高溫半導(dǎo)體關(guān)鍵應(yīng)用凸顯，迎頭趕上乃當(dāng)務(wù)之急

摘要
本文從什么是高溫半導(dǎo)體？為什么要用高溫半導(dǎo)體？怎樣應(yīng)用高溫半導(dǎo)體？這些基本問題著手，通過直接介紹半導(dǎo)體器件的可靠性原理，說明高溫半導(dǎo)體器件在關(guān)鍵應(yīng)用中的壽命計(jì)算模型，從而提出對(duì)提升和保證航天、航空、石油、高鐵、電動(dòng)汽車、清潔能源等等其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)重要的高溫半導(dǎo)體器件使用模式，以及未來相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。

溫度其實(shí)就是半導(dǎo)體器件的命門。 基于硅材料的半導(dǎo)體結(jié)在高溫下本身就是不工作的。具體地講，一般情況下，隨著溫度的升高，由于熱效應(yīng)自然產(chǎn)生電子空穴對(duì)，硅基的本征載流子濃度不斷升高， 由此半導(dǎo)體結(jié)工作的最為重要的摻雜載流子濃度受到抵制，半導(dǎo)體結(jié)的性能則不斷下降。一般在70攝氏度時(shí)開始表現(xiàn)十分明顯，到150-200攝氏度時(shí)幾乎停止工作， 因?yàn)榇藭r(shí)硅基是完全導(dǎo)電的狀態(tài)。這一效應(yīng)常常被稱為半導(dǎo)體的溫度載流子效應(yīng)。另外，半導(dǎo)體器件中最為重要的結(jié)構(gòu)是PN結(jié)勢(shì)壘，它是構(gòu)成MOSFET的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)溫度升高到150-200度之間時(shí)，本征載流子濃度升高的程度已使該P(yáng)N結(jié)勢(shì)壘消失而導(dǎo)致半導(dǎo)體性能崩潰，這常常被稱為半導(dǎo)體的結(jié)溫效應(yīng)。

基于硅基半導(dǎo)體材料的溫度局限，行業(yè)中將消費(fèi)電子器件一般定標(biāo)在最高70攝氏度，工業(yè)電子定標(biāo)在最高85攝氏度，而軍用電子定標(biāo)在最高125攝氏度。然而，隨著工業(yè)應(yīng)用的不斷拓展的需要，國際上的半導(dǎo)體專家已經(jīng)一直在不斷地挑戰(zhàn)這一極限。對(duì)耐高溫器件的總體需求表現(xiàn)在兩個(gè)重要方面，第一是應(yīng)用環(huán)境本身就是高溫環(huán)境，例如航天中遇到的外星球環(huán)境（例如月球白天表面溫度為127攝氏度），石油中的深度地層環(huán)境（超過7000米的地層，可能會(huì)達(dá)到150、 175甚至200攝氏度以上），許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)周圍（如飛機(jī)、火車、船舶和電動(dòng)汽車等）。第二，電力電子本身發(fā)熱所造成的高溫。所有電力電子都會(huì)發(fā)熱，包括MOSFET、電源模塊及驅(qū)動(dòng)模塊等等。由于電力電子器件自身發(fā)熱使其工作溫度升高，就會(huì)使器件的壽命大為縮短。面對(duì)這一難題，通常的解決辦法是附設(shè)冷卻系統(tǒng)，這樣又會(huì)帶來可靠性的問題，因?yàn)檫@樣使冷卻系統(tǒng)的可靠性來決定了電力電子系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)然這也是沒有辦法時(shí)的辦法。但在某些特殊情況下，當(dāng)我們無法安裝和配備冷卻系統(tǒng)時(shí)，電力電子自身發(fā)熱就成為了致命的難題。

由于半導(dǎo)體器件是通過摻雜的物理化學(xué)工藝制作而成的，其工作溫度和工作壽命即成為了關(guān)乎其可靠性的且相互關(guān)聯(lián)的要素。一般工作溫度越高，則工作壽命則越短，反映這一半導(dǎo)體溫度壽命關(guān)系的曲線即是Arrhenius 曲線或模型（見下圖）。

傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的溫度壽命曲線在兩條彩色線范圍。很明顯，當(dāng)溫度升到100攝氏度后，其壽命（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）迅速縮短（載流子效應(yīng)或稱為遷移率效應(yīng)），接近150-200攝氏度時(shí)壽命急劇下降（結(jié)溫效應(yīng)導(dǎo)致鎖閉/崩潰）?；谶@一機(jī)制，為了確保在某一溫度下的壽命，我們通常進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，即人為地升溫到某一較高溫度下測(cè)試若干小時(shí)，然后通過Arrhenius 公式來折算其工作溫度下的確保壽命。然而，對(duì)普通的硅基半導(dǎo)體器件而言，當(dāng)應(yīng)用工作溫度超過125攝氏度時(shí)，再升高溫度就會(huì)在很短時(shí)間使器件損壞，因而處于無法保證工作壽命的困境。

傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體所面臨的高溫困境在航天領(lǐng)域表現(xiàn)得最為突出。由于航天項(xiàng)目的高額成本，以及幾乎無法維護(hù)和檢修的特點(diǎn)，以至于航天器對(duì)高可靠性的追求達(dá)到了極致。對(duì)外層空間飛行的航天器來說，由于一般在 -195攝氏度太空背景溫度下工作，電力電子的發(fā)熱一般能很快通過熱輻射方式散掉，溫度也許還不是很嚴(yán)重的問題。但對(duì)于著陸型航天器而言，外星球的溫度也許會(huì)很高（例如月球表面白天的溫度可達(dá)127攝氏度），對(duì)外輻射制冷已基本失效，而又也許外星球上沒有空氣和水來進(jìn)行風(fēng)冷和水冷，這樣在幾乎無制冷機(jī)制的情況下，電力電子器件本身的發(fā)熱就會(huì)使器件的工作溫度不斷上升至175、200攝氏度甚至更高，從而加速了器件的老化、縮短了其工作壽命。

