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超结MOSFET是什么?怎么合理的应用?

超结MOS是英文Super Junction的直译,英飞凌注册商标为Cool MOS,所以国内的厂家都命名为超结MOS,它是在普通平面MOS基础上使用新型超结结构设计的MOS管。这种技术通过在垂直沟槽结构中外延N-层建立深入的p型区,形成更大的PN结,在器件返偏时,能形成很厚的PN耗尽层,以达到高的隔离电压。超结MOS管主要在500V、600V、650V及800V以上高电压场合使用。

超结MOS的工艺包括:

多层外延工艺(Multi-EPI)和深沟槽工艺(Deep-Trench)。这两种工艺都旨在实现超结MOSFET的优异性能,但各有其特点和优势。

1. 多层外延工艺(Multi-EPI)

概述
多层外延工艺是开发较早且较为成熟的工艺。它基于平面硅生长技术,通过多次掺杂、热推进和生长多层掺杂不同的外延层,形成多个PN结,从而实现超结MOS的结构。

多层外延工艺主要集中在欧美品牌以及韩国品牌,比如SEMIHOW,英飞凌等。

优点

  • 高电压承受能力:相比传统的Super Junction技术,Multi-EPI的SJ技术能够实现更高的电压承受能力。

  • 低导通电阻:多层外延工艺通过优化掺杂浓度和结构设计,能够显著降低导通电阻。

  • 优良的可靠性:由于整个外延过程是基于平整界面生长,外延位错缺陷会比较少,因此在漏电、高温可靠性、长期可靠性等方面具有很好的优势。

  • 生产成本降低:虽然工艺复杂,但相比其他技术,它能在一定程度上降低生产成本。

缺点

  • 制备工艺复杂:多层外延工艺需要多次掺杂和生长步骤,增加了工艺难度和成本。

  • 光刻控制困难:多次光刻和掩膜步骤可能导致精度控制上的挑战。

2. 深沟槽工艺(Deep-Trench)

概述
深沟槽工艺是一种相对简单的实现超结技术的方法。它首先通过外延设备生长一层外延层,然后通过深槽刻蚀设备刻出深宽比很高的沟槽,再通过外延方式将沟槽填充起来,形成P柱结构。

深沟槽工艺主要集中在中国大陆品牌,以华虹晶圆为主的产品,目前也有少量多层外延工艺的产品在研发并推出市场。

优点

  • 工艺简单:由于只需要一次掩刻和填充,工艺步骤相对较少,成本较低。

  • 提高可靠性:减少晶体缺陷,从而提高产品的可靠性和稳定性。

  • 动态特性良好:在某些应用中,其动态特性可能优于多层外延工艺。

缺点

  • 形貌控制难:硅在深槽过程中,侧边与底部蚀刻形貌很难控制到很平滑,可能影响器件性能。

  • 空洞问题:晶体外延填充过程中容易导致沟槽底部形成不规则的空洞,影响长期高温工作时的可靠性。

  • 动态特性相对差:由于界面接近突变结,动态特性可能不如多层外延工艺。

超结MOS的主要作用包括:

  1. 降低导通电阻:相较于传统VDMOS,相同电流、电压规格的超结MOSFET的导通电阻仅为传统VDMOS的一半左右。这得益于其特殊的芯片内部结构设计,使得在相同的芯片面积下,超结MOS的内阻更低。

  2. 提高开关速度:超结MOSFET的开通和关断速度较传统VDMOS快30%以上,这有助于降低动态损耗,提高电源系统的效率。

  3. 减小芯片体积:由于超结MOS的内阻低,可以在保证性能的同时减小芯片面积,从而有利于设计更小体积的电源电路,降低产品成本。

  4. 降低发热:较低的导通电阻和开关速度意味着更低的损耗,进而减少了发热量,这对于对温度要求高的产品如充电头等尤为重要。

  5. 提升效率:使用超结MOSFET后,电源效率可以上升1~2个百分点,这对于提高整体能源利用效率具有重要意义。

  6. 易于集成封装:超结MOSFET可以与驱动IC一起进行集成封装,进一步降低产品体积和成本。

  7. 适用领域广泛:超结MOSFET以其优异的性能被广泛应用于电源、电机控制、照明等领域,特别适合于中低功率水平下的高速运行需求。

总结

超结MOS作为一种创新的半导体器件技术,通过其独特的超结结构设计,在降低导通电阻、提高开关速度、减小芯片体积、降低发热和提升效率等方面展现出显著优势。这些特点使得超结MOS在高压、高频、高效率的电力电子应用中具有广阔的前景。


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