传统功率MOSFET与超级结MOSFET的区别

超级结又称超结，是制造功率场效应晶体管的一种技术，其名称最早岀现于1993年。传统高压功率MOSFET的击穿电压主要由n型外延层和p型体区形成的pn结耗尽区的耐压决定，又因p型体区掺杂浓度较高，耗尽区承压主要在外延n-层。为了提高击穿电压，通常外延n-层浓度较低、厚度较大，然而掺杂浓度过低和厚度增加都将使功率MOS晶体管的导通电阻增加，这将导致功率转换工作时的功率消耗增大，带来极大的功耗浪费。正因这种矛盾的存在，使得传统高压功率MOS管的导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限值，业内称之为“硅限“（Silicon Limit）。为了突破这一极限，中国科学院陈星弼院士等在1988年至1995年期间分别提出了3种改善漂移层结构的方法，构成了超级结的基本思想，并申请了相应的专利。基于这3个专利，1997年Takssuhiko等人对超级结思想进行总结，提出了“超级结理论”的概念。超级结MOSFET的结构有很多种，图中所示为典型传统功率MOSFET与超级结MOSFET的比较。

从图中可以看到，与传统的功率MOSFET不同，超级结MOSFET 在垂直方向上存在深入外延n-层的p型区，这些p型区的掺杂浓度比原p型体区的掺杂浓度低，可以补偿过量的电流导通电荷，并使pn结的耗尽区向p区一 侧大大扩展，起到了电压支持层的作用，降低了击穿电压对n-外延层的要求。 在相同击穿电压条件下，超级结MOSFET的n-电压支持层掺杂浓度可以大幅提高，导通电阻可以大大降低，突破了传统功率MOSFET的硅限。与传统的功率 MOSFET相比，超级结MOSFET具有传导损耗低、电流驱动能力大、栅极电荷低、开启电压低、开关速度快、出色的非钳位感性开关（Unclamped Inductive Switching， UIS）能力、百分之百的雪崩能量击穿测试等优点。但是超级结结构本身也存在一些问题和缺陷：由于其结构复杂，使得制造工艺难度增大，成本增加；np复合结构也使得器件的反向恢复特性变差等。

从工艺实现来看，超级结功率MOSFET工艺的主要特点是，需要在垂直方向形成多个并行的n型、p型复合注入区，其中n型区和p型区具有高深宽比、 高垂直倾角的特性（一般为85°~89.5°），这些要求使得超级结功率MOSFET的 工艺复杂性大大增加。目前，主流的超级结功率MOSFET工艺主要可以分为两大类，一类是通过多次离子注入和外延，另一类是深槽刻蚀和填槽技术。在通 过离子注入实现的超级结结构中，实际上仅依靠离子注入往往无法保证超级结n型区和p型区的深度与高深宽比，通常需要多次离子注入与多次外延工艺的结 合。通过深槽工艺实现超级结功率MOSFET的流程是，首先在n+衬底上外延n- 层，然后刻蚀形成高深度、陡直的硅槽，再外延填充上p型硅，从而形成超级结结构。

英飞凌公司是国际上较早实现超级结MOSFET量产的公司。上海华虹宏力半导体制造有限公司可在200mm晶片上提供超级结MOSFET代工服务，采用深 槽工艺，可以支持500-900V不同电压等级产品的生产。