高温半导体关键应用凸显，迎头赶上乃当务之急

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作者：罗宁胜 博士， Cissoid公司中国区总经理
         
        摘要
        本文从什么是高温半导体？为什么要用高温半导体？怎样应用高温半导体？这些基本问题着手，通过直接介绍半导体器件的可靠性原理，说明高温半导体器件在关键应用中的寿命计算模型，从而提出对提升和保证航天、航空、石油、高铁、电动汽车、清洁能源等等其他工业领域应用相当重要的高温半导体器件使用模式，以及未来相关产业发展建议。
         
        温度其实就是半导体器件的命门。 基于硅材料的半导体结在高温下本身就是不工作的。具体地讲，一般情况下，随着温度的升高，由于热效应自然产生电子空穴对，硅基的本征载流子浓度不断升高， 由此半导体结工作的最为重要的掺杂载流子浓度受到抵制，半导体结的性能则不断下降。一般在70摄氏度时开始表现十分明显，到150-200摄氏度时几乎停止工作， 因为此时硅基是完全导电的状态。这一效应常常被称为半导体的温度载流子效应。另外，半导体器件中最为重要的结构是PN结势垒，它是构成MOSFET的基础。然而，当温度升高到150-200度之间时，本征载流子浓度升高的程度已使该PN结势垒消失而导致半导体性能崩溃，这常常被称为半导体的结温效应。
         
        基于硅基半导体材料的温度局限，行业中将消费电子器件一般定标在最高70摄氏度，工业电子定标在最高85摄氏度，而军用电子定标在最高125摄氏度。然而，随着工业应用的不断拓展的需要，国际上的半导体专家已经一直在不断地挑战这一极限。对耐高温器件的总体需求表现在两个重要方面，第一是应用环境本身就是高温环境，例如航天中遇到的外星球环境（例如月球白天表面温度为127摄氏度），石油中的深度地层环境（超过7000米的地层，可能会达到150、 175甚至200摄氏度以上），许多任务业应用中的发动机和电动机周围（如飞机、火车、船舶和电动汽车等）。第二，电力电子本身发热所造成的高温。所有电力电子都会发热，包括MOSFET、电源模块及驱动模块等等。由于电力电子器件自身发热使其工作温度升高，就会使器件的寿命大为缩短。面对这一难题，通常的解决办法是附设冷却系统，这样又会带来可靠性的问题，因为这样使冷却系统的可靠性来决定了电力电子系统的可靠性，当然这也是没有办法时的办法。但在某些特殊情况下，当我们无法安装和配备冷却系统时，电力电子自身发热就成为了致命的难题。
         
        由于半导体器件是通过掺杂的物理化学工艺制作而成的，其工作温度和工作寿命即成为了关乎其可靠性的且相互关联的要素。一般工作温度越高，则工作寿命则越短，反映这一半导体温度寿命关系的曲线即是Arrhenius 曲线或模型（见下图）。
           

       

         
       
        传统硅基半导体的温度寿命曲线在两条彩色线范围。很明显，当温度升到100摄氏度后，其寿命（对数坐标）迅速缩短（载流子效应或称为迁移率效应），接近150-200摄氏度时寿命急剧下降（结温效应导致锁闭/崩溃）。基于这一机制，为了确保在某一温度下的寿命，我们通常进行加速老化试验，即人为地升温到某一较高温度下测试若干小时，然后通过Arrhenius 公式来折算其工作温度下的确保寿命。然而，对普通的硅基半导体器件而言，当应用工作温度超过125摄氏度时，再升高温度就会在很短时间使器件损坏，因而处于无法保证工作寿命的困境。
         
        传统硅基半导体所面临的高温困境在航天领域表现得最为突出。由于航天项目的高额成本，以及几乎无法维护和检修的特点，以至于航天器对高可靠性的追求达到了极致。对外层空间飞行的航天器来说，由于一般在 -195摄氏度太空背景温度下工作，电力电子的发热一般能很快通过热辐射方式散掉，温度也许还不是很严重的问题。但对于着陆型航天器而言，外星球的温度也许会很高（例如月球表面白天的温度可达127摄氏度），对外辐射制冷已基本失效，而又也许外星球上没有空气和水来进行风冷和水冷，这样在几乎无制冷机制的情况下，电力电子器件本身的发热就会使器件的工作温度不断上升至175、200摄氏度甚至更高，从而加速了器件的老化、缩短了其工作寿命。
         
