高温电子技术的现状与发展

BONCHIP

                        ‌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。

- 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和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。