全球首发量产碳化硅超级结MOSFET，这家本土芯片企业的五年征途和“工程哲学”

告别“跟随” 国产第三代半导体的拐点时刻

过去几年，中国功率半导体产业的主流叙事是“国产替代”——在成熟技术路线上追赶国际巨头，以成本优势和供应链安全为突破口，逐步蚕食海外厂商的市场份额。在硅基IGBT、硅基超级结MOSFET以及碳化硅平面型MOSFET等领域，这种策略已经取得了阶段性成果。

但行业正在发生变化。

一方面，全球功率器件市场竞争日趋激烈。国际头部厂商凭借数十年积累的技术壁垒和产能优势，在高端市场依然占据主导地位；国内厂商数量激增，中低端产品同质化严重，价格战愈演愈烈，单纯依靠“替代”逻辑的增长空间正在收窄。

另一方面，以新能源汽车800V高压平台、AI数据中心超大规模供电、智能电网中压直流配电为代表的新兴应用场景，对功率器件的性能要求已超越现有成熟产品的天花板。客户不再满足于“够用”和“便宜”，而是迫切需要能够创造更高系统价值的创新性技术方案。

这意味着，中国第三代半导体产业正进入真正的“深水区”——从低门槛的替代竞争，转向高壁垒的原始创新竞争；从依赖成本和产能的价格战，转向以核心技术创造客户价值的引领型竞争。

正是在这一产业节点上，近日，一场名为“破界·启新”的发布会在上海举行，瑶芯微电子联合中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃团队，以及晶圆代工厂芯联集成，正式发布全球首款碳化硅超级结MOSFET量产产品。

一个技术背景是，“超级结”本身并非一项新技术——它在硅基功率MOSFET领域已有超过二十年的成熟应用。但当超级结结构从硅材料移植到碳化硅材料时，却面临着一系列全新的技术挑战。在业界普遍预计2027年后才能实现商业化的时间表下，瑶芯微将这一产品提前推向市场，并实现了关键性能指标的全面领先。

这不仅是单一公司的产品突破，更意味着中国功率半导体产业正从“对标追赶”迈入“自主引领”的新阶段。

功率器件的“跷跷板”难题与超级结的解题思路

功率器件的基本矛盾在于：正向导通时需要尽可能大的电流，反向阻断时需要尽可能承受更高的电压。在传统功率器件中，这两个指标构成了一对“跷跷板”——提高耐压必然导致导通电阻增加，进而牺牲电流能力。

这一矛盾的根源在于漂移层电阻。来自西安电子科技大学郝跃院士团队的贾仁需教授在发布会上解释，功率器件的导通电阻由沟道电阻、JFET电阻、漂移层电阻等多部分组成。随着耐压等级的提高，漂移层电阻的占比急剧上升——1200V器件中约占30%，到6500V时可能占到90%。漂移层电阻因此成为高压功率器件性能提升的主要瓶颈。

西安电子科技大学贾仁需教授

超级结结构的核心原理，是通过在漂移区中交替排列N型柱和P型柱，利用电荷平衡效应，使器件在反向偏置时P柱和N柱相互耗尽，从而在保持高耐压的同时大幅降低导通电阻。形象地说，传统结构是在整个漂移区“均匀受力”，而超级结结构则是将电场分布“拉伸”到更广阔的面积上，让电流通路得以在更高的掺杂浓度下保持导通。

这一原理在硅基器件上已被充分验证并大规模商业化。但当同样的结构移植到碳化硅上时，问题则变得复杂得多。

为什么碳化硅让超级结变得“难做”

碳化硅材料拥有更高的临界击穿电场、更宽的禁带宽度和更好的热导率，这些优势使其成为高压功率器件的理想材料。然而，正是这些“优势”也构成了超级结制造的“障碍”。

第一个障碍：算不准。 贾仁需教授指出，硅基超级结的设计模型经过数十年迭代已经相当成熟，但碳化硅的材料参数与硅存在本质差异，传统的设计模型无法直接套用。“原型设计与实际做出来的差别很大”。理论模型的缺失，使得器件设计从一开始就缺乏可靠的基础。

