多层外延工艺超结MOS在电源中的应用

超结也称为超级结，是英文Super Junction 的直译，而英飞凌之前将这种技术称之为CoolMOS。因而超结（Super Junction，CoolMOS）一直混用至今。瑞森半导体多年前就进军超结领域，经过多年研发生产，目前已拥有完整的超结系列产品。



一、超结MOS结构

传统高压MOS，晶圆衬底为降低其电阻会做高掺杂，但为保证其击穿电压，在外延N-上掺杂浓度会降低，而低掺杂浓度的外延层会导致结构电阻增大，也就是MOS管的内阻增大。

为解决这一状况开发出超结技术，超结MOSFET 采用了在垂直沟槽结构，在外延N-层建立了深入的p型区，其掺杂浓度比原p型区的掺杂浓度低，其作用是补偿导通电荷，并使pn结的耗尽区向p区一侧扩展，起到了电压支持层的作用，降低了击穿电压对外延层N-的要求。这样便可提高延层N-掺杂浓度，从而降低其结构电阻。



二、超结MOS的特点

1.内阻低(RDSON)

得益于特殊的芯片内部结构，使得超结MOS具有极低的内阻，在相同的芯片面积下，超结MOS芯片的内阻甚至只有传统MOS的一半以上。较低的内阻，能降低损耗，减少发热。特别在对温度要求高的产品上，例如充电头，使用超结替代传统MOS可以降低产品外壳能感受的温度，使得用户拥有更好的产品体验。

2.减小封装体积

在同等电压和电流要求下，超结MOS的芯片面积能做到比传统MOS更小，因而可以封装更小尺寸的产品，这样有利于设计更小体积的电源电路。

在同等要求中，使用超结MOS得益于低内阻，其损耗发热会比传统MOS低很多，因而对散热要求会降低。在实际电源应用中，通常会减少甚至取消散热片尺寸，也在另一方面降低了成本。

3.超结的抗浪涌能力（EAS）

由于超结MOS芯片结构比传统MOS芯片更容易出现缺陷，而缺陷的增多直接表现为芯片的抗浪涌能力降低。这也是不少使用者在用超结MOS替代VDMOS的过程中，容易出现浪涌及雷击测试不合格的情况。当电源对浪涌要求高时，例如户外产品，需特别注意MOS的抗浪涌能力，若使用超结MOS时，必须要设计好浪涌保护电路。超结MOS工艺有深沟槽和多层外延两种，深沟槽为一次在外延上掩刻及填充，多层外延为一次次掩刻，反复注入掺杂。深沟槽工艺成本较低，但品质相对难控制，多层外延由于多次掩刻成本较高，但品质较为稳定。瑞森超结MOS使用成熟多层外延工艺，确保产品优良品质。



4.较小的栅电荷

在电源设计中，由于传统MOS栅电荷相较大，对IC的驱动能力要求较高，若IC驱动能力不足会造成温升等问题，所以在选择驱动IC时会受到限制，甚至对于驱动不足的IC会另外增加设计推挽电路。

得益超结MOS芯片结构，超结MOS具有相对于传统MOS较小的栅电荷，所以对电路的驱动能力要求降低，从而放宽对驱动IC的要求，让电路设计有更多选择。

5.较低的结电容

由于芯片结构的改变，超结MOS的结电容比传统MOS有很大的降低，较低的输出结电容能改善MOS开关损耗。而较低的栅电容能减小栅极充电时间，提高开关速度。超结MOS结电容的减小，可以有效的降低电源电路开关损耗，提高整个电源系统的效率。




但另一方面超结MOS较小的寄生电容和极快的开关特性，会造成较高的dv/dt和di/dt并通过器件和印刷电路板中的寄生电容电感等，从而影响开关性能。对于高频电源来说，使用超结MOS，可能会比使用传统MOS有更高的EMI，所以在使用超结MOS的电路中，其EMI的控制需要特别注意。另外，较快的开关速度会造成电路中更高的VDS尖峰，所以在电路设计超结MOS VDS的过程中余量要计算充足，必要时可调整驱动电阻以降低其电压尖峰。

三、瑞森多层外延工艺超结MOS

瑞森多层外延工艺超结MOS系列产品，具有内阻低，抗冲击能力强，结电容低，可靠性高，品质稳定等特点。目前该系列产品已与众多的客户合作，瑞森助力客户制造更优质电源。