引言
随着电子器件的不断发展，特别是在功率电子领域，对高效、低损耗和高性能器件的需求日益增加。超级结金属氧化物半导体场效应晶体管（Super Junction MOSFET，简称 SJ-MOSFET）作为一种新型的功率器件，因其优越的电气性能和热性能而受到广泛关注。本文将探讨超级结 MOS 的工作原理、结构特点、优势以及应用领域。
1. 工作原理
超级结 MOS 的工作原理与传统的 MOSFET 相似，但在结构上进行了创新。SJ-MOSFET 通过在 N 型和 P 型区域之间形成多层结结构，从而显著提高了器件的击穿电压和导通电流。
在 SJ-MOSFET 中，交替排列的 N 型和 P 型区域形成了一个“超级结”，这种结构能够有效地控制载流子浓度分布，减少了器件的导通电阻（RDSon），同时由于其独特的电场分布，显著提升了击穿电压。电流主要在高掺杂区域内流动，降低了电场强度，增强了器件的耐压性能。
1.1 基本概念
SJ-MOSFET 的基本工作原理与传统的 MOSFET 相似，都是通过电场来控制源极与漏极之间的电流。不同之处在于 SJ-MOSFET 采用了超级结结构，这种结构使得器件在高电压和高功率应用中具备更高的性能。
VDMOS 基本结构（左） SJMOS 基本结构（右）
图 1：MOSFET 基本结构对比示意图
如图 1 所示，SJ-MOSFET 由交替的 N 型和 P 型区域构成，从而可以通过提高漂移区的掺杂浓度，大大降低导通电阻，同时不改变器件的击穿电压。在器件的工作过程中，栅极电压的变化会影响通道中的电子和空穴的分布，从而实现对电流的调控。
1.2 超级结结构
SJ-MOSFET 的核心在于其多结结构，这种结构不仅提高了器件的击穿电压，还有效降低了导通电阻。超级结的形成可以理解为多个 PN 结的结合，这种设计使得电场在器件内部更加均匀分布，减少了电场集中可能导致的击穿现象。
图 2：超级结结构示意图
如图 2 所示，由于设置了相对 P 阱浓度低一些的 P-pillar 区域，所以 P-pillar 一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入外延层中，造成了 PN 结两侧都能承受大的电压，把峰值电场 Ec 由靠近器件表面向器件内部深入的区域移动，形成的耐压面积为矩形，电压增加。所以 SJ-MOSFET 可以采用相对较高浓度的漂移区情况下，实现高的击穿电压和低的导通电阻。
2. 结构特点
2.1 主要结构组成
SJ-MOSFET 的主要结构组成包括：
图 3：Infineon P7 SJ-MOSFET 结构示意图
2.2 电气特性
SJ-MOSFET 的电气特性与其结构密切相关，主要包括：
导通电阻：SJ-MOSFET 的导通电阻显著低于传统 MOSFET，打破硅极限（RDS(on) ∝ BV）。
击穿电压：SJ-MOSFET 的耐压水平通常在 500 V 至 1200 V，其中 650 V 及 800 V 比较常用。
开关速度：SJ-MOSFET 在高频开关应用中表现良好，能够快速响应栅极信号。
3. 制造工艺
3.1 制造流程
SJ-MOSFET 的制造工艺复杂，分为 Multi-EPI 和 Deep-Trench 两大类，我们在次以前者为例解析，Multi-EPI 主要包括以下几个步骤：
衬底准备：选择适合的衬底材料，进行清洗和准备。
外延生长：通过离子注入或扩散工艺，形成 N 型和 P 型区域。
光刻：使用光刻技术在衬底上定义超级结的几何形状。
刻蚀：通过干法刻蚀或湿法刻蚀去除不必要的材料，形成所需的结构。
金属化：在源极、漏极和栅极上沉积金属材料，形成电极。
4. 应用领域
SJ-MOSFET 广泛应用于多个领域，包括但不限于：
电源管理：用于开关电源、DC-DC 转换器等电源管理系统中，提升效率和降低能耗。
电动汽车：在电动汽车的驱动系统和充电桩中，SJ-MOSFET 能有效提高功率转换效率。
可再生能源：用于光伏逆变器和风能转换系统，提升能源转换效率。
消费电子：在高效电源适配器和 LED 驱动电路中，SJ-MOSFET 能够显著降低能耗，提高设备性能。
结论
超级结 MOSFET 凭借其独特的结构设计和优越的性能特征，正成为现代功率电子器件中不可或缺的一部分。随着技术的不断进步和应用领域的扩展，SJ-MOSFET 将在未来的电子产品中发挥更加重要的作用。对于设计工程师而言，充分理解 SJ-MOSFET 的特性和优势，将有助于实现更高效能和更低能耗的电源解决方案。
