今天这篇，聊聊功率超结MOSFET原理及类型，
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看这张图，沟槽栅功率MOSFET的基本结构，
N+和P-body被近似矩形的沟槽隔开，槽中主要填充物为深蓝色的Gate，Gate两侧及底部是荧绿色的栅介质（SiO2），
想在此基础上引入超结结构，该如何设计？
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如上，这是三种典型结构，
先看（a），采用P型外延层，沟槽工艺完成后，通过高能离子注入对沟槽底部进行注入，以形成N柱区，
沟槽宽度和磷离子注入的条件，决定了N柱的电荷量。
这种方案的缺点是外延层为P型，因此电子从沟道流出，向漂移区扩展的过程会受到明显阻碍，限制了电阻进一步降低。
再看（b），N型外延层，通过多次高能离子注入形成P柱区，注入宽度和剂量决定P柱电荷，
这种方案的缺点是需要采用多次外延工艺，成本较高，且光刻对准是很大的问题。
还有（c），在源极区域通过刻蚀形成很深的沟槽，对源沟槽侧壁及底部进行离子注入以形成P柱区，源沟槽中填满介质，
这是ROHM公司在SiC沟槽栅功率MOSFET上首先采用的结构，缺点仍然是工艺复杂，且在常规工艺之外，加入了倾斜离子注入工艺。
另外，（b）和（c）的栅沟槽底部采用了较厚的介质，换言之，这是TBOX和超结结构的结合。
那么功率超结MOSFET到底遵循何种原理？
先从RESURF（Reduced Surface Electric Fields，降低表面电场）效应说起，
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1979年，前人制作了横向JFET器件，试图利用RESURF效应降低器件表面电场，这应该是RESURF效应首次正式报道，
啥叫RESURF效应？
传统的一维PN结，反向耐压由轻掺杂一侧的掺杂浓度Nd决定，
大概逻辑是：Nd越低→耗尽层越宽→峰值电场越低→耐压越高，
然而降低掺杂浓度会导致器件导通电阻增大，耐压和电阻之间存在不可避免的trade-off。
而RESURF效应可以提升耐压和电阻之间的trade-off，直白地说，在保持相同耐压的前提下，实现更小的导通电阻。
如何做到这一点？
核心思路是——利用二维电场分布效应，而不是纯粹的一维垂直耗尽，
即，电荷不仅会从结的纵向被耗尽，还会从横向被耗尽，
此间关键在于，只要漂移区电场在上升至材料临界击穿电场EC之前，漂移区就已经完全耗尽，那么掺杂浓度便不会决定耐压。
换言之，想利用RESURF效应，你的设计必须确保在反偏条件下，漂移区完全耗尽时，半导体材料承受的峰值电场仍低于EC，
随后继续增大反向偏压，电场线性提升（而非某一处骤增），最终击穿电压由几何尺寸（漂移区厚度）决定。
如何确保漂移区完全耗尽？
通过限制电荷总量实现。
简言之，如果你的设计成功应用了RESURF效应，便可以剥离耐压与漂移区浓度之间的相关性，
于是浓度可以适当提升，在相同耐压前提下，电阻得以降低。
后来的超结器件，本质上也是这个思路——通过优化N柱、P柱的面积和掺杂浓度，确保柱区完全耗尽时，半导体材料承受的峰值电场仍低于EC，
于是继续增大反向偏压，电场线性增大，而非局部击穿。
因此柱区浓度得以提升一个数量级，器件导通电阻因之大幅降低。
1980年代，前人提出多种基于RESURF原理的器件，既有单极型，也有双极型，但结构复杂、成本高昂，未能量产。
直到陈星弼提出超结器件，
以第5216275号美国专利《Semiconductor power devices with alternating conductivity type high-voltage breakdown regions》（1993年）为标志，电荷平衡理念应用于功率器件的垂直导电（而非此前的表面电场降低），
通过优化P柱、N柱的参数，限制柱区电荷总量，使PN结在反偏条件下完全耗尽，
以这种方式制造的功率MOSFET突破了一维硅器件极限，实现了创纪录的低导通电阻，600V平面型功率MOSFET的商业化生产于1998年启动。
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超结二极管在不同反偏条件下的工作状态如上，从（a）到（c），反偏电压逐渐增大，
