将并列的N型掺杂柱和P型掺杂柱集成到功率器件的导电层中，这称为超结（SuperJunction，SJ）形状，可以实现极低的比导通电阻Ron,sp，同时保持预期的阻断电压BV。
而在SiC中，各向异性的碰撞电离效应使得这种优化进一步复杂化，通过沿掺杂柱结构中的弯曲路径沿着诱导电击穿而导致BV显著降低。而这种效应仅在对称SiCSJ结构优化中得到解决，但是不对称SJ结构的性能尚未得到探索。
在此项研究中，作者们在理论上提出了一种非对称SJ结构，通过加宽N柱并相对于对称结构降低了其掺杂浓度。这个设计实现了比对称SJ结构的低6-15%的Ron,sp。与此同时，在相同的器件尺寸下保持了BV。
通过定量分析可知，较低的掺杂浓度抑制了迁移率的退化和不完全电离，而较宽的N柱改善了导通特性。这些效应的综合作用抵消了降低掺杂浓度带来的电阻增大，从而最终降低了比导通电阻Ron,sp。这种成功的调整同时通过一致掺杂柱界面处的峰值电场来调制BV，这个峰值电场是通过各向异性碰撞电离作为主要击穿来源，从而带来和对称设计的BV要求类似的阻断电压。
背景介绍
在漂移层具有平衡掺杂浓度的并列N柱和P柱的SJ结构是平衡SiC器件的低比导通电阻Ron,sp和预期阻断电压BV的理想设计。从BV的角度看，SiC中的碰撞电离系数的晶体各向异性可能会导致阻断电压的降低。尽管在优化BV设计时克服这个各向异性是必要的，但是具有该效应的SJ结构的性能优化已经被限制为对称和平衡的SJ结构以及由掺杂浓度的变化引入的电荷不平衡情况。值得注意的是，具有非对称掺杂柱的SJ结构的潜在性能，特别是掺杂柱宽度和掺杂浓度在各向异性碰撞电离效应的存在下串联变化，这种配置下的器件性能还未被报道。
在这项工作中，理论上研究了，与优化后的对称SJ结构相比，室温SiC非对称SJ结构在不牺牲BV的情况下，展现了约降低6-15%的比导通电阻Ron,sp。通过在固定元胞尺寸下系统地改变掺杂柱宽度和掺杂浓度，发现了增大n柱宽度并降低其掺杂浓度可以降低Ron,sp。
这种优化是因为不完全电离、迁移率和掺杂浓度的综合作用，掺杂浓度的降低使得不完全电离比更加接近于1，并使得迁移率降低最小化，有效抵消了因掺杂浓度低带来的大比导通电阻Ron,sp，最终实现了Ron,sp降低。TCAD结果表明，SJ形状的变化也支持通过在柱界面处抑制峰值电场来保持BV，通过各向异性碰撞电离在SiC中的电击穿的主要来源。静态参数的表现突出了非对称结构的性能优于对称SJ结构的最佳设计。
参数表征
Ron,sp
如下图所示，考虑到N型柱和P型柱的形状不对称宽度Wn和Wp，沿着掺杂浓度Nd和Na以及SJ区域厚度dsj，Ron,sp具有以下公式：
元胞间距定义为W=Wn+Wp，h耗尽区宽度定义为
BV
阻断电压BV由泊松方程计算，类似于对称SJ形状的公式，电场分布由下式给出：
在这种电场分布下，因电场的局部峰值，可能的击穿路径沿着上图中的BA、DC和BOC的出现。BA和DC路径平行于Y方向。相反，BOC路径的精确解析在分析上是不可能的，因为其需要在非对称几何形状下求解。因此需要TCAD从O点处的局部最大值开始，递增计算每一步。在全SJ结构中，BOC路径通常在三个代表性路径中呈现最大的电离值，这就是最早击穿的原因。
这个击穿主要是因为电场和碰撞电离系数的各向异性的相互作用。
结果与讨论
对称SJ结构的最优设计
