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金星来电:碳化硅电路可以承受地狱般的高温

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EETOP半导体社区 2021-07-26 13:21

来源:悦智网

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新冠疫情蔓延的2020年夏季鲜有好事。 其中最令人印象深刻的事件之一是美国宇航员乘坐太空探索技术公司(SpaceX)的商业飞船飞往国际空间站并安全返回地球。出于多方面的原因,这次飞行意义重大,其中一个原因是它表明,未来美国航空航天局(NASA)可以从载人到近地轨道的需求中解脱出来,瞄准更远的地方,也许会像金星那么远。

在金星大气中发现磷化氢气体(现在有点争议)激起了人们对可能前往金星执行探索任务的兴奋之情,磷化氢气体的发现说明可能存在微生物生命。不过,这颗从太阳向外数的第二颗行星的环境非常极端,即便是登陆时间最长的苏联“金星13号”探测器也只能发送2小时7分钟的数据。金星表面平均温度为464℃,大气中充满腐蚀性极强的硫酸飞沫,表面大气压力约为地球的90倍。尽管如此,科学家仍然视金星为我们地球的“姐妹”。

当然,金星和地球的大小和质量非常接近。还有证据表明,两颗行星早期的情况也类似:30亿年前,金星可能像地球一样有着巨大的海洋,因此也许还有生命。那么,是什么灾难性事件导致金星上没有水了呢?行星科学家很想知道,因为它可能会告诉我们,随着气候变化,我们的命运如何。

为了解决这个问题以及金星的其他谜题,我们需要几台能力强大的机器人登陆器。那么,我们能造出可以在如此恶劣的环境中度过几个月甚至几年而非几个小时的机器(配备仪表、通信设备且具有可控性和机动性的设备)吗?

答案是:能。自20世纪60年代苏联开始向金星发射金星系列登陆器以来,材料技术取得了很大进步,足以确保未来登陆器的外壳和机械结构能够维持数月。不过,那些脆弱的电子产品呢?目前的硅基系统在金星环境下坚持不了一天。(当然,我们指的是地球日。金星的一天是243个地球日。)即使加上主动式冷却系统,也无法多坚持24小时。

解决办法是将碳和硅这两种储量丰富的元素以1:1的比例结合在一起,制成一种叫碳化硅(SiC)的半导体。碳化硅可以承受极高的温度,并且可在高温下正常工作。NASA格伦研究中心的科学家已经让碳化硅电路在500℃的温度下运行了一年多,这证明它们不仅可以承受高温,而且可以在金星登陆器需要的寿命周期内持续运行。

碳化硅已经在太阳能逆变器、电动汽车电机驱动电子设备和先进的智能电网开关设备等动力电子领域崭露头角,但是,制造碳化硅电路使其能够控制在金星严酷的环境下运行的探测器并将数据发送回地球,将是对这种材料的极限测试。如果成功,我们将不仅能在太阳系最不宜居的地点之一建立起一个移动前哨站,还将深入了解如何将无线传感器用在地球上从未应用过的地方,例如喷气式发动机和天然气涡轮机的叶片上、深井钻机的钻头和高温高压工业制造工艺的主机内部等。在这些地方放置电子设备有助于降低设备的操作和维护成本,同时改善工业环境中仪器和人员的表现和安全性。

事实上,我们团队(成员来自斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院和费耶特维尔阿肯色大学)相信碳化硅电路可以帮助我们实现这个目标,甚至走得更远,用于我们还没有想到的应用领域。

碳化硅并不是一种新材料。1895年,爱德华•古德里奇•艾奇逊实现了碳化硅的大规模生产。在这位美国化学家试图制造人造钻石的实验中产生了碳化硅晶体。1906年,亨利•哈里森•蔡斯•邓伍迪发明了碳化硅无线电探测器,这种化合物首次成功用作电子材料。直到今天,它仍被认为是第一款商用半导体器件。

不过,大尺寸的碳化硅晶体很难以可重复的方式制造,直到20世纪90年代末,工程师们才发明了能够使晶体很好地生长并用于制造功率晶体管的设备。这些最初的碳化硅晶圆直径只有30毫米,但随着工业的发展,已经慢慢实现了50毫米、75毫米、100毫米、150毫米和现在200毫米的晶圆直径,这使设备变得更加经济。在过去20年里,伴随稳健的研究进步,现在碳化硅功率半导体器件已可以商业化采购。

