通過打破傳統(tǒng)性能極限，非對(duì)稱碳化硅（SiC）超結(jié)器件顯著提升了電能轉(zhuǎn)換效率。

本文作者：羅姆株式會(huì)社 飯?zhí)锎筝o、白木宏明、奧山訓(xùn)、森誠(chéng)悟、中野雄喜

在電動(dòng)汽車普及與數(shù)據(jù)中心用電需求激增的推動(dòng)下，全球電力消耗正快速攀升。為在增加電力供應(yīng)的同時(shí)降低碳排放，各國(guó)正大力發(fā)展可再生能源系統(tǒng)。而這一進(jìn)程必須與提升電能轉(zhuǎn)換效率同步推進(jìn)，即便是百分之一的效率提升，也能讓發(fā)電得到更高效的利用。

碳化硅器件正是現(xiàn)代化電力能源基礎(chǔ)設(shè)施的核心，其憑借寬禁帶、高臨界電場(chǎng)、優(yōu)異導(dǎo)熱率等本征材料優(yōu)勢(shì)，可在高溫、高壓工況下高效運(yùn)行。

碳化硅超結(jié)器件結(jié)構(gòu)

在碳化硅器件的各類架構(gòu)中，超結(jié)結(jié)構(gòu)備受關(guān)注，它是打破導(dǎo)通電阻與擊穿電壓長(zhǎng)期權(quán)衡關(guān)系的關(guān)鍵方案，而這一權(quán)衡關(guān)系一直是制約傳統(tǒng)器件性能的瓶頸。

在可再生能源變流器、電動(dòng)汽車逆變器等中壓系統(tǒng)中，導(dǎo)通電阻的小幅降低就能帶來系統(tǒng)級(jí)的效率提升。但碳化硅超結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化難度極大，溝槽填充外延、溝槽側(cè)壁離子注入、反復(fù)外延生長(zhǎng)與離子注入等工藝對(duì)制造偏差高度敏感，實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本高、周期長(zhǎng)。因此理論仿真評(píng)估不可或缺，可靠的計(jì)算模型可加速設(shè)計(jì)迭代、明確物理極限，為高效、低成本制造奠定基礎(chǔ)。

圖1。SiC超結(jié)器件的反向截面圖 偏見。面板（a）和（b）展示了帶柱子的全超連接結(jié)構(gòu) 貫穿整個(gè)漂移層，而（c）表示一個(gè) 半超交匯結(jié)構(gòu)，柱子部分延伸至 漂移層位于一個(gè)額外的漂移區(qū)域之上。

圖2。沖擊電離各向異性 SiC超交匯中的擊穿路徑。（a） 電子撞擊電離為 沿a軸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于c軸， 強(qiáng)調(diào)晶體各向異性的重要性。（b） 強(qiáng)壯 電場(chǎng)集中出現(xiàn)在柱心和界面附近， 擊穿路徑通常沿這些高場(chǎng)區(qū)域延伸。

超結(jié)結(jié)構(gòu)最初為全超結(jié)：N 型與 P 型柱貫穿整個(gè)漂移層；后續(xù)衍生出半超結(jié)：柱體僅部分延伸至漂移層，下方保留額外漂移區(qū)。

全超結(jié)的設(shè)計(jì)空間已被充分研究，但其制造工藝極為復(fù)雜，需多次高能離子注入結(jié)合外延生長(zhǎng)或溝槽填充外延。相比之下，半超結(jié)更適合實(shí)際器件應(yīng)用，但其理論研究卻相對(duì)匱乏，羅姆正是針對(duì)這一空白，研發(fā)出可突破傳統(tǒng)性能極限的非對(duì)稱碳化硅超結(jié)器件。

碰撞電離各向異性：被忽視的關(guān)鍵因素

碳化硅超結(jié)研究中，碰撞電離各向異性是常被忽略卻至關(guān)重要的因素。傳統(tǒng)優(yōu)化研究將碰撞電離視為各向同性，導(dǎo)致理論與實(shí)際器件物理特性存在顯著偏差。精準(zhǔn)捕捉各向異性，是合理預(yù)測(cè)耐壓能力、明確超結(jié)器件真實(shí)性能極限的核心，尤其在平衡導(dǎo)通電阻與耐壓特性時(shí)必不可少。

與硅材料不同，碳化硅的碰撞電離系數(shù)具有顯著的晶體各向異性，源于其晶體結(jié)構(gòu)：產(chǎn)生載流子所需的激發(fā)能隨晶體方向大幅變化，電子與空穴的雪崩產(chǎn)生率在 [0001] 晶向與 [11-20] 晶向等不同軸向上差異明顯。a 軸方向的電子碰撞電離系數(shù)遠(yuǎn)大于 c 軸，受此影響，碳化硅器件的雪崩擊穿會(huì)早于傳統(tǒng)各向同性模型的預(yù)測(cè)值。