第二个障碍：电场难协同。 超级结结构远比传统平面型或沟槽型器件复杂——既有P形柱结构，又有P形柱与终端的注入界面，还有终端与二氧化硅层的界面问题。贾仁需教授提到，“如果不考虑这些，不管哪一层出现了很高的电压，整个器件设计出来可能400V、500V就击穿了”。电荷平衡需要在多个界面、多个维度上精确协同，任何一个环节的失衡都可能导致器件提前失效。

第三个障碍：做不好。 即使设计准确、仿真通过，如何将设计“制造”出来是更大的挑战。碳化硅材料硬度极高、化学性质稳定，杂质离子在其中的扩散系数极小——这意味着不像硅那样可以通过高温扩散来形成掺杂区，而必须依靠高能离子注入将杂质“打”入材料内部。与此同时，离子注入带来的晶格损伤需要通过高温退火来修复，而碳化硅的退火温度远高于硅，工艺窗口极为狭窄。

这些障碍叠加在一起，使得碳化硅超级结MOSFET长期以来停留在实验室研究阶段，始终未能实现产业化突破。

三种工艺路径：各有取舍的技术路线

要在碳化硅中实现超级结结构，业界主要探索了三种工艺路径。

路径一：多次外延生长+离子注入。 这是最直接的方法——在碳化硅衬底上生长一层N型外延层，通过掩模进行高能P型离子注入，然后重复“外延-注入”循环，直至达到所需的厚度。这种方法的优势在于工艺相对成熟、掺杂浓度可控，但缺点是成本高昂、周期漫长——每增加一层外延和注入，就意味着一次高温工艺和一次光刻对准，累积的缺陷和成本都呈几何级数增长。

路径二：深槽刻蚀+外延回填。 先在漂移区刻蚀出深槽，再通过外延生长在槽内填充P型材料。这种方法可以减少外延的次数，但对刻蚀的深宽比控制和填充质量要求极高，工艺难度不降反升。

路径三：沟槽刻蚀+侧壁离子注入。 通过刻蚀沟槽后从侧壁进行离子注入，形成P柱。这种方法工艺步骤相对简化，但侧壁注入的角度控制、掺杂均匀性以及后续的氧化层填充都是极具挑战的课题。

三种路径各有取舍，但共同的问题是：碳化硅材料本身的特性使得每一种路径都比在硅上实施时困难数倍。碳化硅超级结结构的优化难度极大，沟槽填充外延、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。

瑶芯微的技术突破与路径选择

瑶芯微与郝跃院士团队的合作始于2021年，历时五年联合攻关。“学术端的理论深度和产业端的工程能力形成了很好的互补”。

针对“算不准”问题，团队首先从基础理论入手。他们对碳化硅超级结的解析模型进行了系统修正，加入了注入后横向散射等关键因素，使仿真结果与实际制备的器件形貌、电场分布高度吻合。贾仁需教授称，“我们出来的东西跟实际结果真的非常接近”——团队目前已经投稿的学术论文显示，仿真预测的耐压为1600多伏，实际测试结果同样是1600多伏。

针对“电场难协同”问题，团队对碳化硅超级结中特有的界面电荷效应进行了系统研究——包括P柱与终端的界面、终端与二氧化硅层的界面等，团队将这些因素纳入设计模型，实现了全维度的电场协同。

在工艺路径的选择上，瑶芯微最终采用了较少层数“外延-注入”循环的方案。瑶芯微电子联合创始人兼CTO陈开宇在发布会上透露，整个研发过程中，团队经过多次反复的摸索、推演和实验，尝试了多种不同工艺实现的可能性，将复杂的超级结技术拆解为几大关键模块，由专门小组同步进行工艺调试，数据反哺修正模型，“当拆解完成以后，很多思路就比较清楚”。