作为一种半导体材料,碳化硅具有一些非常吸引人的特性。首先,它的临界电场强度几乎是硅的10倍。临界电场强度基本上相当于物质分解的临界点,在该临界点,物质会开始不受控制地控导电,有时还会导致爆炸。因此,对比碳化硅器件和同尺寸硅器件,前者可以处理的电压是后者的10倍。换句话说,如果两根晶体管处理的电压相同,碳化硅器件的尺寸可能要小得多。这种尺寸上的差异可转化为功耗优势。在相同的“击穿电压”(例如1200伏)下,碳化硅晶体管的“导通”电阻是硅晶体管的1/200到1/400,因此其功率损耗更低。尺寸更小的晶体管还可以在功率转换器中实现更高的开关频率,这意味着可以制造更小、更轻、更便宜的电容器和电感器。

碳化硅第二个令人惊讶的特性是热导率: 碳化硅因导电而升温时,可以迅速排出热量,延长器件的寿命。 实际上,在宽带隙半导体中,碳化硅的热导率仅次于金刚石。 借助这一属性,我们可以将大功率碳化硅晶体管连接到更低功耗的硅元件所使用的相同大小的散热器上,并且仍然可以得到一个功能齐全、经久耐用的设备。

第三个特性与在金星上运行最为相关,即在室温下碳化硅的本征电荷载流子浓度非常低。本征载流子浓度表明了热能使多少电荷载流子导电。(向半导体掺入另一种元素的原子可以增加可用载流子,但是,本征浓度表示的是没有掺杂的情况下的浓度。)你可能认为,这里的低值(特别是比硅的值低)是一件坏事,但如果想在高温下工作,情况就不是这样了。

原因如下:温度上升时,作为半导体的硅停止工作并不是因为它发生熔化、燃烧或任何剧烈变化。相反,晶体管开始充满热产生的电荷载流子。热量使一些电子有足够的能量从价带(它们在价带中与原子结合)沸腾出来,进入导带,留下带正电的空穴。分离出来的电子和空穴有助于传导。在中等温度下(对硅来说是250℃到300℃),这只会使晶体管漏电并产生噪声,但在更高的温度下,本征载流子浓度超过了掺杂所能提供的载流子数量,晶体管就会像卡在“开”位置的开关一样再也无法关闭了。

相比之下,碳化硅具有更宽的带隙和更少的本征载流子,在“晶体管泛洪”前具有更大的温度净空,使其能够在800°C以上继续开关切换。

在这些特性的共同作用下,相比硅而言,碳化硅能够在更高的电压、功率和温度下工作。此外,即使在硅能够工作的温度下,碳化硅的性能也往往更优,因为碳化硅器件可以以更高的频率和更低的损耗完成开关切换。综上,我们就有了更高效、更结实耐用的器件,以及体积更小、重量更轻且能够在金星环境中运行的电路和系统。

虽然未来的金星登陆器需要一部分高压功率晶体管,但它的大部分电路(在处理器、传感器和无线电中)需要低压晶体管。相较于硅,针对碳化硅的开发更少,但由于存在封装问题,我们已经开始了研发。

随着分立碳化硅功率器件的商业化应用,工程师们认识到,有必要降低费电的不必要寄生电阻、电感和电容。一种方法是通过先进的封装方式,将控制、驱动和保护电路与功率器件更好地集成在一起。在硅电力电子设备中,这些电路位于印刷电路板(PCB)上,但在碳化硅功率晶体管所能达到的较高频率下,印刷电路板的寄生效应可能过大,会导致噪声过大。将这些电路与功率器件封装甚至集成在一起可以消除噪声。不过后一种办法也意味着要用碳化硅制作这些电路。

出于多方面的原因,在室温下,碳化硅并不是低压微电子设备的自然选择。也许最重要的原因是电压不可能真的一直那么低,所以功耗也不可能一直很低。硅的带隙较小,因此我们可以用1伏的电压来驱动微电子设备,但是碳化硅的带隙几乎是硅的3倍。因此,推动电流通过晶体管所需要的最低电压(即阈值电压)也较大。我们通常会使用15伏电压来给碳化硅“低压”微电子设备供电。

20多年来,世界各国的研究人员都在尝试制造碳化硅低压微电子设备,但最初的成果也很有限。不过,近10年来,我们大学以及科锐、弗劳恩霍夫集成系统和设备技术研究所、普渡大学、NASA格伦研究中心、马里兰大学和英国雷神公司的研究人员取得了一些突破。