        更特别值得一提的是，当我们对传统硅基半导体器件进行选件时，由于器件本身温度性能的限制，我们通常只要求测试到125/150摄氏度1000小时而已。这即为可靠性问题埋下很大的隐患，一方面，如果由于器件自身发热使实际工作温度可能会高出125/150摄氏度, 这样可保证的寿命就会从1000小时缩短到几百小时；另一方面，所测寿命1000小时也只是一个平均值而已，对单个器件而言也许会或左或右偏离该值，左偏的结果即是寿命只有几百小时。由于短板效应，整个系统的可靠性取决于其最为薄弱的器件的可靠性，而传统硅基半导体温度性能的局限又使得设计冗余严重不够， 这样可能会导致系统的实际可靠性低于设计指标。因此，航天领域一直在极力追求最高可靠耐高温半导体器件，其保证可靠性的选件指标已不再是125/150 摄氏度1000小时了， 而是如上图所示的全温度寿命曲线。
         
        Cissoid 公司基于SOI的硅基半导体技术在某种程度上突破了半导体器件的温度困境，其连续工作温度寿命曲线（如图黑线）可达175摄氏度 15年、225 摄氏度 5 年、250 摄氏度2.5 年、280摄氏度 1.3年等等，而且明显地回避了载流子效应和结温效应的影响。因此，Cissoid 公司的高温半导体器件长期以来被应用于航天领域，也是美国宇航局（NASA）航天项目的选件。
         
        由于在空中一般无法进行维护和检修，而且如果在空中出现故障所导致的结果很有可能是灾难性的，因此航空领域对高温半导体器件的需求也类似于航天，除发动机周边的高温环境外，其对电力电子器件的可靠性要求也很高（如175摄氏度 15年），这样才能保证其电力电子（MOSFET、电源模块和驱动模块等）能承受器件本身发热导致的高温，而且还要能达到超过10年以上的寿命。
         
        高温半导体器件的另一个重大应用领域是石油和天然气的勘探、测试及开采作业。一般井钻得越深，温度就越高，过7000米后，175甚至200摄氏度都是常见的事。随钻的测试和控制设备、长期监测的设备、以及井下的生产设备对可靠性要求都很高，因为这些设备的故障所导致的成本增加是惊人的，尤其是在海上钻井勘探和作业时更为明显。
        高温半导体器件在清洁能源、高铁及电动汽车等工业领域也有许多很好的应用。谈及高温半导体器件，许多人自然会想到碳化硅。碳化硅器件的片芯耐受温度可达400-600摄氏度，而且开关频率很高，因而日趋取代IGBT成为下一代功率半导体器件。碳化硅器件能耐高温，但如果其周围的驱动器件仍采用传统的硅基器件而不能耐高温的话，则依旧需要冷却系统的支持，这样碳化硅的高温性能就不能得以发挥。只有采用高温器件作为碳化硅开关的驱动器件，其耐高温特性才能得以发挥，即可减小甚至去除对冷却系统的需求。因此，随着碳化硅器件的广泛应用，对高温半导体器件的需求也会随之大大增加。
         
        高温半导体/电子技术包括高温半导体片芯工艺、封装工艺、焊接和组装工艺等各个方面，以及高温器件在不同系统中的应用。国内在这些方面都极其薄弱，甚至高温半导体的研究课题都很少见到，更不用说商用产品的开发了。今年5月13-15日在美国举办了高温电子国际会议（HiTEC 2014），但都是美国和欧洲的各公司及研究机构在积极参与，还未见到有任何国内公司和研究机构参加，国内在该领域的薄弱就可见一斑了。因此，作者呼吁国家在该领域多点立项开展基础研究，同时鼓励企业开发高温半导体产品和应用解决方案，以带动整个高温电子产业链。同时建议中国半导体协会等行业组织成立高温电子分会，举办国内和国际性的高温半导体/电子技术研讨会等等，通过鼓励业界积极与国外同行交流，以推动国内整个高温半导体/电子行业的发展。