱向P/N柱結構，有效打破了高壓硅基功率器件的“硅極限”，實現(xiàn)了導通電阻與擊穿電壓關系的優(yōu)化。盡管其制造工藝復雜，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)換領域不可或缺的器件。隨著工藝技術的持續(xù)進步，超結MOSFET將繼續(xù)在推動電力電子設備向更高效率、更小體積、更優(yōu)性能方向發(fā)展過程中扮演關鍵角色。