不对称结构造就更优异的碳化硅超结器件
通过打破传统性能极限，非对称 碳化硅 （SiC） 超结器件 显著提升了电能转换效率。
本文作者：罗姆株式会社 饭田大辅、白木宏明、奥山训、森诚悟、中野雄喜
在电动汽车普及与数据中心用电需求激增的推动下，全球电力消耗正快速攀升。为在增加电力供应的同时降低碳排放，各国正大力发展可再生能源系统。而这一进程必须与提升电能转换效率同步推进，即便是百分之一的效率提升，也能让发电得到更高效的利用。
碳化硅 器件正是现代化电力能源基础设施的核心，其凭借宽禁带、高临界电场、优异导热率等本征材料优势，可在高温、高压工况下高效运行。
碳化硅 超结器件 结构
在碳化硅器件的各类架构中，超结结构备受关注，它是打破导通电阻与击穿电压长期权衡关系的关键方案，而这一权衡关系一直是制约传统器件性能的瓶颈。
在可再生能源变流器、电动汽车逆变器等中压系统中，导通电阻的小幅降低就能带来系统级的效率提升。但碳化硅超结结构的优化难度极大，沟槽填充外延、沟槽侧壁离子注入、反复外延生长与离子注入等工艺对制造偏差高度敏感，实验试错成本高、周期长。因此理论仿真评估不可或缺，可靠的计算模型可加速设计迭代、明确物理极限，为高效、低成本制造奠定基础。
图1。SiC 超结器件 的反向截面图 偏见。面板（a）和（b）展示了带柱子的全超连接结构 贯穿整个漂移层，而（c）表示一个 半超交汇结构，柱子部分延伸至 漂移层位于一个额外的漂移区域之上。
图2。冲击电离各向异性 SiC超交汇中的击穿路径。（a） 电子撞击电离为 沿a轴强度远大于c轴， 强调晶体各向异性的重要性。（b） 强壮 电场集中出现在柱心和界面附近， 击穿路径通常沿这些高场区域延伸。
超结结构最初为全超结：N 型与 P 型柱贯穿整个漂移层；后续衍生出半超结：柱体仅部分延伸至漂移层，下方保留额外漂移区。
全超结的设计空间已被充分研究，但其制造工艺极为复杂，需多次高能离子注入结合外延生长或沟槽填充外延。相比之下，半超结更适合实际器件应用，但其理论研究却相对匮乏，罗姆正是针对这一空白，研发出可突破传统性能极限的非对称碳化硅超结器件。
碰撞电离各向异性：被忽视的关键因素
碳化硅超结研究中，碰撞电离各向异性是常被忽略却至关重要的因素。传统优化研究将碰撞电离视为各向同性，导致理论与实际器件物理特性存在显著偏差。精准捕捉各向异性，是合理预测耐压能力、明确超结器件真实性能极限的核心，尤其在平衡导通电阻与耐压特性时必不可少。
与硅材料不同，碳化硅的碰撞电离系数具有显著的晶体各向异性，源于其晶体结构：产生载流子所需的激发能随晶体方向大幅变化，电子与空穴的雪崩产生率在 [0001] 晶向与 [11-20] 晶向等不同轴向上差异明显。a 轴方向的电子碰撞电离系数远大于 c 轴，受此影响，碳化硅器件的雪崩击穿会早于传统各向同性模型的预测值。
图3。通过以下方式实现半超交汇性能提升 非对称调谐几何形状。n柱的比例为0.5 对应于完美对称情况，定义了 传统性能最优。非对称几何形状，N柱更宽 、P柱 更窄，能进一步降低比导向阻力，超出对称极限。
因此，在评估碳化硅器件临界电场附近的特性时，必须严格考虑碰撞电离各向异性。
超结器件中，N 型与 P 型柱交替形成二维电场分布，柱间电荷补偿引发横向耗尽，在柱界面形成强电场峰值，该峰值与各向异性碰撞电离过程强耦合。
在此条件下，器件存在多种击穿路径：可沿 N 型 / P 型柱中心，或沿柱界面蜿蜒路径（局部电场高度集中）。蜿蜒路径最易引发提前击穿，这是碳化硅超结中 a 轴方向强电场与碰撞电离系数强各向异性共同作用的结果。
若仿真或理论模型忽略各向异性，会高估器件耐压值，因为界面路径的实际电离率远高于各向同性模型的假设值。忽略各向异性的优化研究，会得出关于碳化硅超结性能上限的错误结论。因此，在制造前精准建模各向异性碰撞电离与超结电场结构的相互作用，是实现有效设计与优化的前提。
图4。最大比电阻增强由以下方式获得 不同电压等级的非对称几何。全电压 与传统课程相比，职业表现显著提升 优化对称半交，最佳情况出现在 N柱比例为0.9。
