傳統(tǒng)功率MOSFET與超級結(jié)MOSFET的區(qū)別

超級結(jié)又稱超結(jié)，是制造功率場效應(yīng)晶體管的一種技術(shù)，其名稱最早岀現(xiàn)于1993年。傳統(tǒng)高壓功率MOSFET的擊穿電壓主要由n型外延層和p型體區(qū)形成的pn結(jié)耗盡區(qū)的耐壓決定，又因p型體區(qū)摻雜濃度較高，耗盡區(qū)承壓主要在外延n-層。為了提高擊穿電壓，通常外延n-層濃度較低、厚度較大，然而摻雜濃度過低和厚度增加都將使功率MOS晶體管的導(dǎo)通電阻增加，這將導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換工作時的功率消耗增大，帶來極大的功耗浪費(fèi)。正因這種矛盾的存在，使得傳統(tǒng)高壓功率MOS管的導(dǎo)通電阻受擊穿電壓限制而存在一個極限值，業(yè)內(nèi)稱之為“硅限“（Silicon Limit）。為了突破這一極限，中國科學(xué)院陳星弼院士等在1988年至1995年期間分別提出了3種改善漂移層結(jié)構(gòu)的方法，構(gòu)成了超級結(jié)的基本思想，并申請了相應(yīng)的專利。基于這3個專利，1997年Takssuhiko等人對超級結(jié)思想進(jìn)行總結(jié)，提出了“超級結(jié)理論”的概念。超級結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)有很多種，圖中所示為典型傳統(tǒng)功率MOSFET與超級結(jié)MOSFET的比較。

從圖中可以看到，與傳統(tǒng)的功率MOSFET不同，超級結(jié)MOSFET 在垂直方向上存在深入外延n-層的p型區(qū)，這些p型區(qū)的摻雜濃度比原p型體區(qū)的摻雜濃度低，可以補(bǔ)償過量的電流導(dǎo)通電荷，并使pn結(jié)的耗盡區(qū)向p區(qū)一 側(cè)大大擴(kuò)展，起到了電壓支持層的作用，降低了擊穿電壓對n-外延層的要求。 在相同擊穿電壓條件下，超級結(jié)MOSFET的n-電壓支持層摻雜濃度可以大幅提高，導(dǎo)通電阻可以大大降低，突破了傳統(tǒng)功率MOSFET的硅限。與傳統(tǒng)的功率 MOSFET相比，超級結(jié)MOSFET具有傳導(dǎo)損耗低、電流驅(qū)動能力大、柵極電荷低、開啟電壓低、開關(guān)速度快、出色的非鉗位感性開關(guān)（Unclamped Inductive Switching， UIS）能力、百分之百的雪崩能量擊穿測試等優(yōu)點(diǎn)。但是超級結(jié)結(jié)構(gòu)本身也存在一些問題和缺陷：由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得制造工藝難度增大，成本增加；np復(fù)合結(jié)構(gòu)也使得器件的反向恢復(fù)特性變差等。

從工藝實(shí)現(xiàn)來看，超級結(jié)功率MOSFET工藝的主要特點(diǎn)是，需要在垂直方向形成多個并行的n型、p型復(fù)合注入?yún)^(qū)，其中n型區(qū)和p型區(qū)具有高深寬比、 高垂直傾角的特性（一般為85°~89.5°），這些要求使得超級結(jié)功率MOSFET的 工藝復(fù)雜性大大增加。目前，主流的超級結(jié)功率MOSFET工藝主要可以分為兩大類，一類是通過多次離子注入和外延，另一類是深槽刻蝕和填槽技術(shù)。在通 過離子注入實(shí)現(xiàn)的超級結(jié)結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上僅依靠離子注入往往無法保證超級結(jié)n型區(qū)和p型區(qū)的深度與高深寬比，通常需要多次離子注入與多次外延工藝的結(jié) 合。通過深槽工藝實(shí)現(xiàn)超級結(jié)功率MOSFET的流程是，首先在n+襯底上外延n- 層，然后刻蝕形成高深度、陡直的硅槽，再外延填充上p型硅，從而形成超級結(jié)結(jié)構(gòu)。

英飛凌公司是國際上較早實(shí)現(xiàn)超級結(jié)MOSFET量產(chǎn)的公司。上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司可在200mm晶片上提供超級結(jié)MOSFET代工服務(wù)，采用深 槽工藝，可以支持500-900V不同電壓等級產(chǎn)品的生產(chǎn)。