一篇文章读懂超级结MOSFET的优势

平面式高压MOSFET的结构

图1显示了一种传统平面式高压MOSFET的简单结构。平面式MOSFET通常具有高单位芯片面积漏源导通电阻，并伴随相对更高的漏源电阻。使用高单元密度和大管芯尺寸可实现较低的RDS(on)值。但大单元密度和管芯尺寸还伴随高栅极和输出电荷，这会增加开关损耗和成本。另外还存在对于总硅片电阻能够达到多低的限制。器件的总RDS(on)可表示为通道、epi和衬底三个分量之和：

RDS(on) = Rch + Repi + Rsub

图1：传统平面式MOSFET结构

图2显示平面式MOSFET情况下构成RDS(on) 的各个分量。对于低压MOSFET，三个分量是相似的。但随着额定电压增加，外延层需要更厚和更轻掺杂，以阻断高压。额定电压每增加一倍，维持相同的RDS(on)所需的面积就增加为原来的五倍以上。对于额定电压为600V的MOSFET，超过95%的电阻来自外延层。显然，要想显著减小RDS(on)的值，就需要找到一种对漂移区进行重掺杂的方法，并大幅减小epi电阻。

图2：平面式MOSFET的电阻性元件

通常，高压的功率MOSFET采用平面型结构，其中，厚的低掺杂的N-的外延层，即epi层，用来保证具有足够的击穿电压，低掺杂的N-的epi层的尺寸越厚，耐压的额定值越大，但是其导通电阻也急剧的增大。导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长，这样，就降低的电流的额定值。为了得到一定的导通电阻值，就必须增大硅片的面积，成本随之增加。如果类似于IGBT引入少数载流子导电，可以降低导通压降，但是少数载流子的引入会降低工作的开关频率，并产生关断的电流拖尾，从而增加开关损耗。

超级结MOSFET的结构

高压的功率MOSFET的外延层对总的导通电阻起主导作用，要想保证高压的功率MOSFET具有足够的击穿电压，同时，降低导通电阻，最直观的方法就是：在器件关断时，让低掺杂的外延层保证要求的耐压等级，同时，在器件导通时，形成一个高掺杂N+区，作为功率MOSFET导通时的电流通路，也就是将反向阻断电压与导通电阻功能分开，分别设计在不同的区域，就可以实现上述的要求。

基于超结SuperJunction的内建横向电场的高压功率MOSFET就是基本这种想法设计出的一种新型器件。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图3所示。英飞凌最先将这种结构生产出来，并为这种结构的MOSFET设计了一种商标CoolMOS，这种结构从学术上来说，通常称为超结型功率MOSFET。

图3：内建横向电场的SuperJunction结构

垂直导电N+区夹在两边的P区中间，当MOS关断时，形成两个反向偏置的PN结：P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道，P和垂直导电N+形成PN结反向偏置，PN结耗尽层增大，并建立横向水平电场；同时，P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形，产生宽的耗尽层，并建立垂直电场。由于垂直导电N+区掺杂浓度高于外延区N-的掺杂浓度，而且垂直导电N+区两边都产生横向水平电场，这样垂直导电的N+区整个区域基本上全部都变成耗尽层，即由N+变为N-，这样的耗尽层具有非常高的纵向的阻断电压，因此，器件的耐压就取决于高掺杂P+区与低掺杂外延层N-区的耐压。

当MOS导通时，栅极和源极的电场将栅极下的P区反型，在栅极下面的P区产生N型导电沟道，同时，源极区的电子通过导电沟道进入垂直的N+区，中和N+区的正电荷空穴，从而恢复被耗尽的N+型特性，因此导电沟道形成，垂直N+区掺杂浓度高，具有较低的电阻率，因此导通电阻低。

比较平面结构和沟槽结构的功率MOSFET，可以发现，超结型结构实际是综合了平面型和沟槽型结构两者的特点，是在平面型结构中开一个低阻抗电流通路的沟槽，因此具有平面型结构的高耐压和沟槽型结构低电阻的特性。

内建横向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较，同样面积的硅片可以设计更低的导通电阻，因此具有更大的额定电流值和雪崩能量。由于要开出N+沟槽，它的生产工艺比较复杂，目前N+沟槽主要有两种方法直接制作：通过一层一层的外延生长得到N+沟槽和直接开沟槽。前者工艺相对的容易控制，但工艺的程序多，成本高；后者成本低，但不容易保证沟槽内性能的一致性。

超结型结构的工作原理

1、关断状态

从图4中可以看到，垂直导电N+区夹在两边的P区中间，当MOS关断时，也就是G极的电压为0时，横向形成两个反向偏置的PN结：P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道，左边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置，右边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置，PN结耗尽层增大，并建立横向水平电场。

当中间的N+的渗杂浓度和宽度控制得合适，就可以将中间的N+完全耗尽，如图4(b)所示，这样在中间的N+就没有自由电荷，相当于本征半导体，中间的横向电场极高，只有外部电压大于内部的横向电场，才能将此区域击穿，所以，这个区域的耐压极高，远大于外延层的耐压，功率MOSFET管的耐压主要由外延层来决定。

图4：横向电场及耗尽层

注意到，P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形，有利于产生更宽的耗尽层，增加垂直电场。

2、开通状态

当G极加上驱动电压时，在G极的表面将积累正电荷，同时，吸引P区的电子到表面，将P区表面空穴中和，在栅极下面形成耗尽层，如图5示。随着G极的电压提高，栅极表面正电荷增强，进一步吸引P区电子到表面，这样，在G极下面的P型的沟道区中，积累负电荷，形成N型的反型层，同时，由于更多负电荷在P型表面积累，一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽的垂直的 N+，横向的耗尽层越来越减小，横向的电场也越来越小。G极的电压进一步提高，P区更宽范围形成N型的反型层，最后，N+区域回到原来的高渗杂的状态，这样，就形成的低导通电阻的电流路径，如图5(c)所示。

图5：超结型导通过程

另外还有一种介于平面和超结型结构中间的类型，是AOS开发的一种专利结构，虽然电流密度低于超结型，但抗大电流冲击能力非常优异。

图6：介于平面和超结型结构中间的类型

超级结结构是高压MOSFET技术的重大发展并具有显著优点，其RDS(on)、栅极容值和输出电荷以及管芯尺寸同时得到降低。为充分利用这些快速和高效器件，设计工程师需要非常注意其系统设计，特别是减小PCB寄生效应。超结MOS管产品主要有以下几种应用：1）电脑、服务器的电源——更低的功率损耗；2）适配器（笔记本电脑，打印机等）——更轻、更便捷；3）照明（HID灯，工业照明，道路照明等）——更高的功率转换效率；4）消费类电子产品（液晶电视，等离子电视等）——更轻、更薄、更高能效。