2025年的文章来自三菱电机，主要内容是SiC
MOSFET/Si RC-IGBT产品介绍。
先简单介绍背景，
近年，汽车行业正面临电动化转型，这对电驱系统提出如下要求：高效率、高功率密度、高可靠性、低成本，SiC MOSFET和Si RC-IGBT（反向导通IGBT）是其中两项关键技术：
SiC MOSFET适用于高功率、高频率应用，如牵引逆变器，Si RC-IGBT则将IGBT和续流二极管集成于单一芯片，成本更低，适用于中等功率场景。针对400V和800V电动汽车架构的多样化需求，三菱推出包括功率器件裸芯片、可扩展功率模块的丰富产品组合，涵盖SiC MOSFET和Si RC-IGBT两种技术。
这篇，聊聊SiC MOSFET中的质子注入技术。
当SiC MOSFET工作在第三象限时，有几种方式可以实现续流，外接SBD、集成SBD
3、利用体二极管，
第一种会增大系统成本，第二种会增大元胞尺寸和工艺难度，
商用SiC MOSFET器件中，最常见的方案仍然是第三种——利用体二极管续流。
然而一旦采用双极工作模式，就不得不面对双极退化问题。
何为双极退化问题？
大概逻辑是，SiC材料生长时，可能存在基底面位错（Basal Plane Dislocation，BPD），双极性运行条件（电子空穴同时参与导电）下，电子与空穴复合，释放能量，导致堆垛层错（stacking faults）在BPD处蔓延，直到芯片表面，堆垛层错覆盖区域无法导电，使得芯片实际有源区面积减小。
双极退化的特点有三：
1、可能发生，可能不发生，取决于某颗芯片的SiC衬底是否存在BPD，
2、任何拥有PN结的SiC器件都有可能发生，
3、存在饱和效应，一旦堆垛层错蔓延至芯片表面，双极退化便达到饱和，具体时间可以是几分钟到几小时。
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有无缺陷的SiC器件的热图像如上，黑色小三角形为缺陷，颜色代表电流密度大小（蓝色较小，红色较大），加粗黑线为器件无源区域，很明显，堆垛层错蔓延区域，电流密度显著降低。
另外，由于实际有源区域减小，体二极管有效导电面积下降，导致体二极管电阻增大，压降变大，因此，双极退化效应对SiC MOSFET电参数的影响是，导通电阻变大，体二极管压降变大，击穿电压、电容特性以及栅氧可靠性，几乎不受影响。
此前已有报道，通过质子注入技术（Proton Implantation Technique）抑制SiC MOSFET双极退化效应，但该技术对器件电性能亦有负面影响，说到这，顺带提一句，到底何为“质子”（proton）？即氢原子的原子核，由一个带正电的粒子组成，符号为H⁺，质子带一个单位的正电荷，因为带电，所以能被电场加速，形成高能离子束，从而注入半导体材料。
不同于Al离子、N离子这类注入离子，质子注入并非用于改变半导体材料的导电类型，而是利用它的动能，轰击SiC材料的晶格，将Si原子或C原子撞离原位置，从而形成晶格缺陷。
所制造的晶格缺陷可以捕获、复合载流子，以此阻止层错生长。这当然也会带来负面效果——器件电阻可能增大，漏电流可能增加。
三菱对此已进行大量研究，通过优化的质子注入技术，制备了4000 chips（应该是4000只芯片，而非4000片晶圆），以评估该技术在量产工艺中的可行性。
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两种器件如上，左图是进行质子注入的器件，右图是常规器件，质子区域很深，位于缓冲层上方，远离半导体表面，需要高能注入。三菱采用三种质子注入剂量，1e12cm-3，1e13cm-3和1e14cm-3，以作对比，
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流程如上
质子注入在离子注入之前进行，器件制备后，先进行初次测试，再对体二极管施加电应力（150℃下，420A/cm2，2分钟），随后再进行测试，器件退化的判定标准为，体二极管电应力后，导通电阻增幅超过3%，样品数量分别为，无质子注入1270只，1e12cm-3剂量880只，1e13cm-3剂量844只，1e14cm-3剂量823只。
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测试结果如上
左上角的器件退化率，看得非常明显，无质子注入器件的退化率约12%，1e14cm-3剂量质子注入器件的退化率降至3%，正向直流特性未受质子注入影响，唯一明显变化出现在第三象限特性，即体二极管模式下的ISD-VSD特性，相比常规器件，质子注入器件的导通电阻增大。
且1e14cm-3剂量质子注入可以明显抑制器件第三象限特性的温度依赖性，这有助于消除并联芯片间的电流不平衡，确保电流在并联体二极管之间均匀分布，而非集中于温度最高的芯片。
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无质子注入器件、1e14cm-3剂量质子注入器件的反向恢复曲线如上，可以看到，1e14cm-3剂量质子注入明显降低反向恢复振荡和浪涌电压，反向恢复电荷降低58%，基于以上结果，三菱正在进一步研究质子注入技术，试图将其融入量产工艺。
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SiC MOSFET部分的最后，给出这张图，这是三菱第二代沟槽型SiC MOSFET产品搭载可扩展J3系列功率模块的性能示例。工作条件如下：工作温度175℃、主电池电压800V、冷却液温度65℃、冷却液流量10L/min，从左上角曲线可看出，随着开关频率的增大，逆变器有效输出电流逐渐降低。
小结：
1、当SiC MOSFET工作在第三象限时，有几种方式可以实现续流，1、外接SBD，2、集成SBD，3、利用体二极管，
第一种会增大系统成本，第二种会增大元胞尺寸和工艺难度，商用SiC MOSFET器件中，最常见的方案是第三种——利用体二极管续流，
然而一旦采用双极工作模式，就不得不面对双极退化问题。
2、双极退化效应对SiC MOSFET电参数的影响是，导通电阻变大，体二极管压降变大。
3、通过质子注入技术可抑制SiC MOSFET双极退化效应，
质子注入并非用于改变半导体材料的导电类型，而是利用其动能，在SiC材料中形成晶格缺陷，以捕获、复合载流子，阻止层错生长。
负面效果是，器件电阻可能增大，漏电流可能增加。
4、实验证明，无质子注入器件的双极退化率约12%，1e14cm-3剂量质子注入器件的双极退化率降至3%，
相比无质子注入器件，1e14cm-3剂量质子注入器件的第三象限微分导通电阻增大，第三象限特性的温度依赖性明显削弱。
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