超结MOSFET
1、基本结构及等效电路
将超结引入功率MOSFET， 不仅可以改善器件的截止特性， 而且有利于降低其导通电阻，从而缓和击穿电压与导通电阻之间的矛盾。SJMOS可看作是VDMOS和SJ的结合。 其中VDMOS部分可等效为MOSFET和JFET的串联。
图1 SJMOS基本元胞结构
采用超结作为功率MOSFET的耐压层，必须保证n柱区和p柱区之间的电荷平衡，否则SJMOS的耐压、导通电阻及开关特性都要受到影响。SJ制造工艺通常有两种方法：一是多次离子注入与外延工艺 相结合；二是刻蚀与外延工艺相结合。
图2 SJMOS的基本结构及等效电路
2、派生结构
2.1 半超结SJMOS结构
图3b所示的Semi-SJMOS结构，使耐压层由超结及其下方的n型辅助层两部分组成，于是在保证耐压的前提下，可以降低对柱区厚度的要求。故Semi-SJMOS是在器件性能和工艺难度之间的一种折中。
图3 工艺模拟的SJ剖面结构与Semi-SJMOS元胞结构
2.2 扩展深槽SJMOS结构
对常规沟槽栅SJMOS结构而言，在截止状态下，随UDS增加，多晶硅栅下的n柱区的表面会产生附加的正电荷，破坏n柱区和p柱区之间的电荷平衡，导致器件的击穿电压下降。 在扩展沟槽栅SJMOS结构中，多晶硅栅下的n柱区被氧化物填充的深槽代替，不存在上述现象。因此，扩展沟槽栅SJMOS击穿特性能够得以改善。
扩展沟槽栅SJMOS关键是n柱区的实现。为了精确控制n柱区的杂质剂量，可以利用小角度注入来实现。
图4 扩展沟槽栅与常规的沟槽删SJMOS结构比较
2.3 氧化层旁路MOSFET结构
图5 氧化层旁路的MOSFET结构
如图5a所示，氧化层旁路的VDMOS（Oxide - Bypassed VDMOS，OBVD MOS）结构是在VDMOS的n-漂移区通过刻蚀形成沟槽后，依次填充氧化层和重掺杂的多晶硅，并使之与源极金属电极相连而形成金属-厚氧化层（Metal-Thick-Oxide，MTO）电极。利用 MTO上电场来加速漂移区横向耗尽，相对于SJ精确的电荷平衡控制而言，氧化层厚度的控制更容易实现。还可以对氧化层旁路（OB）结构进行改进，将源极与多晶硅的控制极分离，形成可调的氧化层旁路（Tunable Oxide - Bypassed，TOB）VUMOS结构，如图5b所示。 通过在其多晶硅表面的可控电极上施加偏压，可以补偿工艺变化对击穿电压的影响。从而摆脱了SJ固有的电荷精确控制的限制，使其击穿电压与特征导通电阻突破硅极限。为了使OB漂移区中的电场能够达到SJ器件那样的最佳电场，也可将OB漂移区改成渐变氧化层旁路 （Gradient Oxide-Bypassed，GOB）VUMOS结构如图5c所示。采用GOB结构，可使器件在中等电压范围内的性能达到理想SJ器件性能，同时有简单的制作工艺。其缺点是形成这种渐变的氧化层侧墙结构需要特殊的刻蚀剂。
基于上述的OBVDMOS和GOBVUMOS结构，还有一种具有阶梯槽形氧化层旁路的 VDMOS结构。它是可通过阶梯槽形氧化层来调制VDMOS高阻漂移区的电场强度分布，并增强了电荷补偿效应。这种结构使VDMOS在低于300V击穿电压下具有超低的导通电阻。 与普通氧化旁路的OBVDMOS结构相比，阶梯槽形氧化层旁路MOSFET的击穿电压可提高 20%以上，特征导通电阻降低40%～60%。
2.4 浮岛MOSFET结构
浮岛结构均是利用电荷补偿原理，通过在n-漂移区中引入p浮岛，以改善导通电阻与击穿电压之间的矛盾关系。FLYMOS的峰值电场与 VDMOS相比明显下降，特征导通电阻也降低约70%。
图6 FIMOS结构剖面与FLYMOS结构及其2D电场强度分布
3、静态与动态特性
3.1 击穿特性
（1）电场强度分布
