在功率半導體領域，突破硅材料的物理極限一直是工程師們的終極挑戰。隨著電力電子設備向高壓、高效方向快速發展，傳統MOSFET結構已逐漸觸及性能天花板。本文將深入解析超結MOSFET技術如何通過創新的縱向電荷補償機制，成功打破存在數十年的"硅極限"定律。

硅極限 (Silicon Limit)?

在功率MOSFET領域，存在著一個被稱為“硅極限”(理論極限)的瓶頸。其核心在于：即使將除漂移層以外的所有電阻降至接近于零，由于漂移層本身固有的電阻限制，器件的導通電阻 RDS(ON) 也無法進一步降低。這就是所謂的“硅極限”。

對于傳統的平面柵MOSFET，其導通電阻 RDS(ON) 與漏源擊穿電壓 VDSS 的關系符合 VDSS^2.5 ∝ RDS(ON) 的計算公式。這意味著：

VDSS 增加至 2 倍 ? RDS(ON) 增加至約 5.6 倍

VDSS 增加至 10 倍 ? RDS(ON) 增加至約 316 倍

對于低耐壓 (VDSS) 的 MOSFET，其性能距離理論極限尚有一定空間。然而，對于高耐壓 MOSFET，其性能早在多年前就已接近理論極限。因此，市場對高耐壓 MOSFET 實現新的技術突破有著強烈的需求。

? ?超結結構正是旨在突破這一硅極限、同時繼續基于硅材料的一項創新技術。?

?超結結構帶來的 RDS(ON) 降低優勢?

?超級結原理?

?傳統結構 MOSFET：?

其漏源擊穿電壓 (VDSS) 依賴于外加電壓下耗盡層的縱向擴展。耗盡層的擴展程度(即耗盡層厚度)決定了其耐壓能力。因此，在高耐壓 MOSFET 中，漂移層的雜質濃度不能過高。這就導致 VDSS 越高，漂移層電阻越大，RDS(ON) 也越高。

?超結結構 MOSFET：?

在該結構中，漂移層內部精確地交替排列著縱向的 N 型柱和 P 型柱(通常通過深溝槽刻蝕工藝形成，例如 Semihow 的超結 MOSFET 技術就采用了先進的刻蝕工藝來構建這些柱體)。當施加電壓時，耗盡層主要在相鄰的 N 柱和 P 柱之間?橫向?擴展，并迅速相接，最終形成一個厚度等于溝槽深度的完整耗盡層。

由于耗盡層只需擴展到柱間距的一半即可合并，其最終形成的耗盡層厚度等同于溝槽的深度。這種結構使得耗盡層的擴展距離更短且更有效，允許大幅提高漂移層的雜質濃度(可達傳統結構的約 5 倍)，從而實現 RDS(ON) 的顯著降低。

從上述原理可以看出，?制造盡可能窄間距和深度的溝槽至關重要?。超結 MOSFET 正是通過這種與傳統 MOSFET 不同的耐壓機制，成功突破了硅材料的理論極限，實現了更高的性能表現。Semihow 的超結 MOSFET 技術正是基于對這一核心原理的深刻理解，專注于優化溝槽結構和制造工藝，以有效降低高耐壓器件的導通電阻。

傳統的平面架構

首個采用平面工藝的功率MOSFET器件于上世紀70年代問世。制造平面MOSFET的過程涉及多種工藝，并需要利用多種氧化物、雜質和抗蝕劑方可獲得最終產品。

平面制造步驟：

1、在晶圓上噴涂氧化膜

2、在晶圓表面添加p層摻雜劑，并通過熱處理將其擴散到晶圓中

3、應用抗蝕劑/

4、在晶圓表面添加n+摻雜劑，并通過熱處理將其擴散到晶圓中

5、清除掉抗蝕劑

超結MOSFET架構

超結MOSFET可在晶圓中蝕刻出深而窄的溝槽，因而能夠突破平面設計的限制。該架構可顯著抑制耗盡區的擴大，因而能夠有效提升摻雜濃度并降低RDS(on)。

麥克斯韋方程表明電場的斜率等于電荷密度r除以介電常數e：

dE/dy=r/e

電壓V是E的積分，也可表示為E曲線下的陰影面積為y的函數。比較這兩個圖后我們發現，p型柱的引入明顯改變了電場分布，并使關閉狀態下可以維持的電壓升高。因此在給定電壓的情況下，可降低漏極電阻率，從而降低導通電阻。

超結MOSFET技術的出現，標志著功率半導體設計從二維平面結構向三維立體結構的范式轉變。通過精密的柱狀交替摻雜和獨特的橫向耗盡機制，這項技術不僅實現了理論上的突破，更在實際應用中展現出顯著的效率優勢。隨著Semihow等廠商在深溝槽刻蝕工藝上的持續創新，超結MOSFET正在5G基站、新能源逆變器、工業電源等高壓應用場景中加速替代傳統解決方案。