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高温电子技术的现状与发展

日期:2023-06-27 人气:816

‌提高电子设备的最高工作温度等级需要面对颇多技术挑战。这些挑战涉及高温电子技术的各个方面,包括高温半导体芯片的设计、制造和封装,耐高温的被动元件,焊接和组装的材料和工艺,以及从芯片到模块、再到电路板,乃至系统级别的热设计和热管理等等。

高温电子技术的核心是高温半导体芯片技术。当环境温度升高到150-200℃时,硅基的本征载流子浓度显著升高,不仅硅基衬底几乎完全导电,而且PN结势垒也接近消失,从而导致半导体的基本功能崩溃,几乎完全导电而沦为“导体”。因此,普通体硅半导体是不适合高温应用的。目前成熟且已实现大规模商业化的高温半导体芯片技术主要有两种,一是高温SOI技术,另一是宽禁带半导体技术(如SiC和GaN)。前者适合于做高温集成电路器件,后者适合于做高温功率器件,两者是很好的互补。

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高温SOI 技术

SOI 是一种用于集成电路制造的新型原材料和工艺,有望替代目前大量应用的体硅工艺。如图1(a)所示体硅MOSFET结构,相比之下,SOI工艺在衬底结构中增加了一个绝缘体夹层,其上方一层为有源硅层,而下方的硅层只是起到支撑作用,如图1(b)所示。该绝缘夹层可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其它绝缘材料构建,取决于具体的实现工艺。由于硅与SiO2的结合界面性能稳定,所以SiO2成为了目前常见的主流SOI绝缘层材料。SOI结构中的SiO2绝缘层,有效地减小了MOSFET漏极和源极的实际PN结面积,使得漏极和源极的反向泄漏电流大大降低,为高温性能的提升奠定了基础。另外,可通过工艺和材料的选择来加固其高温工作的可靠性。

 

图1 (a)N沟道MOSFET体硅工艺;(b) N沟道SOI工艺


SOI独特的“Si/绝缘层/Si”三层结构,带来了诸多优势:首先,“绝缘埋层”实现了器件功能有源部分和衬底的全介质隔离,减小了寄生电容,开关频率得以提高;其次,由于较小的PN结面积,显著降低了泄漏电流,SOI 器件的自身耗散也减小了; 再者,绝缘层的存在隔断了有源部分通过硅衬底而互通的电流通道,彻底消除了“闩锁”(Latch Up)效应;另外,绝缘夹层结构抑制了硅衬底产生的脉冲电流干扰(如辐射粒子激发等),减少了偶发错误的产生,具很好的抗辐照特性;最后,SOI与现有体硅工艺设备、流程基本兼容(除少数高温SOI器件工艺需要特殊设备外),具备极佳的商业量产可实施性。

目前,基于SOI(Silicon on Insulator,绝缘层上硅)的独特高温半导体技术,已全面突破了普通体硅半导体器件的温度困境,有效地消除了温度载流子效应对器件性能的影响。通过对SOI器件进行适当的构造和工艺设计,如尽可能减少源漏间结面积和耗尽区宽度,可大幅地减小了反向泄漏电流,极大地提升器件的各项高温性能;同时采用高激活能材料的金属系统,实施钝化膜保护工艺等等,可大幅地提高器件的高温可靠性;目前,基于SOI工艺的半导体器件,商业实现普遍做到了225°C,部分研发实现了300°C,少数前沿探索正在向400°C的稳定实现演进。高温SOI技术已被广泛应用于石油钻探、航空航天、国防装备等尖端领域。

- SiC
GaN器件的特性

作为“第三代”、“宽禁带”半导体材料,SiC和GaN器件具有若干先天的优点,这些优点来自于对应材料的本质特性,参见图2:

 

图2 SiC、GaN和体硅的本质特性之比较

 
图2中可见,SiC和GaN新型半导体材料几乎在每个基础指标上都显著超越了体硅,特别是SiC材料,在热导率、熔点方面的效能,几乎为体硅的2.5~3倍。很宽的禁带宽度使得SiC和GaN天生就比体硅器件更耐高温;从现有产品的额定结温来看,基于体硅的半导体器件,例如军品级,一般都标注为最高结温125℃,而普通的SiC和GaN器件,多数都标注为175℃,少数标注为200℃;其实,SiC和GaN器件可工作温区远不止于此,其管芯本身可在500℃甚至更高温度下长期稳定地工作;而目前175℃、200℃的额定温度,是受到封装技术及应用成本的限制。随着业界高温封装产业能力的提升,更高温度等级的SiC和GaN器件将很快得到普及。

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