超结MOSFET介绍

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。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。

根据经验，平面栅极MOFET的导通电阻与额定电压的2.5次方成正比，所以平面栅极MOFET会遇到极限，如下图所示。

硅的理论极限和超越硅极限的超级结

什么是超级结MOSFET(SJ-MOS)？英文名称叫SuperJunctionMOSFET。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)。

左边是平面MOS，右边是超结MOS

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。

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。

超级结中，trr比平面MOSFET快，irr电流更大

让我们来看一下常规的平面MOS制造工艺，如下：

常规MOS制造工艺

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：

超级结的沟槽填充外延制造方法

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。