圖3。通過以下方式實(shí)現(xiàn)半超交匯性能提升 非對(duì)稱調(diào)諧幾何形狀。n柱的比例為0.5 對(duì)應(yīng)于完美對(duì)稱情況，定義了 傳統(tǒng)性能最優(yōu)。非對(duì)稱幾何形狀，N柱更寬、P柱更窄，能進(jìn)一步降低比導(dǎo)向阻力，超出對(duì)稱極限。

因此，在評(píng)估碳化硅器件臨界電場(chǎng)附近的特性時(shí)，必須嚴(yán)格考慮碰撞電離各向異性。

超結(jié)器件中，N 型與 P 型柱交替形成二維電場(chǎng)分布，柱間電荷補(bǔ)償引發(fā)橫向耗盡，在柱界面形成強(qiáng)電場(chǎng)峰值，該峰值與各向異性碰撞電離過程強(qiáng)耦合。

在此條件下，器件存在多種擊穿路徑：可沿 N 型 / P 型柱中心，或沿柱界面蜿蜒路徑（局部電場(chǎng)高度集中）。蜿蜒路徑最易引發(fā)提前擊穿，這是碳化硅超結(jié)中 a 軸方向強(qiáng)電場(chǎng)與碰撞電離系數(shù)強(qiáng)各向異性共同作用的結(jié)果。

若仿真或理論模型忽略各向異性，會(huì)高估器件耐壓值，因?yàn)榻缑媛窂降膶?shí)際電離率遠(yuǎn)高于各向同性模型的假設(shè)值。忽略各向異性的優(yōu)化研究，會(huì)得出關(guān)于碳化硅超結(jié)性能上限的錯(cuò)誤結(jié)論。因此，在制造前精準(zhǔn)建模各向異性碰撞電離與超結(jié)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的相互作用，是實(shí)現(xiàn)有效設(shè)計(jì)與優(yōu)化的前提。

圖4。最大比電阻增強(qiáng)由以下方式獲得 不同電壓等級(jí)的非對(duì)稱幾何。全電壓 與傳統(tǒng)課程相比，職業(yè)表現(xiàn)顯著提升 優(yōu)化對(duì)稱半交，最佳情況出現(xiàn)在 N柱比例為0.9。

圖5。降低比導(dǎo)通電阻的機(jī)制 非對(duì)稱半超交及其對(duì)路障的影響。（a） 具體 當(dāng)P柱摻雜密度和N柱增加時(shí)，導(dǎo)通阻力會(huì)提升 摻雜密度降低，關(guān)鍵因素包括 摻雜、不完全電離、遷移率和柱寬圖圖 相對(duì)于對(duì)稱情況。（b） 盡管有這些變化， 柱界面的電場(chǎng)濃度基本保持不變 與N柱比例保持不變，使器件能夠維持擊穿電壓，同時(shí)降低比導(dǎo)通電阻。

突破對(duì)稱設(shè)計(jì)局限

傳統(tǒng)碳化硅超結(jié)的理論與 TCAD 分析，均默認(rèn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)：柱寬相等、摻雜濃度匹配，這種假設(shè)簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)計(jì)算，電荷平衡易滿足、解析處理更簡(jiǎn)便。但實(shí)際器件很難保持理想對(duì)稱，制造工藝不可避免地帶來幾何與摻雜偏差。

實(shí)際應(yīng)用中，非對(duì)稱特性同時(shí)影響導(dǎo)通電阻與耐壓值。例如：加寬 N 型柱可提升導(dǎo)電性、降低電阻，但會(huì)破壞電荷平衡，加劇 N 型柱頂部中心的電場(chǎng)集中；而 N 型與 P 型柱的摻雜濃度差異，會(huì)進(jìn)一步放大電場(chǎng)局部集中效應(yīng)。

這些因素共同決定器件實(shí)際性能，因此預(yù)測(cè)模型必須物理自洽地納入這些參數(shù)。盡管已有研究探討非對(duì)稱半超結(jié)的導(dǎo)通電阻 - 耐壓權(quán)衡關(guān)系，但未系統(tǒng)揭示碰撞電離各向異性的作用。

羅姆團(tuán)隊(duì)此前已建立考慮碰撞電離各向異性的對(duì)稱半超結(jié)理論模型，明確了對(duì)稱結(jié)構(gòu)的性能極限，但對(duì)稱僅為特殊情況。要精準(zhǔn)反映實(shí)際器件，必須建立可處理任意非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的通用框架，揭示對(duì)稱偏差對(duì)靜態(tài)性能的影響，定義對(duì)稱區(qū)間之外導(dǎo)通電阻與耐壓的可實(shí)現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。

