高溫半導體關鍵應用凸顯，迎頭趕上乃當務之急

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

溫度其實就是半導體器件的命門。 基于硅材料的半導體結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，由于熱效應自然產生電子空穴對，硅基的本征載流子濃度不斷升高， 由此半導體結工作的最為重要的摻雜載流子濃度受到抵制，半導體結的性能則不斷下降。一般在70攝氏度時開始表現(xiàn)十分明顯，到150-200攝氏度時幾乎停止工作， 因為此時硅基是完全導電的狀態(tài)。這一效應常常被稱為半導體的溫度載流子效應。另外，半導體器件中最為重要的結構是PN結勢壘，它是構成MOSFET的基礎。然而，當溫度升高到150-200度之間時，本征載流子濃度升高的程度已使該PN結勢壘消失而導致半導體性能崩潰，這常常被稱為半導體的結溫效應。

基于硅基半導體材料的溫度局限，行業(yè)中將消費電子器件一般定標在最高70攝氏度，工業(yè)電子定標在最高85攝氏度，而軍用電子定標在最高125攝氏度。然而，隨著工業(yè)應用的不斷拓展的需要，國際上的半導體專家已經一直在不斷地挑戰(zhàn)這一極限。對耐高溫器件的總體需求表現(xiàn)在兩個重要方面，第一是應用環(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，可能會達到150、 175甚至200攝氏度以上），許多任務業(yè)應用中的發(fā)動機和電動機周圍（如飛機、火車、船舶和電動汽車等）。第二，電力電子本身發(fā)熱所造成的高溫。所有電力電子都會發(fā)熱，包括MOSFET、電源模塊及驅動模塊等等。由于電力電子器件自身發(fā)熱使其工作溫度升高，就會使器件的壽命大為縮短。面對這一難題，通常的解決辦法是附設冷卻系統(tǒng)，這樣又會帶來可靠性的問題，因為這樣使冷卻系統(tǒng)的可靠性來決定了電力電子系統(tǒng)的可靠性，當然這也是沒有辦法時的辦法。但在某些特殊情況下，當我們無法安裝和配備冷卻系統(tǒng)時，電力電子自身發(fā)熱就成為了致命的難題。

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

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

傳統(tǒng)硅基半導體所面臨的高溫困境在航天領域表現(xiàn)得最為突出。由于航天項目的高額成本，以及幾乎無法維護和檢修的特點，以至于航天器對高可靠性的追求達到了極致。對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重的問題。但對于著陸型航天器而言，外星球的溫度也許會很高（例如月球表面白天的溫度可達127攝氏度），對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行風冷和水冷，這樣在幾乎無制冷機制的情況下，電力電子器件本身的發(fā)熱就會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，當我們對傳統(tǒng)硅基半導體器件進行選件時，由于器件本身溫度性能的限制，我們通常只要求測試到125/150攝氏度1000小時而已。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)熱使實際工作溫度可能會高出125/150攝氏度, 這樣可保證的壽命就會從1000小時縮短到幾百小時；另一方面，所測壽命1000小時也只是一個平均值而已，對單個器件而言也許會或左或右偏離該值，左偏的結果即是壽命只有幾百小時。由于短板效應，整個系統(tǒng)的可靠性取決于其最為薄弱的器件的可靠性，而傳統(tǒng)硅基半導體溫度性能的局限又使得設計冗余嚴重不夠， 這樣可能會導致系統(tǒng)的實際可靠性低于設計指標。因此，航天領域一直在極力追求最高可靠耐高溫半導體器件，其保證可靠性的選件指標已不再是125/150 攝氏度1000小時了， 而是如上圖所示的全溫度壽命曲線。

Cissoid 公司基于SOI的硅基半導體技術在某種程度上突破了半導體器件的溫度困境，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和結溫效應的影響。因此，Cissoid 公司的高溫半導體器件長期以來被應用于航天領域，也是美國宇航局（NASA）航天項目的選件。

由于在空中一般無法進行維護和檢修，而且如果在空中出現(xiàn)故障所導致的結果很有可能是災難性的，因此航空領域對高溫半導體器件的需求也類似于航天，除發(fā)動機周邊的高溫環(huán)境外，其對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、電源模塊和驅動模塊等）能承受器件本身發(fā)熱導致的高溫，而且還要能達到超過10年以上的壽命。

高溫半導體器件的另一個重大應用領域是石油和天然氣的勘探、測試及開采作業(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。隨鉆的測試和控制設備、長期監(jiān)測的設備、以及井下的生產設備對可靠性要求都很高，因為這些設備的故障所導致的成本增加是驚人的，尤其是在海上鉆井勘探和作業(yè)時更為明顯。

高溫半導體器件在清潔能源、高鐵及電動汽車等工業(yè)領域也有許多很好的應用。談及高溫半導體器件，許多人自然會想到碳化硅。碳化硅器件的片芯耐受溫度可達400-600攝氏度，而且開關頻率很高，因而日趨取代IGBT成為下一代功率半導體器件。碳化硅器件能耐高溫，但如果其周圍的驅動器件仍采用傳統(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的驅動器件，其耐高溫特性才能得以發(fā)揮，即可減小甚至去除對冷卻系統(tǒng)的需求。因此，隨著碳化硅器件的廣泛應用，對高溫半導體器件的需求也會隨之大大增加。

高溫半導體/電子技術包括高溫半導體片芯工藝、封裝工藝、焊接和組裝工藝等各個方面，以及高溫器件在不同系統(tǒng)中的應用。國內在這些方面都極其薄弱，甚至高溫半導體的研究課題都很少見到，更不用說商用產品的開發(fā)了。今年5月13-15日在美國舉辦了高溫電子國際會議（HiTEC 2014），但都是美國和歐洲的各公司及研究機構在積極參與，還未見到有任何國內公司和研究機構參加，國內在該領域的薄弱就可見一斑了。因此，作者呼吁國家在該領域多點立項開展基礎研究，同時鼓勵企業(yè)開發(fā)高溫半導體產品和應用解決方案，以帶動整個高溫電子產業(yè)鏈。同時建議中國半導體協(xié)會等行業(yè)組織成立高溫電子分會，舉辦國內和國際性的高溫半導體/電子技術研討會等等，通過鼓勵業(yè)界積極與國外同行交流，以推動國內整個高溫半導體/電子行業(yè)的發(fā)展。