功率半导体“超结MOS”基础知识的详解；

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随着电子技术在工业、交通、消费、医疗等领域的蓬勃发展，当代社会对电力电子设备的要求也越来越高，功率半导体就是影响这些电力电子设备成本和效率的直接因素之一。自从二十世纪五十年代真空管被固态器件代替以来，以硅(Si)材料为主的功率半导体器件就一直扮演着重要的角色，功率MOSFET是其中最典型的代表。

MOSFET，全称金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种非常重要的电子元件，广泛应用于各种电子电路中。它的基本作用是作为一个开关，控制电流的流动。

MOSFET有不同的类型，包括平面、沟槽等。还有超结、SGT、DMOS，Si-MOSFET 根据制造工艺可分为平面栅极MOSFET和超结 MOSFET，之前介绍的MOSFET主要是平面工艺。

传统的平面MOSFET有一些固有的缺点，尤其是在高电压应用中。这些缺点主要体现在其导通电阻（R）和击穿电压（BV）的权衡关系上。简单来说，平面MOSFET在高电压下需要更厚的漂移区来承受高电压，但这也会导致更高的导通电阻，从而增加功率损耗。

平面结构晶体管的缺点是如果提高额定电压，漂移层会变厚，因此导通电阻会增加。MOSFET的额定电压取决于垂直方向的漂移区的宽度和掺杂参数。为了提高额定电压等级，通常增加漂移区的宽度同时降低掺杂的浓度，但会造成MOSFET的导通电阻大幅增加。同时，也是为了克服平面MOSFET的局限性，超结MOSFET应运而生。超结MOSFET利用了一种创新的结构设计，显著降低了导通电阻，同时维持了高击穿电压。那么，今天要重点讨论超结MOSFET（super junction mosfet）。

一、超结MOS的定义

超结MOS（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor，简称SJ-MOS）是电力电子领域中广泛应用的一类功率器件，其主要特征是在传统MOSFET基础上引入了超结结构，使其在高电压、大电流条件下具备更优越的性能。超结MOS器件相较于传统的MOSFET有着更低的导通电阻和更高的耐压性能，广泛应用于高效能电力转换领域，如开关电源、逆变器、电动汽车、光伏发电等。

而超结MOS也是为了解决额定电压提高而导通电阻增加的问题，超结结构MOSFET在D端和S端排列多个垂直pn结的结构，其结果是在保持高电压的同时实现了低导通电阻。超级结的存在大大突破了硅的理论极限，而且额定电压越高，导通电阻的下降越明显。以下图为例，超结在S端和D端增加了长长的柱子，形成垂直的PN结，交替排列。N层和P层在漂移层中设置垂直沟槽，当施加电压时耗尽层水平扩展，很快合并形成与沟槽深度相等的耗尽层。耗尽层仅扩展至沟槽间距的一半，因此形成厚度等于沟槽深度的耗尽层。耗尽层的膨胀小且良好，允许漂移层杂质浓度增加约5倍，从而可以降低RDS(ON)。

1、超级结的性能提升方法

使沟槽和沟槽间距尽可能小和深。SJ-MOS 可以设计为具有较低电阻的 N 层，从而实现低导通电阻产品。

2、超级结存在的问题

本质上超级结MOSFET比平面MOSFET具有更大的pn结面积，因此trr比平面MOSFET快，但更大的irr流动。内部二极管的反向电流irr和反向恢复时间trr会影响晶体管关断开关特性。

二、超结MOS的结构

超结MOSFET的核心创新在于其“超结”结构。这个结构通过在垂直方向上交替排列的P型和N型区域来实现。每个P型区域和其旁边的N型区域共同构成一个“超结单元”，这些单元在整个器件中交替排列。这种结构设计使得在导通状态下，电流可以通过较低的电阻路径流动，同时在关断状态下仍然能够承受高电压。

1、垂直结构设计

与传统的平面MOSFET不同，超结MOSFET采用垂直结构，这意味着电流在器件中是垂直流动的。这种设计能够有效利用芯片的厚度来优化电流的流动路径，从而降低导通电阻。

2、交替P型和N型区域

这些交替的区域在器件导通时形成了一个高效的电流通道，而在关断时则能够分担电场，使得器件能够承受更高的电压。

让我们也顺便来看一下常规的平面MOS制造工艺，如下：

再来比较一下超级结MOS的工艺，更加复杂，最主要的不同在于沟槽的填充制造：

三、超结MOS的核心特点

1、低导通电阻

通过在纵向结构中引入多个P型和N型层的超结设计，极大地降低了功率器件的导通电阻，在高电压应用中尤为显著。

2、高耐压性

传统MOSFET在提高耐压的同时会增加导通电阻，而超结结构通过优化电场分布，使其在保持高耐压的同时仍能保持较低的导通电阻。

3、高效率

超结MOS具有较快的开关速度和低损耗特性，适用于高频率、高效率的电力转换应用。

4、较低的功耗

由于导通电阻和开关损耗的降低，超结MOS在工作时的能量损耗也显著减少，有助于提高系统的整体能效。

四、超结MOS的工艺原理

在传统的高压MOSFET中，导通电阻随着器件耐压的增加呈现出立方关系增长，这意味着在高压下，器件的导通电阻非常高，影响效率。而超结MOS通过在漂移区内构建纵向的P型和N型层，使得电场在纵向方向上得到优化。这种结构可以在保持高耐压的同时，大幅降低导通电阻。

