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极端条件下的IC材料

NASA为金星电子公司寻找SiC和金刚石。

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用于在极端环境下(比如在金星上着陆)制作芯片的材料正在不断增加。

氮化镓功率转换电路引起了人们的广泛关注,这只是半导体在极端环境下的几种应用之一。在许多工业和航空航天环境中发现的高电压、高温和腐蚀性的环境可以使设备处于远远超出硅的工作范围的条件下。

虽然适当的包装通常可以保护这些苛刻条件的组件,但这样做增加了重量和系统复杂性。像素一样SIC.可以忍受极端条件的钻石可能提供的好处远远超过它们的电子数据的优点。

在金星上,表面温度约为500°C,压力相当于地球海洋深度约900米。二氧化碳大气中弥漫着硫酸云。此外,与所有太空目的地一样,保护部件所需的每一克材料都会限制整个任务的能力。

美国宇航局碳化硅和传感器研究小组的首席半导体电子设备工程师Phil Neudeck说,美国宇航局最初的金星着陆器任务设计是在2009年提出的,要求一个686公斤的密封舱,使用寿命只有5小时。在12月的虚拟IEEE电子设备会议上,他介绍了一种修改后的电子设备设计,它能承受环境的重量只有20公斤——大部分是电池。更重要的是,NASA现在能够考虑一个60天的任务计划。

钻石是每个人最好的朋友
在半导体中使用钻石为高温环境添加了整个不同的益处。金刚石中的掺杂剂在室温下不完全电离,载体浓度在升高的温度下增加。这种行为,与GaN中看到的相反,使操作温度非常重要,可实现设备性能。

然而,迁移率随着温度的升高而降低,因此金刚石的电导率在150°C到200°C左右达到峰值。驱动电流也随着温度的升高而增加,但泄漏电流也一样。

密歇根州立大学的克里斯蒂安·埃雷拉-罗德里格斯在12月的虚拟材料研究学会会议上报告说,高温使MESFET器件的开/关电流比从1 × 10降低8.只有约1,000。这些器件由在商业金刚石基材上的内在CVD金刚石制成,然后是P-和P +掺杂层。在MESA和源/漏蚀刻后,它们为源极和漏极制作了TI / AU欧姆触点,以及用于门的MO / AU肖特基触点。MESA蚀刻和欧姆接触形成都是重要的过程挑战。

钻石还提供宽的带隙(5.45EV),高击穿领域和出色的导热系数。日本国立材料科学研究所的董事和集团领导人Yasuo Koide在氢封端的金刚石表面呈现的工作中解释了,氧封端表面不导电。

在亚利桑那州立大学的研究人员Robert Nemanich及其同事们讨论了硼掺杂钻石上的N-I-P肖特基二极管。在依赖于注射模式传输的这些装置中,Mott-Gurney表达式描述了电流密度:

流过薄片的电流密度(J)取决于薄片的介电常数(柱一)、载流子迁移率(μ)以及外加电压(V)的平方一种)。这个表达式暗示了本征半导体中的非欧姆行为,但仅在没有缺陷的情况下严格适用。

尽管金刚石mesfet具有非常稳定的热稳定性,但金属-半导体结的使用限制了可用栅极正向偏置和最大漏极电流。为了提高当前的能力,Herrera的团队还与Al一起创造了类似的mosfet2O.3.门电介质。这些器件在室温下通常是关闭的,可能是由于捕获的界面电荷,随着温度的升高而打开。不幸的是,阿尔2O.3.在升高的温度下劣化,减少了击穿场。

Koide的集团在钻石上展示了一种新的金属绝缘体 - 金属晶体管(MIMSFET),他描述为MOSFET和MESFET的组合。它是通常的“OFF”装置,热稳定至350°C,漏电流低,开/关比高。从那个概念开始,他们还建造了一个带纳米胺酸的MOSFET2/ al.2O.3.门。栅极电容提供k值68.7,最大电流最大。

由于金刚石中硼的活化能(0.34 eV)较磷的(0.58 eV)低,此时只有p型金刚石器件是可行的。反转mosfet和互补逻辑都需要n型掺杂和p型掺杂。表面质量是至关重要的,因为金刚石依赖于表面传导,但在掺磷的金刚石中很难获得平坦、光滑的表面。金泽大学的山崎聪教授和他的同事在MRS上发表的研究中使用了H2O退火得到一个扁平的oh端端表面,这提高了漏极电流和沟道迁移率。他们认为oh终止减少了界面捕获态的数量。

依赖表面传导使钻石器件容易受到表面捕获和非均匀发热的影响。基于散装传导的鳍垂直晶体管将有助于减轻这些问题,同时仍在利用钻石的优越材料特性。

在MRS,麻省理工学院的研究员John Niroula和他的同事将GaN finfet开发的模型应用到基于钻石的器件上。除了硼的不完全电离之外,该模型还需要考虑金属-绝缘体跃迁作为掺杂的函数,以及跳跃传导的重要性。该模型器件的线性功率密度为7.36 MW/cm2,比可比GaN器件高出约2.7倍。不幸的是,在金刚石中实现体传导仍然具有挑战性,因为离子注入往往使结构石墨化。

碳化硅电子成熟
虽然为极端环境的钻石设备的开发是早期阶段,但SIC集成正在接近可行的技术平台。NAUDECK和同事们在NASA的“金星Cell”中的1,000°C温度范围内展示了稳定的操作,而无需改变输入信号或电源电压。他们的设备基于SIC JFETS,带有TASI2金属化完全埋在SiN之下。埋设互连线可以防止它们氧化和暴露在腐蚀性环境中。类似地,使用jfet而不是mosfet,因为在这些条件下,mosfet的栅极氧化物稳定性是一个问题。

“没有什么比外延SiC p-n结更稳定的了,”Neudeck说。

事实上,SIC和钻石都在极端条件下稳定。更困难的挑战已经使稳定的互连和稳定的触点,并保护它们免受裂化和氧化。高温SiC器件中的两个主要故障机制是迁移金和大气氧朝向接触界面,以及在扩散阻挡层和接触金属之间的金属混合。NASA的研究电子工程师Robert Okojie以及他的同事使用了Ti / Tasi2/ Ti / Pt堆叠具有Tipt扩散屏障,接触n型SiC。设备在800°C下可靠超过100小时。虽然发生了扩散,但在此燃烧期后稳定的装置特性。

然而,从NASA的10(〜200晶体管)过程的进一步减少特征尺寸已经具有挑战性,并且在更高的密度下增加了互连产量和耐久性问题。明确的流程优化工作仍然存在。另一方面,Neudeck表示,互连的进步是跨设备技术的便携式,并且应该适用于SiC和钻石电子。

将Venusian Electronics带到地球上
虽然行星勘探是一个微小的,专业的市场利基,发动机设计,工业化学和发电厂只是一个具有同样苛刻要求的地基应用。第一个金星,但随后,也许是你附近的喷气发动机。



1评论

凯文 说:

很好-真的有趣的主题,清晰的文章和很大的深度。

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