京都大学研发新型碳化硅晶体管：标准离子注入工艺，可在600℃下工作

近日，京都大学工学研究科的研究团队开发出一种新型碳化硅结型场效应晶体管，在600℃高温下仍能稳定运作，且制造流程与商业晶圆厂普遍采用的离子注入标准完全兼容。

（京都大学新闻稿标题）

与产业接轨

碳化硅作为宽带隙半导体材料，其耐高温特性早已被学界认可。然而，将SiC晶体管从论文图表变为可在极端环境中可靠运行的实用器件，长期面临两个核心瓶颈。其一是阈值电压的精确控制问题——这是集成电路设计中最基础的参数之一，直接决定晶体管能否按设计意图在“开”与“关”之间切换；其二是高温漏电流问题——温度升高后，电流会从本应绝缘的基板泄漏，导致器件误动作甚至整体失效。

京都大学金子光顕副教授、柴田峻弥硕士研究生与木本恒畅教授组成的研究团队，选择了一条与主流半导体产业接轨的技术路线。他们没有依赖定制外延工艺，而是采用芯片工厂日常使用的离子注入掺杂技术来制备器件。在此基础上，团队引入了两种结构创新：将栅极电极置于沟道下方的“底栅结构”，以及利用pn结实现器件电气隔离的“双阱结构”。

实验数据显示，在400℃环境下，该晶体管的设计阈值电压与实际测量值之间的差距被压缩到了0.1伏特以下，而传统顶栅布局的偏差通常超过2伏特。与此同时，漏电流被大幅抑制，其数值已接近由SiC材料自身物性决定的理论下限，这意味着在器件层面几乎没有进一步优化的空间。这一成果于2026年8月17日在线发表于美国物理联合会旗下期刊《APL Electronic Devices》，并同时被选为该刊的"特色文章"以及美国物理联合会出版社"科学之光"栏目的亮点论文。

（SiC结型晶体管研究成果示意图）

底栅与双阱：破解高温难题

离子注入是现代芯片制造的标准工序，通过电场加速将特定元素的离子打入半导体晶圆，以局部改变材料的导电类型。但在SiC中执行这一步骤时，杂质离子可能沿着晶体原子排列的间隙“滑”到比预期更深的区域，这种现象被称为“沟道效应”。在传统顶栅结构中，这些深潜的掺杂剂会扭曲沟道区的电场分布，导致阈值电压严重偏离设计目标。

底栅结构的核心思路是将栅极从沟道上方移至下方。这样一来，那些因沟道效应而深入晶圆的杂质反而被纳入栅极的有效控制范围内，沟道尾部的电场畸变得以补偿。研究团队指出，这种布局显著改善了阈值电压的可控性，让离子注入这一成熟工艺能够直接服务于高温SiC器件的精密制造。

高温漏电流的解决则依赖于双阱结构。传统SiC高温器件通常依托半绝缘性基板实现晶体管之间的电气隔离，但这种基板在温度攀升时会逐渐丧失绝缘特性，成为漏电流的通路。双阱结构摒弃了对基板绝缘性的依赖，转而在每个器件周围构建pn结隔离墙。pn结的反向偏置特性在高温下依然稳定，从而将漏电流锁死在极低水平。团队解析剩余漏电流的温度依赖性后发现，其数值已逼近SiC本征载流子浓度所决定的物理极限。

应用场景拓宽

一旦高温集成电路走向成熟，其应用前景将覆盖多个目前硅基电子无法触及的领域。

在航天探测方面，金星表面温度约460℃、大气压约为地球的92倍，且大气中含有腐蚀性硫和氟化合物。历史上，基于硅电子的金星着陆器通常只能存活数小时。NASA的“长寿命原位太阳系探测器”概念以及多项金星表面任务规划，都迫切需要能在极端环境中持续工作数周乃至数月的电子系统。SiC集成电路的成熟将从根本上改变行星探测的任务设计范式。

在工业领域，燃气轮机内部温度可达650℃，喷气发动机热端部件也在500℃以上运行。将传感器与信号处理电路直接嵌入这些高温区域，可实现燃烧状态的实时闭环控制，从而提升燃油效率、降低排放。地热井和深油井的温度范围从300℃到600℃不等，孔内传感模块的部署将大幅提升资源勘探与过程控制的精度。

从晶体管到电路：尚未实现

需要指出的是，此次验证的晶体管目前属于"常开型"器件，即在不施加栅极电压时自然导通并消耗待机功率。要构建真正实用的低功耗逻辑电路，必须实现"常关型"互补结型场效应晶体管对——也就是在不加电时处于关断状态的n型和p型晶体管组合。木本恒畅教授的团队此前已在350℃下演示过互补碳化硅结型场效应晶体管逻辑门，下一步计划是将底栅与双阱结构拓展至常关型器件设计，最终目标是实现低功耗的互补型结型场效应晶体管集成电路。

此外，从单颗晶体管到可部署的系统，仍有大量工程挑战待解。长时间高温环境下的可靠性评估、耐热封装与布线材料的开发、以及多芯片模块的互连技术，都是通往喷气发动机或金星着陆器之前必须攻克的关卡。