研究论文

7 具有分裂高K金属栅的4H-SiC超结功率器件

功率器件是电力电子系统中实现电力转换及控制的核心器件，碳化硅（SiC）功率器件凭借更高的临界击穿电场强度（约10倍于硅器件）、优异的导热性能（热导率约为硅的3.3倍）以及高载流子饱和迁移速率等材料特性优势，已在新能源汽车、轨道交通、智能电网等高压高频应用场景中展现出显著性能提升，已成为功率器件领域研究的核心方向之一。然而，在碳化硅功率器件的设计中，一方面需解决击穿电压与比导通电阻之间的固有矛盾（高击穿电压要求增加漂移区长度或者降低漂移区浓度，而这会显著提升导通电阻）；另一方面需要考虑在高压工作条件下栅氧层因高峰值电场引发界面态密度增加而导致阈值电压漂移；也需要考虑高频开关下，器件动态损耗（主要包括开关过程中的栅极充电损耗和载流子拖尾效应）随着开关频率提升而加剧，会限制其在超高频场景下的能效优势。

 近日，南京邮电大学郭宇锋教授团队设计了一种具有分裂高K金属栅（HKSG）的4H-SiC超结MOS（SJMOS）器件。HKSG-SJMOS器件的核心特征在于采用高介电常数材料作为栅介质，同时该介质同时包裹源极连接的分裂栅与金属栅极，通过优化漂移区电场分布并构建低电阻导电通道，显著提升器件的击穿电压（BV）并降低比导通电阻（R_on,sp）。分裂栅被高K介质包裹的结构设计还能够有效抑制栅漏电容（C_gd）和栅漏电荷（Q_gd），从而显著优化开关特性。结果表明，与传统4H-SiC SJMOS器件相比，HKSG-SJMOS器件在FOM优值（定义为BV²/R_on,sp）上实现了110.5% 的提升，在高频优值HFFOM（定义为R_on,sp·C_gd）方面降低了93.6%。同时，开关导通损耗（E_on）和关断损耗（E_off）分别降低了38.3%和31.6%。此外，HKSG-SJMOS的反向恢复特性显著优于传统4H-SiC SJMOS，展现出更优的高频高功率应用潜力。

图1.（a）具有分裂高K金属栅的4H-SiC超结功率器件结构示意图，（b）常规4H-SiC超结功率器件结构示意图。

图2. 具有分裂高K金属栅的4H-SiC超结功率器件和常规4H-SiC超结功率器件的纵向电场分布和电容特性。

该文章以题为“4H-SiC superjunction MOSFET with integrated high-K gate dielectric and split gate”发表在Journal of Semiconductors上。

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4H-SiC superjunction MOSFET with integrated high-K gate dielectric and split gate

Jiafei Yao, Zhengfei Yang, Yuxuan Dai, Ziwei Hu, Man Li, Kemeng Yang, Jing Chen, Maolin Zhang, Jun Zhang, and Yufeng Guo

J. Semicond. 2025, 46(8), 082501 doi: 10.1088/1674-4926/25010005

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8 晶粒尺寸对多晶3C-SiC电阻率的影响

碳化硅（SiC）作为第三代半导体“明星材料”，具备耐高温、耐高压、高导热等特性，是新能源汽车、光伏逆变器、5G基站等高端器件的核心材料。其中3C-SiC立方晶型因电子迁移率高、可兼容硅基工艺等优势备受关注。然而，单晶SiC制备成本极高，而低成本的多晶SiC又面临性能不稳定的难题——相同工艺下，电阻率差异可达千倍。如何精准调控其电学性能，成为产业化的关键瓶颈。传统观点认为，掺杂浓度是影响电阻率的主因，但当掺杂浓度相近时（如10¹⁸ cm^-3量级），多晶SiC的电阻率仍存在巨大波动。

近日，山东大学韩吉胜教授课题组通过多尺度表征技术，发现其根源在于晶粒尺寸与晶界结构。他们选取8组掺杂浓度相同但电阻率差异显著的样品，通过电子背散射衍射（EBSD）扫描统计百微米尺度内数千晶粒的尺寸分布，首次证明晶粒尺寸是除掺杂外影响电阻率的最关键因素。当晶粒从1.44 μm增大至4.04 μm，电阻率可降低4个数量级。通过建模分析揭示电阻率（ρ）与平均晶粒尺寸（d）的定量规律：log(ρ)=−1.93+ 8.67/d。

这一规律为多晶SiC的性能可控化探索了道路，对促进SiC器件优化，成本管控和新材料设计起到了积极作用。

该文章以题为“Effect of grain size on the resistivity of polycrystalline 3C-SiC”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Effect of grain size on the resistivity of polycrystalline 3C-SiC

Guo Li, Lei Ge, Mingsheng Xu, Jisheng Han, and Xiangang Xu

J. Semicond. 2025, 46(8), 082502  doi: 10.1088/1674-4926/25020018

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9 SnO/β-Ga₂O₃异质结能带对准及其在功率器件应用中的电学特性研究

