- 京都大學研發的碳化矽電晶體可在攝氏 600 度下穩定運作。
- 新元件適用於極端環境，如深空探測和飛機引擎控制系統。
- 研究團隊解決了碳化矽電晶體在高溫下的控制與漏電問題。
- 改良後的電晶體在高溫下仍能維持良好的開關比性能。
京都大學研究團隊近日成功研發一款碳化矽（SiC）電晶體，能夠在攝氏 600 度（華氏 1,112 度）的極端高溫下穩定運作。這項突破有望推動適用於嚴苛環境的電子技術發展，因為傳統的矽基元件在相關條件下難以保持可靠運作。研究團隊聚焦於解決一直阻礙碳化矽電子技術從基礎研究走向實際應用的關鍵限制，新元件採用接面場效電晶體（JFET）設計，在寬廣的溫度範圍內呈現穩定的電氣特性。
新元件的應用場景
京都大學團隊開發的新元件，目標是將電子系統引入一般矽基元件難以勝任的極端高溫環境，包括深空探測、地熱鑽探以及飛機引擎內部的控制系統等應用場景。研究團隊指出，其設計解決了兩項長期限制碳化矽電晶體在高溫環境應用的主要難題：電晶體開關控制困難，以及溫度上升時出現的不必要漏電現象。碳化矽作為半導體材料長期被視為嚴苛條件電子的理想選擇，能夠承受高電場與高溫，因此在高效能與極端環境應用方面極具吸引力。
過往研究已展示在攝氏 500 度（華氏 932 度）以上運作的碳化矽電路，但要將這些實驗室成果轉化為更可靠、更實用的電子元件，仍然充滿挑戰。
京都大學團隊選用接面場效電晶體（JFET）作為研究對象。早期版本採用傳統設計，將閘極置於電流流經的通道上方，這種排列方式使精確控制電晶體的閾值電壓（即啟動電壓）變得困難；在高溫環境下，元件更會在底層材料中產生不必要的漏電電流。為解決第一個問題，研究人員將閘極移至通道下方，形成所謂的底閘結構（bottom-gate structure）。這項設計有助於減少「離子通道效應」（ion channeling）的影響——植入原子可能比預期更深地進入碳化矽內部。
透過這項改良，研究人員得以更精確地控制電晶體的閾值電壓，在 673 K（約攝氏 400 度／華氏 751.7 度）時，預設值與實測閾值電壓之間的差距縮減至 0.1 伏特以下。
改良設計的技術優勢
針對漏電問題，團隊在元件中加入雙井（double-well）結構。新型設計放棄依賴底層材料的電阻來隔離電晶體各部分，改為採用 p-n 接面進行隔離，從而避免溫度上升時出現不必要的電流通過。改良後的電晶體在 873 K（攝氏 600 度／華氏 1,112 度）下持續正常運作，並在該溫度下維持 1,000 以上的開關比，證明其仍能明確區分導通與非導通狀態。研究團隊在聲明中表示：「這項研究顯示，碳化矽本身已是一項成熟的功率元件技術，並展示了新開發的底閘結構在實現可靠、耐極端溫度的碳化矽基積體電路方面的潛力。」
研究人員指出，相關成果有望推動專為極端環境設計的碳化矽積體電路發展，使這類電子元件最終能夠減少在強熱環境下作業時，對重型冷卻系統與熱保護裝置的需求。
項目 規格 機構 京都大學 材料 碳化矽（SiC） 電晶體類型 接面場效電晶體（JFET） 結構設計 底閘結構（bottom-gate）+ 雙井（double-well）隔離 最高運作溫度 873 K（約 600°C／華氏 1,112 度） 閾值電壓控制 673 K（約 400°C／華氏 751.7 度）下誤差低於 0.1 伏特 開關比（on-off ratio） 1,112°F 下維持高於 1,000
碳化矽技術的未來潛力
京都大學的碳化矽電晶體研發標誌著電子技術在極端環境應用的重大進展。隨著這項技術的成熟，未來將能在更苛刻的條件下使用電子元件，這對於深空探測及高溫工業應用等領域具有重要意義。新設計的底閘結構和雙井隔離技術有效解決了高溫下的漏電與控制困難，顯示出碳化矽作為半導體材料的潛力。這不僅能提升系統的可靠性，還有助於減少對冷卻系統的依賴，進一步推動相關技術的商業化應用。