对称SJ结构的柱宽w*，掺杂浓度N*d和柱深度d*sj是可调参数。首先计算Nd的函数R*on,sp，其中d*sj被调整为在固定w*下维持预期的BV，这个过程中获得最低的R*onsp：
其中，N*d和d*sj为：
上述表达式在w=0.5um-10um范围内均成立。
非对称SJ结构的设计
作者首先通过从对称最佳设计点修改几何参数来评估非对称SJ结构的性能，假设w=3um，BV=2200V。下图展示了BV变化与Na和Nd偏离最佳条件的函数关系，在保持固定间距宽度W/2=3um的同时改变Wn。图中，优化的对称SJ形状对应于ΔWn=0、ΔNd=0、ΔNa=0。ΔBV、ΔRonsp的等值线叠加于图中，这里红色标记表示最低的Ron,sp，而BV则没有任何降低。
在这里收集了最小的Ron,sp以及相应的Nd和Na值，以进一步分析增强的性能。下图则是展示了非对称SJ结构的性能总结，包含了不同元胞间距W。结果表明，Ron,sp随Wn增加而显著减小，而Na和Nd则调整以维持SJ结构的电荷平衡，以满足WnNd≈WpNd。如下图c所示，Ron,sp降低了约6%-15%，实现了非对称SJ结构的性能潜力。
性能变化的实质
上述性能的改变来源于所有参数之间的微妙平衡。从阻断电压BV的角度出发，全SJ结构在BOC路径上是比较脆弱的，O点处的电场与沿X轴的高碰撞电离系数之间的相互作用通过各向异性碰撞电离而诱导电击穿。因此，应该在这里仔细调整参数，以防止电场增大，保证BV稳定。而峰值电场出现在Wn/2处，x方向的电场组成部分会在峰值电场处变小，从而产生：
因为在这样的情况下，电荷不平衡足够小，即当WnNd≈WpNa。这就存在了两种潜在的方式来调整保持BV：增加Nd同时减小Wn或相反之。下图就展示了Wn不断变化情况。数据表明。随着Wn宽度和Nd减小，电场降低，下图b中的峰值电场因Ex的减小和Ey的增加的平衡使得最终总电场保持不变，这就证实了保证BV的方式（Wn增大，降低Nd）
所以Wn、Na和Nd的变化对Ron,sp变化的影响是很微妙的。因为导电性的变化，Wn的调节Ron,sp的同时，Nd的变化也会同时调节迁移率μ，不完全电离ξ和耗尽层宽度asj。
下图c则是收集了ΔWn和ΔNd的相关数据。如图中所示，增加Nd会导致Ron,sp的降低，但是其同时会导致不完全电离和迁移率的退化。此外，较窄的Wn伴随着Nd的增加会带来更大的Ron,sp。因此通过简单增大Nd不能实现Ron,sp的净减小。相较之下，增加Wn成功降低了Ron,sp，这是因为不完全电离降低了，抑制了迁移率的降低。这些结果确实表明了，增大Wn和降低Nd的综合效果是有利于降低Ron,sp而不损害BV，从呈现非对称SJ结构优于对称SJ结构。
总结
此研究第一次对非对称SJ结果的理论性能，包括各向异性碰撞电离过程进行了探索。我们的研究结果表明，在相同的元胞尺寸下，非对称SJ几何结构可以优于优化的对称SJ几何结构。通过精确的几何参数调整，特别是通过加宽n柱并降低其掺杂浓度，可以实现更优的性能。降低了比导通电阻，而不损害所需的阻断电压。加宽柱抑制不完全电离和迁移率退化，抵消了与较低掺杂浓度相关的电阻增加，并最终降低了比导通电阻。SJ几何形状的这种调整还成功地限制了柱界面处的电场，其是通过各向异性碰撞电离的电击穿源，确保所需的阻断电压保持不受影响。
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