与SiC和GaN相比，新一代超宽禁带半导体材料β-Ga₂O₃由于超宽禁带（~4.8 eV）和超高理论击穿场强（8 MV/cm），在高压大功率器件领域展现出巨大应用前景。受限于p型可控掺杂的技术瓶颈，目前β-Ga₂O₃基功率器件的研究主要集中于β-Ga₂O₃与其它p型氧化物半导体的异质集成。

近日，合肥工业大学微电子学院吴春艳教授团队通过反应磁控溅射构建了垂直结构SnO/β-Ga₂O₃异质结二极管（HJD），基于XPS技术，系统表征了SnO/β-Ga₂O₃异质结的能带结构。结果表明，SnO/β-Ga₂O₃异质结呈Ⅱ型能带分布，理论内建电势 (qV_bi) 为0.75 eV，β-Ga₂O₃侧电子需克服约1.5 eV 的理论势垒 (V_a = V_bi + ΔE_c/q) 以注入SnO侧。这一数值远小于NiO/β-Ga₂O₃异质结的理论势垒，有望获得更低的开启电压 (V_on)。器件开启电压V_on为1.3 V，正向比导通电阻R_on,sp约2.8 mΩ·cm²，反向击穿电压BV达1675 V，揭示了在功率电子器件领域的应用潜力。

该文章以题为“Band alignment of SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction and its electrical properties for power device application”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Band alignment of SnO/β-Ga₂O₃ heterojunction and its electrical properties for power device application

Xia Wu, Chenyang Huang, Xiuxing Xu, Jun Wang, Xinwang Yao, Yanfang Liu, Xiujuan Wang, Chunyan Wu, Linbao Luo

J. Semicond. 2025, 46(8): 082503  doi: 10.1088/1674-4926/25020008

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10 一种面向有机半导体的离子掺杂剂的掺杂性能及热电器件应用研究

随着有机半导体在有机场效应晶体管、有机热电器件、有机光伏电池、有机发光二极管等领域的不断发展，相关器件的性能持续提升。然而，有机半导体在电子导电性方面仍存在明显短板，限制了其载流子传输能力和整体器件性能。掺杂技术为攻克这一难题提供了一种可能，正如掺杂技术对无机半导体发展起到的关键作用，该技术同样有望大幅改善有机半导体的电学性能。因此，开发适用于有机半导体的掺杂剂及掺杂技术对推动有机半导体器件的发展至关重要。然而，目前能够兼具高效率和广泛适用性的有机半导体掺杂剂依然稀缺，如何开发出新型高效、通用型离子掺杂剂，是实现高性能有机半导体器件的关键挑战。

湖南大学胡袁源教授团队与河北工业大学江浪教授团队合作，系统性地研究了离子型掺杂剂四（五氟苯基硼酸）4-异丙基-4'-甲基二苯基碘鎓盐（DPI-TPFB）在有机半导体中的掺杂性能及其热电应用。以p型高迁移率聚合物半导体PBBT-2T为模型体系，通过一系列光谱、电学和形貌表征证明：DPI-TPFB作为p型掺杂剂能够极大提升PBBT-2T的电子导电性，掺杂后其薄膜的导电率提升超过四个数量级。此外，DPI-TPFB显示出优异的通用性，既能有效掺杂多种p型有机半导体，甚至还可将n型材料N2200的导电型由n型转变为p型。进一步的研究显示，DPI-TPFB掺杂的PBBT-2T薄膜在有机场效应晶体管和有机热电器件中表现优异，热电器件的功率因子达到10 μW·m^-1·K^-2，体现了其在热电领域的应用潜力。

本研究首次系统揭示了DPI-TPFB这一离子型掺杂剂在提升有机半导体导电性及调控其电荷传输类型方面的巨大潜力。DPI-TPFB不仅展现出高效能与广谱适应性，有望助力有机半导体材料在高性能光电子、柔性电子、传感、绿色能源等领域获得更广泛应用。未来，该类高效通用型离子掺杂剂，有望应用于下一代有机热电器件、柔性可穿戴电子和高效率有机光电器件的开发，对推动有机电子材料及相关器件的技术进步具有重要意义。

该文章以题为“Investigating the doping performance of an ionic dopant for organic semiconductors and thermoelectric applications”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Investigating the doping performance of an ionic dopant for organic semiconductors and thermoelectric applications

Jing Guo, Yaru Feng, Jinjun Zhang, Jing Zhang, Ping-An Chen, Huan Wei, Xincan Qiu, Yu Liu, Jiangnan Xia, Huajie Chen, Yugang  Bai, Lang Jiang, and Yuanyuan Hu

J. Semicond. 2025, 46(8), 082801. doi: 10.1088/1674-4926/25010027

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