近日，在行业会议上，复旦大学研究团队宣布，其基于电荷平衡理论，通过对离子注入工艺的深度优化，成功设计并制备出正交结构和平行结构两种不同布局的1.7kV 4H-SiC电荷平衡辅助SiC MOSFET器件。这一创新成果，相较于传统超结结构，在保障器件性能的同时，不仅大幅降低了制造成本，还显著简化了工艺流程，为高压SiC功率器件 领域带来全新突破。
图片来源：论文首页截图
在功率半导体领域，碳化硅（SiC）MOSFET凭借低功耗、高临界电场强度以及优异热导率等显著特性，在新能源汽车、智能电网、轨道交通等高压高频应用场景中占据重要地位。然而，为了进一步降低导通损耗、提升能量转换效率，业界始终面临着在确保击穿电压（BV）的前提下，如何优化导通电阻（Ron）这一关键难题。当沟道电阻的优化逐渐逼近极限后，漂移区电阻的降低就成为了高压功率器件进一步优化Ron的核心方向。
电荷平衡技术作为解决上述问题的有效手段，其典型结构——超结（SJ）器件，通过在漂移区交替排列n/p柱结构，能够在不牺牲BV的情况下降低Ron，并实现较低的电阻温度系数。但由于碳化硅材料本身的特殊性，传统超结结构制备过程中所依赖的多次外延生长、沟槽回填等工艺，在应用于碳化硅基器件制造时面临着材料缺陷增多、工艺复杂度高、成本高昂等诸多挑战，严重制约了高压SiC功率器件的产业化进程。
复旦团队在此次研究中，深入探索离子注入工艺的优化方向。团队成员经过大量实验，精确调控离子注入的能量、剂量以及注入角度等关键参数，巧妙地在碳化硅材料中构建起独特的电荷分布。在这一过程中，研究人员克服了碳化硅材料硬度高、离子注入损伤修复困难等重重难关，通过反复试验与数据分析，最终实现了局部电荷平衡效果。
图片来源：论文截图-图为器件结构示意图及注入结果仿真
实验数据有力证明了这两种新型器件的优异性能。新制备的正交结构和平行结构器件在维持约2.0kV击穿电压的情况下，Ron分别降低了19.61%和38.06%，这一显著提升主要得益于漂移区电阻的有效优化，且器件的转移特性并未受到任何不良影响。
此外，通过TCAD仿真分析可以清晰看到，在阻断状态下，该结构所形成的电场屏蔽能够有效抑制漏致势垒降低效应，进一步保障了器件的可靠性。值得一提的是，这两种新型电荷平衡辅助MOSFET在高频工作场景下，展现出了更为出色的频率响应特性，开关损耗也得到明显降低，开关性能得到全面提升。
从行业发展角度来看，这项研究成果意义深远。仅通过优化离子注入工艺便实现局部电荷平衡效果，成功避免了传统超结器件复杂的多层外延或沟槽填充工艺，这意味着未来高压SiC功率器件的大规模生产将不再受限于高成本、高难度的工艺条件。这不仅为企业降低生产成本、提高生产效率提供了新的可能，还将加速推动高压SiC功率器件在更多领域的广泛应用，有望为新能源、电力传输等行业的技术革新注入强劲动力。
（集邦化合物半导体 niko 整理）
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