近日，在行業(yè)會議上，復旦大學研究團隊宣布，其基于電荷平衡理論，通過對離子注入工藝的深度優(yōu)化，成功設計并制備出正交結構和平行結構兩種不同布局的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)超結結構，在保障器件性能的同時，不僅大幅降低了制造成本，還顯著簡化了工藝流程，為高壓SiC功率器件 領域帶來全新突破。
圖片來源：論文首頁截圖
在功率半導體領域，碳化硅（SiC）MOSFET憑借低功耗、高臨界電場強度以及優(yōu)異熱導率等顯著特性，在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等高壓高頻應用場景中占據(jù)重要地位。然而，為了進一步降低導通損耗、提升能量轉換效率，業(yè)界始終面臨著在確保擊穿電壓（BV）的前提下，如何優(yōu)化導通電阻（Ron）這一關鍵難題。當溝道電阻的優(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一步優(yōu)化Ron的核心方向。
電荷平衡技術作為解決上述問題的有效手段，其典型結構——超結（SJ）器件，通過在漂移區(qū)交替排列n/p柱結構，能夠在不犧牲BV的情況下降低Ron，并實現(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)超結結構制備過程中所依賴的多次外延生長、溝槽回填等工藝，在應用于碳化硅基器件制造時面臨著材料缺陷增多、工藝復雜度高、成本高昂等諸多挑戰(zhàn)，嚴重制約了高壓SiC功率器件的產(chǎn)業(yè)化進程。
復旦團隊在此次研究中，深入探索離子注入工藝的優(yōu)化方向。團隊成員經(jīng)過大量實驗，精確調控離子注入的能量、劑量以及注入角度等關鍵參數(shù)，巧妙地在碳化硅材料中構建起獨特的電荷分布。在這一過程中，研究人員克服了碳化硅材料硬度高、離子注入損傷修復困難等重重難關，通過反復試驗與數(shù)據(jù)分析，最終實現(xiàn)了局部電荷平衡效果。
圖片來源：論文截圖-圖為器件結構示意圖及注入結果仿真
實驗數(shù)據(jù)有力證明了這兩種新型器件的優(yōu)異性能。新制備的正交結構和平行結構器件在維持約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，且器件的轉移特性并未受到任何不良影響。
此外，通過TCAD仿真分析可以清晰看到，在阻斷狀態(tài)下，該結構所形成的電場屏蔽能夠有效抑制漏致勢壘降低效應，進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在高頻工作場景下，展現(xiàn)出了更為出色的頻率響應特性，開關損耗也得到明顯降低，開關性能得到全面提升。
從行業(yè)發(fā)展角度來看，這項研究成果意義深遠。僅通過優(yōu)化離子注入工藝便實現(xiàn)局部電荷平衡效果，成功避免了傳統(tǒng)超結器件復雜的多層外延或溝槽填充工藝，這意味著未來高壓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，還將加速推動高壓SiC功率器件在更多領域的廣泛應用，有望為新能源、電力傳輸?shù)刃袠I(yè)的技術革新注入強勁動力。
（集邦化合物半導體 niko 整理）
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