在（a）中，反偏电压很小，相邻P柱之间的Ndrift很宽（蓝色区域），表明耗尽区只有轻微扩展，
峰值电场很小，且上方标注Ndrift的三角形电场区，位于Pbody与Ndrift界面附近，
在（b）中，反偏电压较大，Ndrift宽度明显减小，黄色、绿色区域即为耗尽区在Ndrift、P柱两侧的扩展区域，
在黄色区域（Ndrift一侧的耗尽区），施主原子电离，产生固定的正电荷，
而在绿色区域（P柱一侧的耗尽区），受主原子电离，产生固定的负电荷，
这些固定的电离电荷成为电场线的源头和终点，从固定正电荷指向固定负电荷，形成横向电场分量，
与此同时，纵向电场也在增加（上方标注Ndrift的三角形区域变大）。
此时可以理解成，器件已经开始表现出RESURF效应——横向耗尽分担了部分电压，缓解了纵向PN结的电场上升。
在（c）中，Ndrift和P柱完全耗尽，Pbody和N衬底之间被黄绿两色瓜分，
在任意深度，单位面积Ndrift正电荷总量（电离正电荷）等于P柱的负电荷总量（电离负电荷），实现电荷平衡，
完全耗尽的区域就像一块本征半导体，Pbody/柱区/ N衬底类似一个PIN二极管，
器件内部的电场分布，从三角形，转变为近乎矩形，
对电场曲线下的面积进行积分，可算出击穿电压的大小，结果远高于传统一维PN结三角形电场分布得到的耐压，
换言之，在相同耐压前提下，超结器件可使用更高的漂移区掺杂浓度，大幅降低器件导通电阻。
于是得以实现击穿电压、导通电阻之间，更优的trade-off关系。
另外对Si超结器件，给出了经验公式，QCB=ncolYcol≤（m·1012）cm-2，
QCB为电荷，ncol为柱区掺杂浓度，Ycol为柱区宽度，m值根据版图、工艺等变化，在1~4之间波动，
m取上限，QCB需要≤4×1012cm-2，
不必纠结怎么算出来的，只要知道，这个公式旨在限制电荷量，
为什么要限制电荷量？
本质上与前文提到的，RESURF效应对电荷的限制，是一个道理，
即，通过限制电荷量，确保反偏条件下，柱区完全耗尽时，半导体材料承受的峰值电场仍低于EC。
另一种类型的电荷平衡沟槽栅功率MOSFET也不得不提——利用MOS电容（而非PN结）来平衡N漂移区中的电荷，
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如上，左图为单沟槽结构，只有栅沟槽，栅电极分为相互隔离的两部分，
上半部分用于控制沟道，下半部分用于形成场板结构，
右图为双沟槽结构，在源沟槽中生长多晶硅，以形成场板结构，
两者的原理相同，当多晶硅场板偏置电压比N漂移区电位更负时，在漂移区中产生耗尽区，
通过优化设计，实现N漂移区一侧耗尽区中的电离施主原子固定正电荷与场板负电荷之间的平衡。
无论哪种，都要满足电荷限制，
即，N漂移区必须在一维垂直Pbody/N漂移区/N+衬底结到达临界电场之前完全耗尽。
另外这种结构由于沟槽较深，底部的场板介质必须足够厚，方能承受半导体内部的电场强度，一般要到μm级。
这种利用MOS电容而非PN结来平衡N漂移区中的电荷的沟槽栅功率MOSFET，也被称为RESURF阶梯氧化层MOSFET（RSO-MOS），
2001年，RSO-MOS首次实现商业化生产，用于20V~30V P沟道器件，
2002年，业界推出相似电压等级的N沟道器件，
再后来，这一技术被应用至更高耐压级别器件。
超结沟槽栅功率MOSFET器件、RSO-MOS电荷平衡型功率MOSFET器件均表现出低栅电荷、高开关速度以及优异的雪崩可靠性，是传统沟槽栅功率MOSFET的优秀替代者，
但这两种器件的CDS均呈现非线性电压依赖性，
低压阶段，CDS随VDS的增大而平滑下降，与一维PN结扩展无异，
但当VDS增至一定程度，RESURF效应开始生效，一旦N漂移区完全耗尽，便会屏蔽Pbody与漏区之间的直接作用，
Pbody与漏区未耗尽部分之间的空间电荷距离（即电容的介质厚度）大幅增加，导致结电容迅速下降，
在高频开关应用中，这种电容剧变可能产生噪声和振荡，降低应用可靠性，
解决方案包括在器件两端引入额外的线性电容，或集成缓冲器（滤波器）电路。
当然，各种沟槽型器件在不同应用场景下各有优势，超结和RSO并不能完全替代传统结构，
预计未来的沟槽栅功率MOSFET市场仍将保持技术多元化，而非技术同质化。
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