IC极端条件下的材料

芯片的材料研究在极端环境中使用,如登陆金星,正在增长。

而氮化镓吸引了不少人关注的功率转换电路,它只是一个申请半导体在极端环境中。高压、高温和腐蚀性大气中发现许多工业和航空航天环境主体设备条件远远超出操作信封的硅。

而适当的包装往往能保护组件从这些恶劣的条件,这样做增加了重量和系统的复杂性。等材料原文如此和钻石能够耐受极端条件下可能提供的好处远远超出他们的电子数据的价值。

在金星上,表面温度在500°C的社区,与压力与地球海洋的深度约900米。大气的二氧化碳和硫酸云一起沸腾了。此外,与所有空间的目的地一样,每克材料需要保护组件限制总体任务的能力。

菲尔Neudeck、铅半导体电子设备工程师在美国宇航局的碳化硅和传感器研究集团说,美国宇航局的原始金星探测器任务设计,提出了2009年,呼吁686公斤封舱业务一生只有5个小时。工作在12月的虚拟IEEE电子设备会议上,他说,修改设计与电子能够耐受环境仅重20公斤,大部分的电池。更重要的是,美国国家航空航天局现在可以考虑一个60天的任务计划。

钻石是每个人的最好的朋友
使用金刚石半导体添加了一组不同的高温环境的好处。掺杂物在钻石在室温下是不完全电离,在高温和载体浓度增加。这种行为,在氮化镓的对立面,使工作温度对设备性能非常重要。

迁移率随温度,所以导电性在钻石峰值在150°C到200°C。驱动电流与温度也会增加,但泄漏电流。

克里斯蒂安·Herrera-Rodriguez密歇根州立大学,工作在12月的虚拟材料研究学会会议上报告说,高温降低了开关电流比率的MESFET设备从1 x 10⁸只有大约1000。这些设备是由内在CVD金刚石商业钻石底物,其次是p -和p +掺杂层。台面和源/漏腐蚀后,他们让Ti /非盟欧姆接触源和流失,加上Mo /非盟肖特基接触的大门。台面腐蚀和欧姆接触形成过程都很重要的挑战。

钻石还提供了宽禁带(5.45 ev),高细分领域,和优秀的导热性。Yasuo Koide主任和组长,在日本国家材料科学研究所,解释工作在hydrogen-terminated钻石表面给夫人与二维孔气体良好导电性,而oxygen-terminated表面不导电。

在NASA研究,研究员Robert Nemanich亚利桑那州立大学和他的同事们讨论n-i-p肖特基二极管上。掺硼金刚石这些设备的依赖注入模式传输,电流密度被Mott-Gurney表达式:

电流密度(J)流经一个薄板取决于板的介电常数(ϵ)的载流子迁移率(μ),和外加电压(V的平方_一个)。这个表达式意味着非欧姆行为在本征半导体中,但只有严格适用于没有缺陷。

尽管钻石mesfet非常耐热,金属半导体结的使用限制了可用的门正向偏压和最大的漏极电流。改善当前的能力,埃雷拉的团队还创建了类似的场效应管₂O₃门电介质。这些设备通常是在室温下,可能由于被困界面电荷,随着温度的增加。不幸的是,阿尔₂O₃恶化在升高的温度下,减少故障。

Koide集团展示了一个新的metal-insulator-metal晶体管(MIMSFET)钻石,他描述为一个MOSFET和MESFET的组合。通常是一个“关闭”装置,热稳定到350°C,较低的泄漏电流和高开/关比率。从这一概念出发,他们还建立了一个nanolaminate TiO的MOSFET₂/铝₂O₃门。门电容器提供了k值为68.7时,给予一个非常大的最大电流。

由于较低的活化能(0.34 eV)硼金刚石相对于磷(0.58 eV),只有p型金刚石设备是可行的。反演场效电晶体和互补逻辑都需要n型和p型掺杂。表面质量是至关重要的,因为钻石取决于表面传导,但很难得到一个平坦的,在掺磷钻石表面光滑。工作在夫人,山崎裕Satoshi金泽大学教授和他的同事使用H₂O退火得到平OH-terminated表面,改善漏极电流和通道流动。他们相信OH-termination接口的数量减少捕获状态。

依赖于表面传导使钻石设备容易受到表面捕获和非均匀热生成,。fin-based垂直晶体管基于批量传导将有助于缓解这些问题,同时利用优越的材料特性的钻石。

夫人,麻省理工学院的研究员约翰·Niroula和他的同事应用模型为GaN finFETs钻石设备开发。除了不完全电离的硼,模型需要占掺杂的金属绝缘体转变为一个函数,和跳跃传导的重要性。模拟设备达到了7.36 MW的线性功率密度/ cm2,可比GaN设备高出2.7倍。不幸的是,在钻石仍然是具有挑战性的,实现批量传导离子注入使石墨化结构。

碳化硅电子成熟
极端环境而发展钻石设备是在早期阶段,SiC集成正在接近一个可行的技术平台。Neudeck和他的同事证明了稳定运行超过1000°C的温度跨度NASA的“金星细胞,”不改变输入信号或电压供应。他们的设备是基于SiC jfet, TaSi指数₂金属化完全埋在罪恶。埋葬互联保护他们免受氧化和暴露于腐蚀性环境。同样,使用了jfet,场效应管,而是因为mosfet的栅氧化层的稳定性是一个问题在这些条件下。

“没有什么比一个外延SiC pn结更稳定,“Neudeck说。

事实上,碳化硅和金刚石都是在极端条件下稳定。更加困难的挑战一直在稳定的互联和稳定的联系,从裂解和氧化和保护它们。失败的两个主要机制在SiC高温设备迁移的黄金,大气中的氧气向接触界面,和inter-metallic混合扩散阻挡层和金属化联系。罗伯特•Okojie NASA研究电子工程师和他的同事使用Ti / TaSi指数₂/ Ti / Pt栈TiPt扩散障碍联系n型碳化硅。设备可靠的超过100个小时在800°C。尽管扩散发生,设备特征稳定后老化期。

从美国宇航局创10进一步减少特征尺寸(~ 200个晶体管)过程已经有挑战性,但是,与互连产量和耐久性问题在更高的密度增加。大量的流程优化工作仍然存在。Neudeck说,另一方面,互联可以在设备技术的进步,应该适用于碳化硅和金刚石电子产品。

金星电子地球
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