图7a显示，SJMOS的耐压层由SJ的p柱区和n柱区组成，在截止状态下的纵向电场强度EV分布近似为矩形，横向电场强度EL分布近似为锯齿形。假设p柱区和n柱区的掺杂浓度和宽度均相等，在外加正向电压UDS下，空间电荷区分别向两柱区横向扩展。当UDS较低时，横向电场强度EL分布如图7a下方坐标中的虚线所示。随着UDS增加，空间电荷区在柱区中心处相遇，EL分布如实线所示。随UDS的进一步升高，锯齿形的电场强度进一步升高。在雪崩击穿电压下，p柱区和n柱区的横向扩展宽度等于n柱区半宽度。根据电荷平衡的条件可知，柱区的掺杂浓度与宽度密切相关，当ND较高时，柱区宽度较小，否则击穿会发生在横向pn结面。
如图7b所示，Semi-SJMOS的耐压层是由p柱区和n柱区组成的SJ及其n底部辅助层组成的。增加n-BAL的目的是减小p柱区和n柱区的厚度tSJ，并为p柱区和n柱区的扩展提供足够的空间。Semi-SJMOS的电场强度分布由矩形和梯形两部分组成：矩形部分是由SJ形成的；梯形部分是由n-BAL形成的。
图7 SJMOS截止时的纵、横向电场强度分布
（2）击穿电压
柱区厚度tSJ越厚，USJ越高；n-BAL层厚度tBAL越厚，UBAL越高。
3.2 导通特性
图8 不同功率MOS结构的导通电阻与击穿电压关系比较
若VDMOS和SJMOS的耐压相同，可将SJ的柱区掺杂浓度提高约一个数量级，以降低其n柱区电阻Rn-pillar，从而降低导通电阻。因此，SJMOS的导通电阻低于具有相同耐压值的VDMOS。
SJMOS的特征导通电阻与耐压的关系：
式中b为元胞宽度或间距（μm）；g是与元胞图形有关的常数，取值在1～2.5之间。
在相同耐压下，具有相同深宽比柱区的Semi-SJMOS的导通电阻比SJMOS的更小。在 Semi-SJMOS结构中引入底部辅助层（n-BAL），不仅有利于减小柱区厚度，保证器件的击穿电压，同时n-BAL对导通电阻也会产生影响，其n-漂移区电阻RD由柱区电阻Rn-pillar和n-BAL层电阻RBAL两部分组成。
3.3 输入输出电容
图9 SJMOS的寄生电容
在相同耐压下，SJMOS的特征导通电阻Ron,sp 比VDMOS的小，若两者导通电阻Ron大小相同，则SJMOS的面积小于VDMOS。由于面积减小，SJMOS的栅-源电容CGS及栅-漏电 容CGD也比VDMOS的小，因此SJMOS的输入电容Ciss和输出电容Coss均小于VDMOS的。Ciss和Coss越小，开关损耗越低，同时栅电荷越少，有利于降低驱动功率。故SJMOS有更低的开关损耗和更小的驱动功率。
如图9b所示，与VUMOS相比，沟槽栅SJMOS的栅-源电容CGS与栅-漏电容CGD相同，漏源电容CDS明显比VUMOS的大，且CDS随UDS的变化趋势与平面栅SJMOS的相同。 为了降低沟槽栅SJMOS的输入输出电容，可采用如图9c所示的扩展沟槽栅SJMOS结构。由于扩展沟槽栅SJMOS结构中存在氧化物填充的深沟槽，使氧化层厚度增大，并且其面积也较小，故扩展沟槽栅SJMOS的CGD明显比传统沟槽栅SJMOS的小。
3.4 开关特性
SJMOS开关特性取决于栅极电容的充放电及SJ的耗尽速度，所以平面栅SJMOS的开关速度要比VDMOS的快，扩展沟槽栅SJMOS比常规沟槽栅SJMOS的快。
图10 两种沟槽栅SJMOS的开关特性比较
3.5 体二极管的特性
超结会使体二极管结面积增大，导致IRM和Qrr较大。柱区的快速耗尽又会使du/dt增加，所以SJMOS中体二极管的反向恢复特性更差，不仅软度小，且反向恢复电流大，容易造成器件失效。采用Semi-SJMOS可以有效地解决体二极管反向恢复特性差的问题。
IRM（漏极重复峰值电流）：器件在重复脉冲条件下的最大电流承受能力。IRM通常用于评估器件在高频开关应用中的可靠性，确保器件在高频脉冲条件下不会因过热而损坏。
Qrr（反向恢复电荷）：描述了在MOSFET关闭过程中，体二极管反向恢复过程中所释放的电荷量。Qrr的大小会影响MOSFET的开关速度和效率，较小的Qrr意味着更快的开关速度和更低的开关损耗。