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近日，日本京都大学研究团队成功开发出一款可在600°C高温下稳定运行的碳化硅（SiC）晶体管。该器件采用商业晶圆厂广泛使用的离子注入标准工艺制造，并透过创新的底栅极（bottom-gate）与双阱隔离结构设计，解决了长期困扰该领域的两大技术瓶颈——临界电压漂移与高温漏电问题。此项成果已发表于《APL Electronic Devices》期刊。
突破高温瓶颈：从基础研究走向实用化
碳化硅（SiC）具备宽能隙、高耐压与高热稳定性等特性，长期以来被视为制造极端环境电子元件的关键材料。然而，该领域的研究多年停留在基础阶段，未能转化为实用器件。京都大学的研究团队认为，根本原因在于学界一直试图将适用于硅材料的旧思维套用于这种性质截然不同的新材料上。
该论文第一作者金子光显（Mitsuaki Kaneko）表示：“我们的目标是开辟一条新路径，设计出能真正发挥SiC自身特性的互补型JFET。” 研究团队选择结型场效应晶体管（JFET） 作为研究重点。与依赖氧化层的MOSFET不同，JFET依靠埋入式半导体结工作，在高温下更具可靠性。
两大核心技术：底栅极控压，双阱隔离防漏
传统顶栅极结构JFET在高温下存在两个主要问题：一是临界电压难以控制，二是漏电流巨大。京都大学团队透过两项创新设计解决了这些难题：
1. 底栅极结构补偿“沟道效应”，精准控制临界电压
在离子注入工艺中，掺杂离子可能沿SiC晶格特定方向深入材料内部，形成“沟道效应”（channeling effect），导致实际掺杂分布偏离设计值，进而造成临界电压偏移。传统顶栅极结构下，这一偏差在高温时可能超过2V。
研究团队将栅极设置于通道下方，利用底栅极结构补偿离子注入造成的掺杂尾部效应，让通道区的电气特性更易受控制。实验结果显示，在400°C高温下，设计与实测临界电压的差距缩小至0.1V以内，改善幅度超过20倍。
2. 双阱隔离结构取代半绝缘衬底，从源头抑制漏电
传统设计依赖下方的半绝缘SiC衬底进行器件隔离，但该衬底在高温下会失去绝缘特性，导致漏电流在整个晶圆上蔓延。京都大学团队改用双阱（double-well）隔离结构，通过pn结隔离单个器件。这一改进使得剩余漏电流已接近SiC材料本身物理特性所决定的理论极限，几乎没有进一步优化的空间。
面向未来的挑战：从实验室走向实用
尽管实现了600°C下的稳定运行，该晶体管目前仍属“常开型”（normally-on）元件，即在未施加栅极电压时便处于导通状态，会产生待机功耗。要实现高效率逻辑电路，通常需要互补的常闭型（normally-off）元件构成。研究团队的下一阶段目标正是基于新结构设计常闭型器件，以构建低功耗互补电路。
此外，在通往实用化的道路上仍面临诸多挑战，包括：提高电路复杂度、推进晶圆级量产、确保封装材料和结构同样能承受极端高温等。
值得一提的是，美国NASA格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）在SiC高温电子领域有着深厚的研究积累。据报道，NASA曾让采用SiC JFET的集成电路在空气中以500°C运行超过一年，该电路包含超过175个晶体管；在模拟金星表面的环境中（460°C、9.3MPa压力），这些芯片在无任何防护下运行了60天。
然而，NASA的器件采用磊晶JFET与电阻元件构成的定制化制程。相比之下，京都大学团队通过离子注入技术实现了更高的器件工作温度，而离子注入已是主流晶圆厂广泛采用的标准制程，因此更有利于导入现有量产流程。
这类耐极端高温的电子元件潜在应用空间广阔。研究团队指出，其目标应用包括航空引擎燃烧室的实时监控（温度可达600°C以上）、石油与天然气钻探作业（周边温度约300°C）、以及深空探测等场景。若相关技术走向成熟，有望大幅减少对这些高温环境中电子设备进行冷却和热防护的沉重负担。
编辑：芯智讯-林子
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