通過打破傳統性能極限，非對稱碳化硅（SiC）超結器件顯著提升了電能轉換效率。

本文作者：羅姆株式會社 飯田大輔、白木宏明、奧山訓、森誠悟、中野雄喜

在電動汽車普及與數據中心用電需求激增的推動下，全球電力消耗正快速攀升。為在增加電力供應的同時降低碳排放，各國正大力發展可再生能源系統。而這一進程必須與提升電能轉換效率同步推進，即便是百分之一的效率提升，也能讓發電得到更高效的利用。

碳化硅器件正是現代化電力能源基礎設施的核心，其憑借寬禁帶、高臨界電場、優異導熱率等本征材料優勢，可在高溫、高壓工況下高效運行。

碳化硅超結器件結構

在碳化硅器件的各類架構中，超結結構備受關注，它是打破導通電阻與擊穿電壓長期權衡關系的關鍵方案，而這一權衡關系一直是制約傳統器件性能的瓶頸。

在可再生能源變流器、電動汽車逆變器等中壓系統中，導通電阻的小幅降低就能帶來系統級的效率提升。但碳化硅超結結構的優化難度極大，溝槽填充外延、溝槽側壁離子注入、反復外延生長與離子注入等工藝對制造偏差高度敏感，實驗試錯成本高、周期長。因此理論仿真評估不可或缺，可靠的計算模型可加速設計迭代、明確物理極限，為高效、低成本制造奠定基礎。

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

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軸強度遠大于c軸， 強調晶體各向異性的重要性。（b） 強壯 電場集中出現在柱心和界面附近， 擊穿路徑通常沿這些高場區域延伸。

超結結構最初為全超結：N 型與 P 型柱貫穿整個漂移層；后續衍生出半超結：柱體僅部分延伸至漂移層，下方保留額外漂移區。

全超結的設計空間已被充分研究，但其制造工藝極為復雜，需多次高能離子注入結合外延生長或溝槽填充外延。相比之下，半超結更適合實際器件應用，但其理論研究卻相對匱乏，羅姆正是針對這一空白，研發出可突破傳統性能極限的非對稱碳化硅超結器件。

碰撞電離各向異性：被忽視的關鍵因素

碳化硅超結研究中，碰撞電離各向異性是常被忽略卻至關重要的因素。傳統優化研究將碰撞電離視為各向同性，導致理論與實際器件物理特性存在顯著偏差。精準捕捉各向異性，是合理預測耐壓能力、明確超結器件真實性能極限的核心，尤其在平衡導通電阻與耐壓特性時必不可少。

與硅材料不同，碳化硅的碰撞電離系數具有顯著的晶體各向異性，源于其晶體結構：產生載流子所需的激發能隨晶體方向大幅變化，電子與空穴的雪崩產生率在 [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遠大于 c 軸，受此影響，碳化硅器件的雪崩擊穿會早于傳統各向同性模型的預測值。

圖3。通過以下方式實現半超交匯性能提升 非對稱調諧幾何形狀。n柱的比例為0.5 對應于完美對稱情況，定義了 傳統性能最優。非對稱幾何形狀，N柱更寬、P柱更窄，能進一步降低比導向阻力，超出對稱極限。

因此，在評估碳化硅器件臨界電場附近的特性時，必須嚴格考慮碰撞電離各向異性。

超結器件中，N 型與 P 型柱交替形成二維電場分布，柱間電荷補償引發橫向耗盡，在柱界面形成強電場峰值，該峰值與各向異性碰撞電離過程強耦合。

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（局部電場高度集中）。蜿蜒路徑最易引發提前擊穿，這是碳化硅超結中 a 軸方向強電場與碰撞電離系數強各向異性共同作用的結果。

若仿真或理論模型忽略各向異性，會高估器件耐壓值，因為界面路徑的實際電離率遠高于各向同性模型的假設值。忽略各向異性的優化研究，會得出關于碳化硅超結性能上限的錯誤結論。因此，在制造前精準建模各向異性碰撞電離與超結電場結構的相互作用，是實現有效設計與優化的前提。

圖4。最大比電阻增強由以下方式獲得 不同電壓等級的非對稱幾何。全電壓 與傳統課程相比，職業表現顯著提升 優化對稱半交，最佳情況出現在 N柱比例為0.9。

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

突破對稱設計局限

傳統碳化硅超結的理論與 TCAD 分析，均默認對稱結構：柱寬相等、摻雜濃度匹配，這種假設簡化了數學計算，電荷平衡易滿足、解析處理更簡便。但實際器件很難保持理想對稱，制造工藝不可避免地帶來幾何與摻雜偏差。