图5。降低比导通电阻的机制 非对称半超交及其对路障的影响。（a） 具体 当P柱摻杂密度和N柱增加时，导通阻力会提升 掺杂密度降低，关键因素包括 掺杂、不完全电离、迁移率和柱宽图图 相对于对称情况。（b） 尽管有这些变化， 柱界面的电场浓度基本保持不变 与N柱比例保持不变，使器件能够维持击穿电压，同时降低比导通电阻。
突破对称设计局限
传统碳化硅超结的理论与 TCAD 分析，均默认对称结构：柱宽相等、掺杂浓度匹配，这种假设简化了数学计算，电荷平衡易满足、解析处理更简便。但实际器件很难保持理想对称，制造工艺不可避免地带来几何与掺杂偏差。
实际应用中，非对称特性同时影响导通电阻与耐压值。例如：加宽 N 型柱可提升导电性、降低电阻，但会破坏电荷平衡，加剧 N 型柱顶部中心的电场集中；而 N 型与 P 型柱的掺杂浓度差异，会进一步放大电场局部集中效应。
这些因素共同决定器件实际性能，因此预测模型必须物理自洽地纳入这些参数。尽管已有研究探讨非对称半超结的导通电阻 - 耐压权衡关系，但未系统揭示碰撞电离各向异性的作用。
罗姆团队此前已建立考虑碰撞电离各向异性的对称半超结理论模型，明确了对称结构的性能极限，但对称仅为特殊情况。要精准反映实际器件，必须建立可处理任意非对称结构的通用框架，揭示对称偏差对静态性能的影响，定义对称区间之外导通电阻与耐压的可实现权衡关系。
统一计算框架
罗姆团队的核心突破是开发了可评估任意几何非对称碳化硅超结性能的统一计算框架，其核心是泊松方程的精确解，可给出电场分布随位置、掺杂浓度、柱宽变化的解析表达式，无需依赖耗时的离散数值计算，即可快速量化耐压值。
同时，团队构建了导通电阻的解析公式，纳入了掺杂剂不完全电离、掺杂相关的迁移率退化等实际效应。
结合上述公式，普通 CPU 即可在数秒内完成宽设计空间内导通电阻与耐压权衡关系的分析，而传统 TCAD 仿真需耗时数小时。
该统一模型兼具计算效率与物理清晰度，可揭示几何参数与掺杂浓度如何共同塑造电场分布，明确击穿与导通的主导因素，成为制造前设计优化的强大工具，支持快速探索器件结构，为工艺工程师提供精准理论指导。
非对称结构的优势
基于统一计算模型，团队系统研究了几何非对称对导通电阻 - 耐压关系的影响，结果表明：优化设计的非对称半超结性能优于对称结构，突破了传统设计极限。
以耐压 3.2kV、柱间距 6μm 的对称与非对称结构对比为例：N 型柱占比（N 型柱宽 / 总柱宽）为 0.5 时是理想对称状态，也是传统对称半超结的理论最优值；加宽 N 型柱、缩窄 P 型柱，可在不损失耐压的前提下降低导通电阻，最大降幅较对称最优值达 16%，当 N 型柱占比为 0.9（P 型柱极窄）时增益最大。
该分析拓展至多个电压等级后显示：所有电压等级的非对称结构，导通电阻均较传统优化对称半超结显著改善，最优增益均出现在 N 型柱占比 0.9 时，其中 2.2kV 器件提升最显著，导通电阻降低 19%。
性能提升的物理机制
以 3.2kV 器件为例，N 型柱占比增大时，提高 P 型柱掺杂浓度、降低 N 型柱掺杂浓度，可在宽 N 型柱、窄 P 型柱构型下维持电荷平衡。
N 型柱加宽增大了载流子导通截面积，提升导电性、降低导通电阻；
降低 N 型柱掺杂、提高 P 型柱掺杂以维持电荷平衡，可抑制不完全电离，提升室温下载流子浓度；
该掺杂调整还能提高电子迁移率，进一步降低导通电阻。
这些正面效应叠加，抵消了 N 型柱掺杂降低带来的电阻上升，最终实现非对称结构导通电阻的整体优化。
优化设计的另一优势是稳定超结区的电场分布。计算表明，优化后半超结的击穿主导因素是 P-N 柱界面的电场集中，而在 N 型柱占比变化范围内，碳化硅 a 轴、c 轴电场分量及总场强基本保持不变，这意味着高度非对称结构仍能维持稳定的耐压值。
总结与展望
非对称碳化硅半超结器件可在保持与对称设计相当的高击穿电压的同时，显著降低导通电阻。这一结论证明，几何结构是提升碳化硅超结性能的强大设计变量，结合各向异性建模与非对称设计，将深刻影响碳化硅超结的未来发展，指导分立器件路线图与量产设计规则。
制造商在开发早期嵌入该计算框架，可缩短迭代周期、降低工艺风险，探索仅靠实验试错成本过高的高压工作区间。
本研究基于新能源产业技术综合开发机构（NEDO）资助项目 JPNP21014 的研究成果。