京都大学推出新型碳化硅晶体管

近日，有消息称，京都大学研究团队成功研发一款新型碳化硅（SiC）晶体管，器件采用产业标准离子注入工艺完成制造，能够在600℃（873K）极端高温条件下实现正常工作，为极端工况下的半导体电子系统提供全新技术路径。相关研究成果已正式发表在《APL Electronic Devices》期刊上。

碳化硅作为宽禁带半导体核心材料，凭借禁带宽度大、耐高温、耐高压、抗辐射等突出特性，一直被视作高温电子器件的理想载体。传统硅基半导体器件工作温度上限大多集中在175250℃区间，温度进一步升高后，本征载流子激增会带来严重漏电、参数漂移，器件功能快速失效，无法适配深空探测、深井油气勘探、航空发动机机载监测等超高温场景。尽管碳化硅材料本身理论上可以承受极高温度，但把材料优势转化为可实用的晶体管产品，长期面临两大现实工艺难题：一是离子注入掺杂带来的阈值电压控制精度差，二是高温环境下器件漏电流难以抑制，这也制约了高温碳化硅集成电路的落地推进。

本次京都大学研究团队没有选用特殊定制外延工艺，而是选择芯片制造产线普遍使用的离子注入工艺，该工艺兼容性强，为后续技术向产业端迁移打下基础。在器件架构选型上，团队采用结型场效应晶体管（JFET）架构，区别于市面上主流的MOSFET器件，JFET不存在栅氧化层，在高温环境下具备天然的可靠性优势，适合极端环境电路开发。针对传统结构痛点，团队做出关键结构创新，将栅极布置在导电沟道的下方，打造底栅（bottomgate）布局，以此解决离子注入工艺自带的“沟道效应”难题。

离子注入是半导体掺杂的核心手段，通过加速离子轰击晶圆，向指定区域掺入杂质原子，改变半导体导电属性。但在碳化硅晶体当中，部分掺杂离子会顺着晶体晶格通道，穿透预设目标深度，形成向后延伸的“沟道效应”尾部，造成掺杂分布  偏离设计预期。在传统顶栅JFET结构中，栅极位于沟道上方，很难对这部分超深度掺杂原子进行约束，会直接扭曲沟道区域电场分布，最终造成器件阈值电压实测值和设计值偏差超过2V，参数一致性差，集成电路设计很难开展。而全新的底栅布局，栅极设置在沟道下层，可以直接捕获因沟道效应发生偏移的掺杂原子，将这部分杂质纳入栅极的电场控制范围，抵消掺杂尾部带来的电场畸变。实测结果显示，经过结构优化之后，器件在400℃条件下阈值电压偏差被压缩至0.1V以内，参数可控性实现大幅提升，解决了离子注入工艺用于碳化硅高温器件的一大关键障碍。

解决阈值电压漂移之后，高温漏电是另一道必须翻越的关卡。过往不少碳化硅高温器件，依靠半绝缘碳化硅衬底完成器件之间的隔离。但半绝缘衬底的绝缘能力会随温度上升持续衰减，当温度来到数百摄氏度级别，衬底就会变成漏电通道，器件之间互相串扰，漏电流飙升，电路发生误动作甚至彻底失效。为破解该问题，研究团队引入双阱（doublewell）隔离结构，不再依赖衬底的绝缘性能，依靠pn结实现晶体管之间的电气隔离。pn结反向隔离特性在高温环境下依旧可以维持，把单颗器件封闭在独立阱区之内，阻断跨器件漏电通路，有效压制高温漏电流，保障器件在600℃高温环境下维持稳定开关特性。

两项结构创新叠加标准离子注入工艺，让这款新型SiCJFET兼顾耐高温性能与工艺可行性。从应用层面来看，600℃的工作温度，覆盖大量过去电子系统难以涉足的极端工况。在航天深空领域，可服务于行星表面探测载荷，应对星球表面的高温环境；在能源勘探行业，深井油气、地热钻探设备可以把信号处理电路放置在井下原位，省去长距离信号传输带来的损耗与干扰；航空发动机内部监测传感器、工业高温炉体监测、核能相关测控设备，同样是该器件的潜在落地方向。现阶段多数高温电子方案，需要搭配复杂庞大的冷却系统，把芯片和高温环境隔离开，整体体积、重量、成本居高不下。如果该类器件走向实用，就可以减少冷却部件，简化整机系统设计，提升装备可靠性。

值得注意的是，当前该器件还处于实验室原型阶段，依旧存在需要持续迭代完善的地方。本次实现的是耗尽型常通JFET，想要构建完整高温互补逻辑集成电路，还需要开发常关型器件，同时封装、互连、长期高温可靠性验证、良率提升等产业化环节，依旧需要大量工作推进。但这项研究最大价值在于，它证明利用现有成熟离子注入产线，通过器件结构创新，就能够制造出性能指标优异的超高温碳化硅晶体管，不需要完全重建一套专属特殊工艺，大幅降低后续产业转化的门槛。

放眼整个第三代半导体产业，行业目光多数聚焦新能源车、电网输配电等中高压功率器件赛道，高温极端环境电子属于相对小众却具备战略价值的分支。随着深空探索、深部资源开发、高端工业装备不断向前发展，市场对于可承受数百摄氏度高温的半导体器件需求正在持续增长。京都大学本次的研究，打通工艺与器件结构之间的矛盾，为碳化硅高温集成电路开辟出新的研发思路，后续随着原型器件持续优化迭代，未来有望推动极端环境电子装备实现跨越式升级。