具体的工艺流程可分为以下几个步骤：

1、掺杂与离子注入

在超结MOS的漂移区，最重要的部分是形成交替的P型和N型掺杂区。这个过程需要精准的掺杂控制：

（1）离子注入

通过离子注入工艺，分别在器件的漂移区进行P型和N型杂质的注入。离子注入的深度和浓度需要非常精确的控制，确保后续的超结结构能够均匀分布。

（2）多次掺杂与注入

通常需要多次重复掺杂和注入过程，以在漂移区形成多个交替的P型和N型区域。

2、外延生长

外延工艺在超结MOS的制造过程中是非常关键的步骤，它决定了P型和N型层的精度和厚度控制：

（1）外延生长

通过外延生长技术，在晶圆表面依次生长交替的P型和N型层，以构建多层的超结结构。外延工艺的精准控制可以确保每层的厚度和掺杂浓度满足设计要求，以优化电场分布和降低导通电阻。

（2）重复生长过程

外延生长过程需要多次进行，以形成所需的多层超结结构。这些层之间的精确匹配是实现理想电场分布的关键。

3、热处理与扩散

在掺杂和外延生长之后，通常需要进行热处理工艺：

（1）热退火

通过热退火工艺激活掺杂原子，使其在硅晶格中占据正确的晶格位置，提升器件的电性能。

（2）扩散工艺

热处理还会引发扩散过程，进一步均匀分布掺杂物，确保P型和N型层的完整性和稳定性。

4、氧化层与栅极形成

与传统的MOSFET类似，超结MOS也需要形成栅极、源极和漏极的结构：

（1）热氧化工艺

在表面生长一层薄的氧化硅层，作为栅极的绝缘层。

（2）多晶硅栅极沉积

使用多晶硅材料沉积栅极，接着进行图形化处理和刻蚀，形成精确的栅极区域。

5、金属化与接触

在形成栅极、源极和漏极之后，需要进行金属化处理以形成电气接触：

（1）金属沉积

使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）工艺，在器件的源极、漏极和栅极上沉积金属层。

（2）金属刻蚀与图形化

金属层沉积完成后，通过光刻和刻蚀工艺进行图形化，形成各个电极的接触点。

6、钝化与封装

最后一步是对器件进行钝化和封装，确保其在实际使用中的可靠性和耐久性：

（1）表面钝化

在器件表面进行钝化处理，防止外界环境中的污染物或水分侵蚀芯片，提高器件的长期稳定性。

（2）封装

超结MOS器件封装的要求通常较高，因为它们需要在高功率、高温环境下工作。通常使用陶瓷或塑料封装以保护芯片。

五、超结MOSFET的优势

1、导通电阻大幅降低

超结结构显著降低了高电压应用中的导通电阻，减少了功率损耗，提高了能效。

2、耐压性能优异

通过优化电场分布，超结MOS在提高耐压的同时避免了导通电阻的急剧增加，使其在高电压应用中更具优势。

3、高频开关性能优越

得益于超结结构的设计，超结MOS具备出色的开关速度，适用于高频开关电源和逆变器等应用。

4、工艺成熟，生产成本逐步降低

随着工艺的不断成熟和批量生产能力的提升，超结MOS的生产成本逐步降低，推动了其在更多领域的广泛应用。

超结MOS的工艺虽然复杂，但其显著的性能提升使其在电力电子领域成为不可或缺的器件，特别是在需要高效率、高功率密度和低能耗的应用场景中。

六、超结MOSFET的应用

超结MOSFET在多个领域中得到了广泛应用，尤其是在以下几个方面：

1、开关电源

超结MOSFET的低导通电阻和高击穿电压使其非常适合用于开关电源中，能够提高转换效率，减少能量损失。

2、电动汽车（EV）

超结MOSFET被广泛应用于电机驱动和电池管理系统中。它们的高效能和优异的热性能能够提升整车的性能和可靠性。

3、光伏逆变器

光伏逆变器需要处理高电压和大电流，超结MOSFET的性能优势使其成为这些系统中的理想选择，能够提高能量转换效率，减少热量损耗。

4、工业自动化

在工业自动化领域，超结MOSFET被用于各种电机驱动和电源管理应用中。它们的高效能和高可靠性能够确保设备的稳定运行。

七、超结MOSFET的发展方向

1、更高的集成度

通过更高的集成度，可以在更小的芯片面积上实现更高的性能，从而进一步降低成本和提高效率。

2、更优的材料

新材料的研究和应用会带来超结MOSFET性能的进一步提升。例如，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型半导体材料可能会在未来得到广泛应用。

3、更智能的控制技术

随着智能控制技术的发展，超结MOSFET可能会在电路设计中实现更高效、更智能的应用，提高系统的整体性能和可靠性。

写在最后面的话

Si-MOSFET 在导通电阻和额定电压方面落后于 IGBT 和 SiC-MOSFET，但非常适合在中低功率水平下的高速运行。超级结MOS管具有高耐压、低电阻优点，对于相同的击穿电压和芯片尺寸，超级结MOS管的导通电阻远小于普通高压VDMOS，所以常用于高能效和高功率密度的快速开关应用中。

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审核编辑 黄宇