超结理论应用：平面VDMOS结构与超结MOSFET技术介绍

超结VDMOS是一种发展迅速、应用广泛的新型功率半导体器件。

它在常规纵向双扩散金属氧化物半导体（VDMOS）基础上，引入超结（Superjunction）结构，使之既具有VDMOS输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、电压控制、热稳定性好、驱动电路简单的特性，又克服了VDMOS的导通电阻随击穿电压急剧增大的缺点，提升了系统效率。

目前超结VDMOS已广泛应用于电脑、手机、照明等消费电子领域、服务器电源、通讯电源等工业电子领域、以及充电桩、车载充电机等汽车电子领域。

一、超结理论

功率器件要得到较高的击穿电压，就必须使用较厚的外延层漂移区与较低的掺杂浓度，常规VDMOS的特征导通电阻与击穿电压关系如下式所示[1]：

因而特征导通电阻会随着击穿电压的增大而急剧增大，对于常规结构功率器件的导通电阻受此“硅限”的约束而无法进一步降低。在传统的VDMOS结构中，阻断状态时漏端加高电压，Pdody和N型外延层形成的PN结承受了这一电压。如下图左所示外延层的电场近似呈三角形分布，峰值电场出现在上述PN结处，减小漂移区的掺杂浓度和增大外延层厚度，可以增大击穿电压，但特征导通电阻与击穿电压成2.5次方关系增加。

图:平面VDMOS结构与超结MOSFET电场分布图

为了减小功率器件漂移区的导通电阻，1988年飞利浦公司的工程师David J. Coe申请的美国专利[2]，首次在横向高压MOSFET中提出采用交替的PN结结构代替传统功率器件中低掺杂漂移层作为耐压层的方法。 1993年，电子科技大学的陈星弼教授提出了在纵向功率器件[3]中用多个PN结结构作为漂移层的思想，并把这种结构称之为“复合缓冲层”（Composite Buffer Layer）。 1995年，西门子公司的J. Tihanyi申请的美国专利[4]，提出了类似的思路和应用。 1997年日本的学者Tatsuhiko等人对上述概念进行总结，提出了“超结”（Superjunction）理论[5]。

在超结VDMOS中，耐压层由交替的高掺杂N柱和P柱构成，且N柱和P柱中的掺杂总量相等。在导通状态下，电流从源区经N柱流到漏区，P柱中不存在导电通道，而在阻断状态下，超结VDMOS的漂移区通过P柱的辅助耗尽作用在较低漏电压下就完全耗尽，由于完全耗尽，P柱与N柱的等量异种电荷相互抵消而实现电荷平衡，如上图右所示电场在外延层漂移区中近似于处处相等，因而击穿电压约等于临界电场与漂移区长度的乘积，这使得超结VDMOS的特征导通电阻与其击穿电压近似呈线性关系，而不是传统器件的2.5方关系，进而可以减小特征导通电阻[6]。  

对于超结VDMOS的比导通电阻与击穿电压的关系，可由下式表示[7]：

其中，g为与元胞形状有关的常数，取值范围1~2.5；BVDSS为击穿电压，单位V；b为单位元胞宽度，单位μm；RDS(on,sp)的单位是mΩ.cm2。

图:超结MOSFET突破常规VDMOS硅限

二、超结理论的应用

1998年Infineon公司首次将超结器件商业化，推出了超结VDMOS即“CoolMOSTM”，其P柱是采用多次外延和多次离子注入的方式实现的，CoolMOS显著地降低了导通电阻。目前超结结构主要有两种工艺实现方式：多次外延及深槽刻蚀加外延填充。 （一）多次外延工艺 该工艺是在N+衬底上采用多次外延方式生长很厚的外延层漂移区，每一次外延工艺均伴随一次P型离子注入，随后推结形成连续的P柱。制作一个约40μm深的的外延层漂移区，一般需要进行5到6次外延生长和离子注入。 多次外延与深槽外延方式相比工艺难度较低，但制作超结结构需要多次外延、多次光刻、多次离子注入及推结过程，大大增加了工艺复杂度和制造成本。

图:多次外延工艺超结VDMOS 采用多次外延工艺的公司有Infineon、ST、Fairchild。

（二）深槽刻蚀加外延填充

该工艺是在N外延层上刻蚀出深沟槽，然后在深沟槽中进行P型外延生长，制作一个约40μm深的P柱，只需进行一次深槽刻蚀及一次深槽外延生长，较多次外延工艺大大简化了工艺步骤，进而降低了生产成本。

图:深槽外延工艺超结VDMOS

采用深槽外延工艺方式的公司有上海华虹、Fairchild、Fuji Electric、Toshiba。 三、龙腾超结MOS主推产品列表

编辑：黄飞