高溫半導體關鍵應用凸顯,迎頭趕上乃當務之急

摘要
本文從什麼是高溫半導體？為什麼要用高溫半導體？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，以及未來相關產業發展建議。

溫度其實就是半導體器件的命門。 基於矽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，由於熱效應自然產生電子空穴對，矽基的本徵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攝氏度時開始表現十分明顯，到150-200攝氏度時幾乎停止工作， 因為此時矽基是完全導電的狀態。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，本徵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。

基於矽基半導體材料的溫度局限，行業中將消費電子器件一般定標在最高70攝氏度，工業電子定標在最高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這一極限。對耐高溫器件的總體需求表現在兩個重要方面，第一是應用環境本身就是高溫環境，例如航天中遇到的外星球環境（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），許多任務業應用中的發動機和電動機周圍（如飛機、火車、船舶和電動汽車等）。第二，電力電子本身發熱所造成的高溫。所有電力電子都會發熱，包括MOSFET、電源模塊及驅動模塊等等。由於電力電子器件自身發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，這樣又會帶來可靠性的問題，因為這樣使冷卻系統的可靠性來決定了電力電子系統的可靠性，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時，電力電子自身發熱就成為了致命的難題。

由於半導體器件是通過摻雜的物理化學工藝製作而成的，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係的曲線即是Arrhenius 曲線或模型（見下圖）。

傳統矽基半導體的溫度壽命曲線在兩條彩色線範圍。很明顯，當溫度升到100攝氏度後，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）。基於這一機制，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，然後通過Arrhenius 公式來折算其工作溫度下的確保壽命。然而，對普通的矽基半導體器件而言，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，因而處於無法保證工作壽命的困境。

傳統矽基半導體所面臨的高溫困境在航天領域表現得最為突出。由於航天項目的高額成本，以及幾乎無法維護和檢修的特點，以至於太空飛行器對高可靠性的追求達到了極致。對外層空間飛行的太空飛行器來說，由於一般在 -195攝氏度太空背景溫度下工作，電力電子的發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。但對於著陸型太空飛行器而言，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），對外輻射製冷已基本失效，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，當我們對傳統矽基半導體器件進行選件時，由於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，如果由於器件自身發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。由於短板效應，整個系統的可靠性取決於其最為薄弱的器件的可靠性，而傳統矽基半導體溫度性能的局限又使得設計冗餘嚴重不夠， 這樣可能會導致系統的實際可靠性低於設計指標。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 公司基於SOI的矽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，而且明顯地迴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於航天領域，也是美國宇航局（NASA）航天項目的選件。

由於在空中一般無法進行維護和檢修，而且如果在空中出現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於航天，除發動機周邊的高溫環境外，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、測試及開採作業。一般井鑽得越深，溫度就越高，過7000米後，175甚至200攝氏度都是常見的事。隨鑽的測試和控制設備、長期監測的設備、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，尤其是在海上鑽井勘探和作業時更為明顯。

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矽。碳化矽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。碳化矽器件能耐高溫，但如果其周圍的驅動器件仍採用傳統的矽基器件而不能耐高溫的話，則依舊需要冷卻系統的支持，這樣碳化矽的高溫性能就不能得以發揮。只有採用高溫器件作為碳化矽開關的驅動器件，其耐高溫特性才能得以發揮，即可減小甚至去除對冷卻系統的需求。因此，隨著碳化矽器件的廣泛應用，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，作者呼籲國家在該領域多點立項開展基礎研究，同時鼓勵企業開發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鏈。同時建議中國半導體協會等行業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/電子行業的發展。