瑶芯微电子联合创始人兼CTO陈开宇

值得注意的是，瑶芯微选择较少层数方案是基于现实约束的理性决策。陈开宇表示，团队“结合了综合的性价比”，在现有高能离子注入设备可以量产的极限能力范围内，找到了兼顾性能与成本的最优解。这一选择也体现了团队从研发伊始就将“产业化”作为核心考量——该方案是当前工艺平台可以稳定量产的最优方案。

产品性能：逼近材料物理极限

此次发布的1200V碳化硅超级结MOSFET（型号AKJK2M030WAMH，封装TO-247-4L），实测数据显示了多项关键指标的突破。

耐压与导通电阻。 器件实现1635V超高耐压，室温和175°C高温下比导通电阻分别低至1.27mΩ·cm²和1.5mΩ·cm²。在行业惯用的“比导通电阻-耐压”坐标系中，该产品的性能点已经落在碳化硅材料一维物理极限曲线之下，表现极佳。

温度特性。 传统碳化硅平面或沟槽器件从25°C到175°C，导通电阻通常上升1.8至2.2倍。“而瑶芯微的超级结产品在25°C到125°C范围内实现了零温漂，175°C下温度系数仅小于1.2倍。”陈开宇指出。功率器件在实际工作中通常在125°C以上运行，这一温度特性的突破意味着器件在真实工况下的性能优势远大于常温数据所显示的程度。

电流密度与开关损耗。 常温电流密度较目前全球最领先的水平提升50%，175°C下电流密度提升166%。关断损耗较目前最先进水平降低20%至50%不等。

良率与量产准备。据陈开宇介绍，目前该产品的良率已达到80%以上，产品已通过完整的车规级可靠性验证。

应用场景：从新能源汽车到AI数据中心

超级结技术的产业化价值最终要体现在系统级的提升上。

新能源汽车主驱。 在800V新能源汽车主驱场景中，传统方案下36颗芯片才能实现200-300kW的功率输出。采用超级结技术后，“同等芯片尺寸，出流能力再提升10%的基础上，数量还降低了33%”——模块小型化、轻量化，功率密度进一步提升。

AI数据中心高压供电。 在AI数据中心的中压直流配电场景中，超级结技术的优势更为突出。传统方案为实现超高压（如万伏级）需将多个1200V器件串联——级联数量多、系统复杂、效率损失大。而超级结技术可以在更高耐压下保持较大电流能力，大幅减少级联数量。以兆瓦级固态变压器为例：传统方案需要14级串联、168颗器件，而采用超级结技术可将级联降至6级、仅需72颗器件。陈开宇表示，“以前没有这样一种成熟的方案可以帮客户来实现这件事”，而超级结技术的出现，为系统设计者提供了全新的可能性。

未来超高压布局。 陈开宇透露，公司的研发团队已在规划更高电压等级的产品——2300V、3300V乃至更高。在他看来，随着国内“万伏千安”等中压直流配电项目的推进，超高压碳化硅超级结器件的产业化落地有望加速。

产业意义：从“国产替代”到“原研创新”

瑶芯微电子此次碳化硅超级结MOSFET的发布，标志着中国功率半导体产业从“对标追赶”迈入“自主引领”的新阶段。

目前，全球功率半导体头部企业的碳化硅超级结技术普遍仍处于研发或规划阶段。市场研究机构Yole Group预测，超级结架构的碳化硅MOSFET预计在2027至2028年逐步实现量产和商业化。瑶芯微此次发布的产品不仅在时间上抢占了先机，在关键性能指标上也达到了业界领先水平。

从产业生态来看，这一突破依托的是“产学研用”协同的创新模式——学术端的理论模型突破、产业端的工艺工程能力、晶圆代工厂的量产平台支撑，三者缺一不可。

正如发布会主题“破界·启新”所揭示的，在中国第三代半导体从“替代”走向“引领”的关键节点上，瑶芯微此次的成果提供了一个值得关注的样本。