實際應用中，非對稱特性同時影響導通電阻與耐壓值。例如：加寬 N 型柱可提升導電性、降低電阻，但會破壞電荷平衡，加劇 N 型柱頂部中心的電場集中；而 N 型與 P 型柱的摻雜濃度差異，會進一步放大電場局部集中效應。

這些因素共同決定器件實際性能，因此預測模型必須物理自洽地納入這些參數。盡管已有研究探討非對稱半超結的導通電阻 - 耐壓權衡關系，但未系統揭示碰撞電離各向異性的作用。

羅姆團隊此前已建立考慮碰撞電離各向異性的對稱半超結理論模型，明確了對稱結構的性能極限，但對稱僅為特殊情況。要精準反映實際器件，必須建立可處理任意非對稱結構的通用框架，揭示對稱偏差對靜態性能的影響，定義對稱區間之外導通電阻與耐壓的可實現權衡關系。

統一計算框架

羅姆團隊的核心突破是開發了可評估任意幾何非對稱碳化硅超結性能的統一計算框架，其核心是泊松方程的精確解，可給出電場分布隨位置、摻雜濃度、柱寬變化的解析表達式，無需依賴耗時的離散數值計算，即可快速量化耐壓值。

同時，團隊構建了導通電阻的解析公式，納入了摻雜劑不完全電離、摻雜相關的遷移率退化等實際效應。

結合上述公式，普通 CPU 即可在數秒內完成寬設計空間內導通電阻與耐壓權衡關系的分析，而傳統 TCAD 仿真需耗時數小時。

該統一模型兼具計算效率與物理清晰度，可揭示幾何參數與摻雜濃度如何共同塑造電場分布，明確擊穿與導通的主導因素，成為制造前設計優化的強大工具，支持快速探索器件結構，為工藝工程師提供精準理論指導。

非對稱結構的優勢

基于統一計算模型，團隊系統研究了幾何非對稱對導通電阻 - 耐壓關系的影響，結果表明：優化設計的非對稱半超結性能優于對稱結構，突破了傳統設計極限。

以耐壓 3.2kV、柱間距 6μm 的對稱與非對稱結構對比為例：N 型柱占比（N 型柱寬 / 總柱寬）為 0.5 時是理想對稱狀態，也是傳統對稱半超結的理論最優值；加寬 N 型柱、縮窄 P 型柱，可在不損失耐壓的前提下降低導通電阻，最大降幅較對稱最優值達 16%，當 N 型柱占比為 0.9（P 型柱極窄）時增益最大。

該分析拓展至多個電壓等級后顯示：所有電壓等級的非對稱結構，導通電阻均較傳統優化對稱半超結顯著改善，最優增益均出現在 N 型柱占比 0.9 時，其中 2.2kV 器件提升最顯著，導通電阻降低 19%。

性能提升的物理機制

以 3.2kV 器件為例，N 型柱占比增大時，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 型柱構型下維持電荷平衡。

1. N 型柱加寬增大了載流子導通截面積，提升導電性、降低導通電阻；

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. 該摻雜調整還能提高電子遷移率，進一步降低導通電阻。

這些正面效應疊加，抵消了 N 型柱摻雜降低帶來的電阻上升，最終實現非對稱結構導通電阻的整體優化。

優化設計的另一優勢是穩定超結區的電場分布。計算表明，優化后半超結的擊穿主導因素是 P-N 柱界面的電場集中，而在 N 型柱占比變化范圍內，碳化硅 a 軸、c 軸電場分量及總場強基本保持不變，這意味著高度非對稱結構仍能維持穩定的耐壓值。

總結與展望

非對稱碳化硅半超結器件可在保持與對稱設計相當的高擊穿電壓的同時，顯著降低導通電阻。這一結論證明，幾何結構是提升碳化硅超結性能的強大設計變量，結合各向異性建模與非對稱設計，將深刻影響碳化硅超結的未來發展，指導分立器件路線圖與量產設計規則。

制造商在開發早期嵌入該計算框架，可縮短迭代周期、降低工藝風險，探索僅靠實驗試錯成本過高的高壓工作區間。

本研究基于新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）資助項目 JPNP21014 的研究成果。