更特別值得一提的是，當(dāng)我們對(duì)傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件進(jìn)行選件時(shí)，由于器件本身溫度性能的限制，我們通常只要求測(cè)試到125/150攝氏度1000小時(shí)而已。這即為可靠性問題埋下很大的隱患，一方面，如果由于器件自身發(fā)熱使實(shí)際工作溫度可能會(huì)高出125/150攝氏度, 這樣可保證的壽命就會(huì)從1000小時(shí)縮短到幾百小時(shí)；另一方面，所測(cè)壽命1000小時(shí)也只是一個(gè)平均值而已，對(duì)單個(gè)器件而言也許會(huì)或左或右偏離該值，左偏的結(jié)果即是壽命只有幾百小時(shí)。由于短板效應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性取決于其最為薄弱的器件的可靠性，而傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體溫度性能的局限又使得設(shè)計(jì)冗余嚴(yán)重不夠， 這樣可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)際可靠性低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，航天領(lǐng)域一直在極力追求最高可靠耐高溫半導(dǎo)體器件，其保證可靠性的選件指標(biāo)已不再是125/150 攝氏度1000小時(shí)了， 而是如上圖所示的全溫度壽命曲線。

Cissoid 公司基于SOI的硅基半導(dǎo)體技術(shù)在某種程度上突破了半導(dǎo)體器件的溫度困境，其連續(xù)工作溫度壽命曲線（如圖黑線）可達(dá)175攝氏度 15年、225 攝氏度 5 年、250 攝氏度2.5 年、280攝氏度 1.3年等等，而且明顯地回避了載流子效應(yīng)和結(jié)溫效應(yīng)的影響。因此，Cissoid 公司的高溫半導(dǎo)體器件長期以來被應(yīng)用于航天領(lǐng)域，也是美國宇航局（NASA）航天項(xiàng)目的選件。

由于在空中一般無法進(jìn)行維護(hù)和檢修，而且如果在空中出現(xiàn)故障所導(dǎo)致的結(jié)果很有可能是災(zāi)難性的，因此航空領(lǐng)域?qū)Ω邷匕雽?dǎo)體器件的需求也類似于航天，除發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的高溫環(huán)境外，其對(duì)電力電子器件的可靠性要求也很高（如175攝氏度 15年），這樣才能保證其電力電子（MOSFET、電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等）能承受器件本身發(fā)熱導(dǎo)致的高溫，而且還要能達(dá)到超過10年以上的壽命。

高溫半導(dǎo)體器件的另一個(gè)重大應(yīng)用領(lǐng)域是石油和天然氣的勘探、測(cè)試及開采作業(yè)。一般井鉆得越深，溫度就越高，過7000米后，175甚至200攝氏度都是常見的事。隨鉆的測(cè)試和控制設(shè)備、長期監(jiān)測(cè)的設(shè)備、以及井下的生產(chǎn)設(shè)備對(duì)可靠性要求都很高，因?yàn)檫@些設(shè)備的故障所導(dǎo)致的成本增加是驚人的，尤其是在海上鉆井勘探和作業(yè)時(shí)更為明顯。

高溫半導(dǎo)體器件在清潔能源、高鐵及電動(dòng)汽車等工業(yè)領(lǐng)域也有許多很好的應(yīng)用。談及高溫半導(dǎo)體器件，許多人自然會(huì)想到碳化硅。碳化硅器件的片芯耐受溫度可達(dá)400-600攝氏度，而且開關(guān)頻率很高，因而日趨取代IGBT成為下一代功率半導(dǎo)體器件。碳化硅器件能耐高溫，但如果其周圍的驅(qū)動(dòng)器件仍采用傳統(tǒng)的硅基器件而不能耐高溫的話，則依舊需要冷卻系統(tǒng)的支持，這樣碳化硅的高溫性能就不能得以發(fā)揮。只有采用高溫器件作為碳化硅開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器件，其耐高溫特性才能得以發(fā)揮，即可減小甚至去除對(duì)冷卻系統(tǒng)的需求。因此，隨著碳化硅器件的廣泛應(yīng)用，對(duì)高溫半導(dǎo)體器件的需求也會(huì)隨之大大增加。

高溫半導(dǎo)體/電子技術(shù)包括高溫半導(dǎo)體片芯工藝、封裝工藝、焊接和組裝工藝等各個(gè)方面，以及高溫器件在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用。國內(nèi)在這些方面都極其薄弱，甚至高溫半導(dǎo)體的研究課題都很少見到，更不用說商用產(chǎn)品的開發(fā)了。今年5月13-15日在美國舉辦了高溫電子國際會(huì)議（HiTEC 2014），但都是美國和歐洲的各公司及研究機(jī)構(gòu)在積極參與，還未見到有任何國內(nèi)公司和研究機(jī)構(gòu)參加，國內(nèi)在該領(lǐng)域的薄弱就可見一斑了。因此，作者呼吁國家在該領(lǐng)域多點(diǎn)立項(xiàng)開展基礎(chǔ)研究，同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)開發(fā)高溫半導(dǎo)體產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案，以帶動(dòng)整個(gè)高溫電子產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)建議中國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)等行業(yè)組織成立高溫電子分會(huì)，舉辦國內(nèi)和國際性的高溫半導(dǎo)體/電子技術(shù)研討會(huì)等等，通過鼓勵(lì)業(yè)界積極與國外同行交流，以推動(dòng)國內(nèi)整個(gè)高溫半導(dǎo)體/電子行業(yè)的發(fā)展。