近日，功率半导体器件领域的顶级会议IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)在日本熊本市举行。本届ISPSD共收到论文投稿350篇，录用176篇，其中口头报告录用58篇。复旦大学智能机器人与先进制造创新学院的题为《Comparative Study of Different Layouts for 1.7kV Charge-Balance-Assisted SiC MOSFETs》的学术论文入选口头报告，于大会首日向国际功率器件与功率集成电路领域的同行展示了复旦大学在碳化硅功率半导体器件方向最新的研究成果。博士生段于涵为第一作者，上海碳化硅功率器件工程技术研究中心的张清纯教授、刘盼副教授、雷光寅研究员及工程师李敏博士参与指导该工作。

论文简介

碳化硅（SiC）MOSFET因其低功耗、高临界电场强度和优异的热导率，在高压高频应用中表现卓越。为降低导通损耗进一步提升能量转换效率，业界持续致力于在保证击穿电压（BV）的同时优化导通电阻（Ron）。降低Ron的方向之一是减小沟道电阻，具体措施包括：在氮气环境中进行氧化或后退火处理、采用积累型沟道或采用具有更高沟道迁移率的沟槽栅结构。然而当沟道电阻的优化趋于饱和时，Ron的进一步优化需依赖漂移区电阻的降低，这对高压功率器件尤为重要。电荷平衡技术成为降低Ron且不牺牲BV的有效方法，同时还可实现较低的电阻温度系数，其典型结构是在漂移区交替排列n/p柱结构的超结（SJ）器件。但由于碳化硅材料的特殊性，多次外延生长或沟槽回填等常用的超结结构制备工艺，在碳化硅基器件中面临严峻挑战。

基于电荷平衡理论，本研究创新性地通过优化离子注入工艺，设计并制备出两种不同布局的1.7kV 4H-SiC电荷平衡辅助SiC MOSFET器件（正交结构和平行结构）。相较于传统超结结构，该技术方案在保证性能的同时大幅降低了制造成本并简化了工艺流程。

图1 器件结构示意图及注入结果仿真

实验结果表明，所制备的正交结构和平行结构器件在维持约2.0kV击穿电压的前提下，Ron分别实现了19.61%和38.06%的显著降低，这一改进主要源于漂移区电阻的优化，且器件的转移特性并未受到影响。通过TCAD仿真分析证实，该结构阻断状态下的电场屏蔽有效抑制了漏致势垒降低效应。同时，这两种新型电荷平衡辅助MOSFET还展现出更优异的高频特性和开关性能。这项研究的突破性在于，仅通过对离子注入工艺的优化就实现了局部电荷平衡效果，规避了传统超结器件复杂的多层外延或沟槽填充工艺要求，为高压SiC功率器件的产业化提供了更具可行性的技术路线。

图2 器件性能实测结果

延伸阅读

IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 始于1987年，脱胎于IEDM，是功率半导体器件领域在国际上最重要、影响力最强的顶级学术会议，被认为是功率半导体器件和功率电路领域的“奥林匹克会议”，一直以来都是国内外半导体产业界龙头企业和全球知名学术科研机构争相发表和展示功率半导体前沿技术重要成果的舞台。会议以论文创新性和实用性强著称，每年吸引全球范围内大量学术界、工业界研发人员的关注和参与。历史上关于功率器件的众多重大进展均在ISPSD大会首次展示。会议内容涉及高压功率器件、低压功率器件、功率集成技术、SiC功率器件、GaN功率器件等方面。IEEE ISPSD在欧洲、北美、日本、其他地区轮流举办，2025年ISPSD在日本熊本市举办，2026年将在美国拉斯维加斯举办。

上海碳化硅功率器件工程技术研究中心（SiCPower）于2020年被上海市科委批准建立。通过和半导体器件生产和电力电子应用企业紧密合作，致力于研发宽禁带半导体，特别是碳化硅（SiC）材料为核心的新型功率器件、工艺和模块，加速下一代碳化硅基功率电子的广泛应用。

来源：智能机器人与先进制造创新学院

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