統(tǒng)一計(jì)算框架

羅姆團(tuán)隊(duì)的核心突破是開發(fā)了可評(píng)估任意幾何非對(duì)稱碳化硅超結(jié)性能的統(tǒng)一計(jì)算框架，其核心是泊松方程的精確解，可給出電場(chǎng)分布隨位置、摻雜濃度、柱寬變化的解析表達(dá)式，無需依賴耗時(shí)的離散數(shù)值計(jì)算，即可快速量化耐壓值。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了導(dǎo)通電阻的解析公式，納入了摻雜劑不完全電離、摻雜相關(guān)的遷移率退化等實(shí)際效應(yīng)。

結(jié)合上述公式，普通 CPU 即可在數(shù)秒內(nèi)完成寬設(shè)計(jì)空間內(nèi)導(dǎo)通電阻與耐壓權(quán)衡關(guān)系的分析，而傳統(tǒng) TCAD 仿真需耗時(shí)數(shù)小時(shí)。

該統(tǒng)一模型兼具計(jì)算效率與物理清晰度，可揭示幾何參數(shù)與摻雜濃度如何共同塑造電場(chǎng)分布，明確擊穿與導(dǎo)通的主導(dǎo)因素，成為制造前設(shè)計(jì)優(yōu)化的強(qiáng)大工具，支持快速探索器件結(jié)構(gòu)，為工藝工程師提供精準(zhǔn)理論指導(dǎo)。

非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

基于統(tǒng)一計(jì)算模型，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了幾何非對(duì)稱對(duì)導(dǎo)通電阻 - 耐壓關(guān)系的影響，結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)的非對(duì)稱半超結(jié)性能優(yōu)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)極限。

以耐壓 3.2kV、柱間距 6μm 的對(duì)稱與非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)比為例：N 型柱占比（N 型柱寬 / 總柱寬）為 0.5 時(shí)是理想對(duì)稱狀態(tài)，也是傳統(tǒng)對(duì)稱半超結(jié)的理論最優(yōu)值；加寬 N 型柱、縮窄 P 型柱，可在不損失耐壓的前提下降低導(dǎo)通電阻，最大降幅較對(duì)稱最優(yōu)值達(dá) 16%，當(dāng) N 型柱占比為 0.9（P 型柱極窄）時(shí)增益最大。

該分析拓展至多個(gè)電壓等級(jí)后顯示：所有電壓等級(jí)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通電阻均較傳統(tǒng)優(yōu)化對(duì)稱半超結(jié)顯著改善，最優(yōu)增益均出現(xiàn)在 N 型柱占比 0.9 時(shí)，其中 2.2kV 器件提升最顯著，導(dǎo)通電阻降低 19%。

性能提升的物理機(jī)制

以 3.2kV 器件為例，N 型柱占比增大時(shí)，提高 P 型柱摻雜濃度、降低 N 型柱摻雜濃度，可在寬 N 型柱、窄 P 型柱構(gòu)型下維持電荷平衡。

1. N 型柱加寬增大了載流子導(dǎo)通截面積，提升導(dǎo)電性、降低導(dǎo)通電阻；

2. 降低 N 型柱摻雜、提高 P 型柱摻雜以維持電荷平衡，可抑制不完全電離，提升室溫下載流子濃度；

3. 該摻雜調(diào)整還能提高電子遷移率，進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。

這些正面效應(yīng)疊加，抵消了 N 型柱摻雜降低帶來的電阻上升，最終實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻的整體優(yōu)化。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定超結(jié)區(qū)的電場(chǎng)分布。計(jì)算表明，優(yōu)化后半超結(jié)的擊穿主導(dǎo)因素是 P-N 柱界面的電場(chǎng)集中，而在 N 型柱占比變化范圍內(nèi)，碳化硅 a 軸、c 軸電場(chǎng)分量及總場(chǎng)強(qiáng)基本保持不變，這意味著高度非對(duì)稱結(jié)構(gòu)仍能維持穩(wěn)定的耐壓值。

總結(jié)與展望

非對(duì)稱碳化硅半超結(jié)器件可在保持與對(duì)稱設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)母邠舸╇妷旱耐瑫r(shí)，顯著降低導(dǎo)通電阻。這一結(jié)論證明，幾何結(jié)構(gòu)是提升碳化硅超結(jié)性能的強(qiáng)大設(shè)計(jì)變量，結(jié)合各向異性建模與非對(duì)稱設(shè)計(jì)，將深刻影響碳化硅超結(jié)的未來發(fā)展，指導(dǎo)分立器件路線圖與量產(chǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則。

制造商在開發(fā)早期嵌入該計(jì)算框架，可縮短迭代周期、降低工藝風(fēng)險(xiǎn)，探索僅靠實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本過高的高壓工作區(qū)間。

本研究基于新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）資助項(xiàng)目 JPNP21014 的研究成果。