多層外延工藝超結(jié)MOS在電源中的應(yīng)用

超結(jié)也稱為超級(jí)結(jié)，是英文Super Junction 的直譯，而英飛凌之前將這種技術(shù)稱之為CoolMOS。因而超結(jié)（Super Junction，CoolMOS）一直混用至今。瑞森半導(dǎo)體多年前就進(jìn)軍超結(jié)領(lǐng)域，經(jīng)過多年研發(fā)生產(chǎn)，目前已擁有完整的超結(jié)系列產(chǎn)品。

一、超結(jié)MOS結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)高壓MOS，晶圓襯底為降低其電阻會(huì)做高摻雜，但為保證其擊穿電壓，在外延N-上摻雜濃度會(huì)降低，而低摻雜濃度的外延層會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)電阻增大，也就是MOS管的內(nèi)阻增大。

為解決這一狀況開發(fā)出超結(jié)技術(shù)，超結(jié)MOSFET 采用了在垂直溝槽結(jié)構(gòu)，在外延N-層建立了深入的p型區(qū)，其摻雜濃度比原p型區(qū)的摻雜濃度低，其作用是補(bǔ)償導(dǎo)通電荷，并使pn結(jié)的耗盡區(qū)向p區(qū)一側(cè)擴(kuò)展，起到了電壓支持層的作用，降低了擊穿電壓對(duì)外延層N-的要求。這樣便可提高延層N-摻雜濃度，從而降低其結(jié)構(gòu)電阻。

二、超結(jié)MOS的特點(diǎn)

1.內(nèi)阻低(RDSON) 

得益于特殊的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得超結(jié)MOS具有極低的內(nèi)阻，在相同的芯片面積下，超結(jié)MOS芯片的內(nèi)阻甚至只有傳統(tǒng)MOS的一半以上。較低的內(nèi)阻，能降低損耗，減少發(fā)熱。特別在對(duì)溫度要求高的產(chǎn)品上，例如充電頭，使用超結(jié)替代傳統(tǒng)MOS可以降低產(chǎn)品外殼能感受的溫度，使得用戶擁有更好的產(chǎn)品體驗(yàn)。

2.減小封裝體積

在同等電壓和電流要求下，超結(jié)MOS的芯片面積能做到比傳統(tǒng)MOS更小，因而可以封裝更小尺寸的產(chǎn)品，這樣有利于設(shè)計(jì)更小體積的電源電路。

在同等要求中，使用超結(jié)MOS得益于低內(nèi)阻，其損耗發(fā)熱會(huì)比傳統(tǒng)MOS低很多，因而對(duì)散熱要求會(huì)降低。在實(shí)際電源應(yīng)用中，通常會(huì)減少甚至取消散熱片尺寸，也在另一方面降低了成本。

3.超結(jié)的抗浪涌能力（EAS）

由于超結(jié)MOS芯片結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)MOS芯片更容易出現(xiàn)缺陷，而缺陷的增多直接表現(xiàn)為芯片的抗浪涌能力降低。這也是不少使用者在用超結(jié)MOS替代VDMOS的過程中，容易出現(xiàn)浪涌及雷擊測(cè)試不合格的情況。當(dāng)電源對(duì)浪涌要求高時(shí)，例如戶外產(chǎn)品，需特別注意MOS的抗浪涌能力，若使用超結(jié)MOS時(shí)，必須要設(shè)計(jì)好浪涌保護(hù)電路。超結(jié)MOS工藝有深溝槽和多層外延兩種，深溝槽為一次在外延上掩刻及填充，多層外延為一次次掩刻，反復(fù)注入摻雜。深溝槽工藝成本較低，但品質(zhì)相對(duì)難控制，多層外延由于多次掩刻成本較高，但品質(zhì)較為穩(wěn)定。瑞森超結(jié)MOS使用成熟多層外延工藝，確保產(chǎn)品優(yōu)良品質(zhì)。

4.較小的柵電荷

在電源設(shè)計(jì)中，由于傳統(tǒng)MOS柵電荷相較大，對(duì)IC的驅(qū)動(dòng)能力要求較高，若IC驅(qū)動(dòng)能力不足會(huì)造成溫升等問題，所以在選擇驅(qū)動(dòng)IC時(shí)會(huì)受到限制，甚至對(duì)于驅(qū)動(dòng)不足的IC會(huì)另外增加設(shè)計(jì)推挽電路。

得益超結(jié)MOS芯片結(jié)構(gòu)，超結(jié)MOS具有相對(duì)于傳統(tǒng)MOS較小的柵電荷，所以對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低，從而放寬對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的要求，讓電路設(shè)計(jì)有更多選擇。 

5.較低的結(jié)電容

由于芯片結(jié)構(gòu)的改變，超結(jié)MOS的結(jié)電容比傳統(tǒng)MOS有很大的降低，較低的輸出結(jié)電容能改善MOS開關(guān)損耗。而較低的柵電容能減小柵極充電時(shí)間，提高開關(guān)速度。超結(jié)MOS結(jié)電容的減小，可以有效的降低電源電路開關(guān)損耗，提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。

但另一方面超結(jié)MOS較小的寄生電容和極快的開關(guān)特性，會(huì)造成較高的dv/dt和di/dt并通過器件和印刷電路板中的寄生電容電感等，從而影響開關(guān)性能。對(duì)于高頻電源來說，使用超結(jié)MOS，可能會(huì)比使用傳統(tǒng)MOS有更高的EMI，所以在使用超結(jié)MOS的電路中，其EMI的控制需要特別注意。另外，較快的開關(guān)速度會(huì)造成電路中更高的VDS尖峰，所以在電路設(shè)計(jì)超結(jié)MOS VDS的過程中余量要計(jì)算充足，必要時(shí)可調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻以降低其電壓尖峰。

三、瑞森多層外延工藝超結(jié)MOS

瑞森多層外延工藝超結(jié)MOS系列產(chǎn)品，具有內(nèi)阻低，抗沖擊能力強(qiáng)，結(jié)電容低，可靠性高，品質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前該系列產(chǎn)品已與眾多的客戶合作，瑞森助力客戶制造更優(yōu)質(zhì)電源。