近日，在行業(yè)會(huì)議上，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)宣布，其基于電荷平衡理論，通過(guò)對(duì)離子注入工藝的深度優(yōu)化，成功設(shè)計(jì)并制備出正交結(jié)構(gòu)和平行結(jié)構(gòu)兩種不同布局的1.7kV 4H-SiC電荷平衡輔助SiC MOSFET器件。這一創(chuàng)新成果，相較于傳統(tǒng)超結(jié)結(jié)構(gòu)，在保障器件性能的同時(shí)，不僅大幅降低了制造成本，還顯著簡(jiǎn)化了工藝流程，為高壓SiC功率器件 領(lǐng)域帶來(lái)全新突破。
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圖片來(lái)源：論文首頁(yè)截圖
在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，碳化硅（SiC）MOSFET憑借低功耗、高臨界電場(chǎng)強(qiáng)度以及優(yōu)異熱導(dǎo)率等顯著特性，在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等高壓高頻應(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)重要地位。然而，為了進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗、提升能量轉(zhuǎn)換效率，業(yè)界始終面臨著在確保擊穿電壓（BV）的前提下，如何優(yōu)化導(dǎo)通電阻（Ron）這一關(guān)鍵難題。當(dāng)溝道電阻的優(yōu)化逐漸逼近極限后，漂移區(qū)電阻的降低就成為了高壓功率器件進(jìn)一步優(yōu)化Ron的核心方向。
電荷平衡技術(shù)作為解決上述問(wèn)題的有效手段，其典型結(jié)構(gòu)——超結(jié)（SJ）器件，通過(guò)在漂移區(qū)交替排列n/p柱結(jié)構(gòu)，能夠在不犧牲BV的情況下降低Ron，并實(shí)現(xiàn)較低的電阻溫度系數(shù)。但由于碳化硅材料本身的特殊性，傳統(tǒng)超結(jié)結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中所依賴的多次外延生長(zhǎng)、溝槽回填等工藝，在應(yīng)用于碳化硅基器件制造時(shí)面臨著材料缺陷增多、工藝復(fù)雜度高、成本高昂等諸多挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了高壓SiC功率器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
復(fù)旦團(tuán)隊(duì)在此次研究中，深入探索離子注入工藝的優(yōu)化方向。團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)控離子注入的能量、劑量以及注入角度等關(guān)鍵參數(shù)，巧妙地在碳化硅材料中構(gòu)建起獨(dú)特的電荷分布。在這一過(guò)程中，研究人員克服了碳化硅材料硬度高、離子注入損傷修復(fù)困難等重重難關(guān)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，最終實(shí)現(xiàn)了局部電荷平衡效果。
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圖片來(lái)源：論文截圖-圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖及注入結(jié)果仿真
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力證明了這兩種新型器件的優(yōu)異性能。新制備的正交結(jié)構(gòu)和平行結(jié)構(gòu)器件在維持約2.0kV擊穿電壓的情況下，Ron分別降低了19.61%和38.06%，這一顯著提升主要得益于漂移區(qū)電阻的有效優(yōu)化，且器件的轉(zhuǎn)移特性并未受到任何不良影響。
此外，通過(guò)TCAD仿真分析可以清晰看到，在阻斷狀態(tài)下，該結(jié)構(gòu)所形成的電場(chǎng)屏蔽能夠有效抑制漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)，進(jìn)一步保障了器件的可靠性。值得一提的是，這兩種新型電荷平衡輔助MOSFET在高頻工作場(chǎng)景下，展現(xiàn)出了更為出色的頻率響應(yīng)特性，開(kāi)關(guān)損耗也得到明顯降低，開(kāi)關(guān)性能得到全面提升。
從行業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，這項(xiàng)研究成果意義深遠(yuǎn)。僅通過(guò)優(yōu)化離子注入工藝便實(shí)現(xiàn)局部電荷平衡效果，成功避免了傳統(tǒng)超結(jié)器件復(fù)雜的多層外延或溝槽填充工藝，這意味著未來(lái)高壓SiC功率器件的大規(guī)模生產(chǎn)將不再受限于高成本、高難度的工藝條件。這不僅為企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率提供了新的可能，還將加速推動(dòng)高壓SiC功率器件在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有望為新能源、電力傳輸?shù)刃袠I(yè)的技術(shù)革新注入強(qiáng)勁動(dòng)力。
（集邦化合物半導(dǎo)體 niko 整理）
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