全球首发！产学研联合啃下碳化硅超级结“硬骨头”

本报记者 张伟

双方历时5年联合技术攻关，协同晶圆代工厂芯联集成电路制造股份有限公司（以下简称“芯联集成”）进行工艺平台开发，率先实现前沿技术从实验室走向产业化突破。

9月7日，“破界·启新——碳化硅前沿技术分享暨碳化硅超级结MOSFET成果发布会”在上海张江科学城举行，源自瑶芯微（上海）电子科技股份有限公司（以下简称“瑶芯微电子”）与中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃团队在碳化硅超级结技术上的深度产学研合作成果——全球首款碳化硅超级结MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）产品进行全球首发。这意味着，中国企业在下一代碳化硅技术竞争中，正从“跟随对标”走向“原创突破”的全新阶段。

发布会现场

原创突破领先一步

功率器件是电能转换、控制与调节的核心芯片，是电力电子装置的基础。从材料构成角度来说，功率器件主要包括利用硅基材料以及宽禁带半导体材料（又称“第三代半导体材料”，包括碳化硅以及氮化镓）制备的产品。

碳化硅功率器件具备高耐压、低损耗、耐高温以及高频特性的优势，是实现电能高效转换的核心载体。目前已成为新能源汽车、数据中心800V供电架构、光伏储能、特高压输电等战略产业发展的核心关键器件。

根据市场调研机构Yole集团的数据，2025年全球碳化硅功率器件市场规模约37亿美元，预计到2030年将突破100亿美元。在市场竞争格局方面，目前碳化硅功率器件由海外企业主导，占据全球约80%的市场份额。我国作为全球最大的汽车、新能源、高端制造等电力电子应用国家，迫切需要本土的功率器件企业来支撑战略性产业的稳健发展。

现阶段，碳化硅功率器件主要包括平面型MOSFET以及沟槽型MOSFET。为进一步提升器件的功率密度与转换效率，超级结MOSFET技术被业界公认为下一代突破方向，从理论上为高压、超高压功率器件开辟出大幅提升性能的可行路径。但由于电荷平衡控制极难、工艺精度要求极高，该技术长期停留在实验室研究阶段。国内外科研机构和企业投入了大量资源进行技术攻关，但尚未出现具备产业化价值的成果。

瑶芯微电子与郝跃院士团队自2021年开展联合技术攻关，并协同晶圆代工厂芯联集成进行工艺平台开发，5年后，终于在碳化硅超级结技术上实现了原创突破。

碳化硅超级结MOSFET产品

啃下碳化硅超级结“硬骨头”

“最近几年，无论学术界还是产业界都亟需寻找下一个10年的技术路线，碳化硅超级结技术虽然已被广泛研究，但面临的很多技术瓶颈仍未攻克。历经艰苦攻关，我们在接二连三的问题中迎难而上，找到了解决方案并最终实现了产业化落地。”瑶芯微电子创始人、董事长郭亮良博士表示。

郭亮良毕业于西安电子科技大学微电子学和固体电子学专业，师从郝跃院士，有近20年半导体从业经验。2019年，郭亮良创立瑶芯微电子，深耕功率器件和传感器芯片领域。

在产品研发以及市场推广过程中，瑶芯微电子团队发现，客户对于器件功率密度提升、高温寿命耐久的需求越来越高，碳化硅超级结成为亟需攻克的技术方向。由此，瑶芯微电子与郝跃院士团队展开联合攻关。

郭亮良介绍，在过去5年中，郝院士团队和瑶芯微电子团队紧密配合，在理论模型建立、器件原型设计、工程落地、工艺调试与产品化等环节联合攻关。技术问题随时出现、研讨随时进行，最终，工艺节点逐项突破，碳化硅超级结MOSFET器件完成从实验室技术到产品化的跨越，器件综合性能实现突破性提升。

随着产学研合作的不断深化，瑶芯微电子与西安电子科技大学陆续建立了“车载碳化硅功率器件联合实验室”、“产学研合作基地”以及“研究生实践教育基地”，实现技术创新、产业应用与人才培育的深度融合。

瑶芯微电子工程师在实验室里监测数据

郝跃院士团队的碳化硅项目带头人、西安电子科技大学教授贾仁需表示，碳化硅超级结器件研发面临三大全球性难题：一是“算不准”，理论模型与实际工艺难适配；二是“找不到”，复杂结构导致多区域电场分布难协同；三是“做不出”，工艺波动导致结构设计难实现。

正是这三重困境长期制约着该技术的产业化进程。而通过此次产学研团队的深度协同，联合晶圆代工厂进行工艺开发，这些瓶颈被逐一攻克，最终实现了从“实验室概念”到“工程化产品”的跨越。

抢跑下一代碳化硅技术

“瑶芯微电子推出的1200V碳化硅超级结MOSFET，属于全球范围内率先完成产品化验证的碳化硅超级结器件。”郝跃院士评价说。

该器件的落地，需攻克多层外延厚度与掺杂精度控制、兆电子伏特量级高能离子注入实现深层P型区制备、窄元胞结构设计，以及核心的电荷平衡鲁棒性设计等关键技术——需将理想电荷平衡点拓展为可容忍工艺波动的设计安全区间，同时完成与之匹配的终端结构开发，实现设计与制造工艺的高度协同。

该产品的深层意义在于技术发展方式的转变。过往碳化硅功率器件的技术路线与产品规格由海外企业主导，国内多围绕成熟器件结构开展国产替代。超级结属于下一代器件结构，国内科研与产业团队将原理性技术突破转化为工程化产品，意味着我国已具备参与下一代功率器件技术路线竞争的能力。国产替代是现阶段基础任务，掌握原创器件结构、参与产品定义，则是产业迈向更高水平竞争的重要标志。

瑶芯微电子联合创始人、CTO陈开宇介绍，在量产方面，瑶芯微电子已与晶圆代工厂芯联集成紧密合作，首批客户将面向对功率密度要求严苛的数据中心高压直流供电系统以及AI服务器电源等领域。

瑶芯微电子联合创始人、CTO陈开宇手持最新成果

业内人士表示，海外头部企业均将碳化硅超级结定位为2027年至2031年的下一代主力技术路线。此次国产碳化硅超级结MOSFET的产品化落地，意味着在下一代技术起跑线上，中国企业已占得先机。

（受访者供图）