极端条件下的IC材料

用于极端环境的芯片材料的研究数量正在增长，比如在金星上着陆。

而氮化镓在功率转换电路方面已经引起了广泛的关注，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、高温和腐蚀性大气会使设备的工作条件远远超出硅的工作范围。

虽然适当的包装通常可以保护组件免受这种恶劣条件的影响，但这样做会增加重量和系统复杂性。等材料原文如此而且，能够忍受极端条件的钻石所带来的好处可能远远超出其电子价值指标。

在金星上，表面温度在500°C左右，压力相当于地球海洋深度约900米。二氧化碳大气中充斥着硫酸云。此外，与所有太空目的地一样，保护部件所需的每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菲尔·纽德克说，美国宇航局2009年提出的最初的金星着陆器任务设计要求一个686公斤重的密封吊舱，使用寿命只有5小时。在12月的IEEE电子设备虚拟会议上，他介绍了一项修改后的设计，其中的电子产品可以承受环境的重量只有20公斤——其中大部分是电池。更重要的是，NASA现在可以考虑一个为期60天的任务计划。

钻石是每个人最好的朋友
在半导体中使用金刚石为高温环境带来了一系列完全不同的好处。金刚石中的掺杂剂在室温下不完全电离，在高温下载流子浓度增加。这种行为与GaN的相反，使得操作温度对器件性能非常重要。

然而，流动性随温度的升高而降低，因此金刚石的导电性在150°C至200°C左右达到峰值。驱动电流也随着温度的增加而增加，但泄漏电流也会增加。

密歇根州立大学的Cristian Herrera-Rodriguez在12月的虚拟材料研究学会会议上报告说，高温使他们的MESFET器件的开/关电流比从1 x 10降低⁸只有大约1000个。这些器件是由内在CVD金刚石在商业金刚石衬底上制成的，然后是p-和p+掺杂层。在台面和源极/漏极蚀刻之后，他们为源极和漏极制作了Ti/Au欧姆触点，并为栅极制作了Mo/Au肖特基触点。台面蚀刻和欧姆接触形成都是重要的工艺挑战。

金刚石还具有宽带隙(5.45eV)、高击穿场和优异的导热性。日本国立材料科学研究所所长兼小组负责人Yasuo Koide在MRS上解释说，以氢为端部的金刚石表面与二维孔气体具有良好的导电性，而以氧为端部的表面则不导电。

在NASA的研究中，研究员Robert Nemanich和亚利桑那州立大学的同事讨论了掺硼金刚石上的n-i-p肖特基二极管。在这些依赖于注入模式传输的器件中，电流密度由Mott-Gurney表达式描述:

流经薄板的电流密度(J)取决于薄板的介电常数(ε)、载流子迁移率(μ)和外加电压(V)的平方_一个)．这个表达式暗示了本征半导体的非欧姆行为，但仅在没有缺陷的情况下严格适用。

虽然金刚石mesfet非常热稳定，金属-半导体结的使用限制了可用的栅正向偏置和最大漏极电流。为了提高目前的能力，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，可能是由于界面电荷被捕获，并随着温度的升高而打开。不幸的是，Al₂O_3.在高温下变质，减少击穿场。

Koide的团队展示了一种新型的在金刚石上的金属-绝缘体-金属晶体管(mimfet)，他将其描述为MOSFET和MESFET的组合。这是一个正常的“关闭”设备，热稳定到350°C，具有低泄漏电流和高开/关比。从这个概念出发，他们还用纳米层板TiO构建了一个MOSFET₂/铝₂O_3.门。栅极电容器的k值为68.7，提供了非常大的最大电流。

由于硼在金刚石中的活化能(0.34 eV)低于磷(0.58 eV)，此时只有p型金刚石器件是可行的。反演mosfet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，因为金刚石取决于表面传导，但在磷掺杂金刚石中很难获得平坦光滑的表面。在MRS上展示的工作中，金泽大学教授Satoshi Yamasaki和他的同事使用H₂O退火得到一个扁平的oh端部表面，这提高了漏极电流和通道迁移率。他们认为oh终止减少了界面俘获态的数量。

对表面传导的依赖也使金刚石器件容易受到表面俘获和不均匀热产生的影响。基于体传导的鳍片垂直晶体管将有助于缓解这些问题，同时仍能利用金刚石的优越材料性能。

在MRS，麻省理工学院的研究员John Niroula及其同事将为GaN finfet开发的模型应用于金刚石基器件。除了硼的不完全电离之外，该模型还需要考虑作为掺杂函数的金属-绝缘体跃迁，以及跳跃传导的重要性。模型器件的线性功率密度达到7.36 MW/cm2，比同类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，因为离子注入倾向于石墨化结构。

碳化硅电子成熟
虽然用于极端环境的金刚石器件的开发还处于早期阶段，但SiC集成正在接近一个可行的技术平台。Neudeck和同事们在NASA的“金星电池”中演示了在1000°C的温度范围内稳定运行，而不改变输入信号或供电电压。他们的设备是基于SiC jfet，与TaSi₂金属化完全埋藏在SiN下。埋设互连线可以保护它们免受氧化和暴露在腐蚀性环境中。同样，使用jfet，而不是mosfet，因为在这些条件下，栅极氧化物稳定性是mosfet的一个问题。

“没有什么比外延SiC p-n结更稳定的了，”Neudeck说。

事实上，碳化硅和金刚石在极端条件下都是稳定的。更困难的挑战是制造稳定的互连和触点，并保护它们不开裂和氧化。高温SiC器件失效的两个主要机制是金和大气氧向接触界面的迁移，以及扩散阻挡层与接触金属化之间的金属间混合。NASA的电子工程师Robert Okojie和他的同事使用了Ti/TaSi₂/Ti/Pt叠层，TiPt扩散阻挡层接触n型SiC。设备在800°C下可靠工作100小时以上。虽然确实发生了扩散，但在老化期后，器件特性稳定下来。

然而，进一步缩小NASA第10代(~200个晶体管)工艺的特征尺寸一直具有挑战性，随着互连率和耐久性问题在更高的密度下日益增加。显然，还有大量的流程优化工作要做。Neudeck说，另一方面，互连技术的进步是可移植的，应该适用于SiC和金刚石电子产品。

把金星的电子设备带到地球
虽然行星探索是一个微小的、专门的市场利基，但发动机设计、工业化学和发电厂只是具有同样苛刻要求的地球应用中的几个。首先是金星，然后可能是你附近的喷气发动机。