栅极驱动器是阿肯色团队最早制造的主要微电子电路之一,它通过输入端或栅极直接控制功率晶体管。目前我们已经开发了这种电路的几个版本,它可以与功率器件一起封装(甚至可以置于功率器件的上方),并在与金星一样的温度下进行了测试。这种电路及其后来的版本能够非常精确地控制功率器件,最大限度地提高效率,同时尽量减少电磁干扰。其中最大的挑战是设计能够适应不断变化的环境,甚至能够考虑老化影响的设备,因为在金星恶劣的环境中,设备必然会老化。

栅极驱动器很重要,但在希望探索其他行星的科学家看来,无线电可能才是最重要的系统。毕竟,如果无法把数据发回地球,将一堆科学仪器送到另一个星球就没有意义。

对未来的行星探索任务来说,紧凑且结实耐用的无线电系统可能更为关键,因为我们可以用探测车携带数据,取代这些机器里成千上万根点对点线路中的一部分。取消电线,采用无线指挥和控制可以大大减轻重量,这对去往金星的4 000万公里旅行至关重要。

最近,我们的大部分工作都集中在设计和测试碳化硅行星际无线电收发器元件上。如果在地球上运行5G无线电,任何人都不会首选碳化硅。一方面,在室温下,它的电荷载流子迁移率低于硅,部分迁移率设定了半导体可以放大的频率上限。不过,在金星的表面温度下,硅根本无法工作,因此,让碳化硅来适应这项任务是明智的。

碳化硅在无线电频率方面确实有一个优点。载流子的稀少意味着用这种材料制成的器件的寄生电容较低。换言之,周围很少有电荷,因此这些电荷不太可能以降低设备性能的方式相互作用。

我们研发的收发器架构称为中低频外差(low-intermediate-frequency hete-rodyne,在希腊语中,“hetero”的意思是“不同的”,“dyne”的意思是“力量”)。为了解释它的含义,我们可以看看一个通过系统的接收端进入的输入信号。天线发出的无线电信号会被低噪放大器增强,然后馈送给混频器。混频器会将收到的信号与靠近该信号载波频率的另一个频率结合起来。这种混频产生了两个新的中频信号,一个比载波高,一个比载波低。然后低通滤波器会消除频率较高的信号。剩余的中频(更适合加工)信号会被放大,然后利用模数转换器进行数字化,将产生的比特(代表接收到的信号)传送给数字处理单元。

瑞典皇家理工学院开发的碳化硅双极结型晶体管(BJT)技术的高频性能决定了具备所有这些功能的射频电路的实现方式。这项技术给我们带来了制造一台发送和接收59兆赫信号的收发器所需要的基本射频电路。59兆赫信号是晶体管的高频限制和电路的无源元件限制之间的差额,后者在较低的频率下受到的限制更大。(这个频率大致在金星登陆器使用的80兆赫范围内。现代的金星探索任务很可能会首先将其数据发送至一颗绕金星运行的卫星,然后利用NASA的深空频率将数据传回地球。)

收发器的真正关键在于混频器,它能将59兆赫的信号向下转换为500千赫的中频。我们的混频器的核心是一个碳化硅双极结型晶体管,它会将传入的59兆赫射频信号和59.5兆赫信号都作为其输入。来自晶体管的集电极端的输出信号与电容器和电阻器(均能承受500℃高温)组成的网络相连,滤除高频,只留下500千赫的中频。

与混频器之后的低频模拟和数字电路相比,射频电路在各个研发阶段都带来了挑战,例如,缺少准确的晶体管模型、匹配阻抗以确保大部分信号通过的问题,以及电阻器、电容器、电感器和印刷电路板的可靠性等。

此外,其中的印刷电路板也与我们常见的印刷电路板不同。从手持设备到高端服务器,无处不在的FR-4电路板在金星条件下会快速下垂并解体。因此,我们采用的是“低温共烧陶瓷板”。芯片通过金丝而非铝线连接到这块坚硬的电路板上,因为铝很快就会软化。我们用银互连片(有的镀了钛)将元件连接到电路中,没有使用铜线的原因是铜线会从印刷电路板上脱落。电路板上的电感器是金制螺旋形。(因此这些电路非常昂贵。)

虽然混频器至关重要,但未来的金星探测器需要的远不止这些。到目前为止,我们已经在阿肯色大学和瑞典皇家理工学院设计、制造和测试了大约40种在500℃温度下工作的不同电路。这些电路包括收发器的其他射频和模拟部分,以及处理来自收发器和未来行星科学传感器的数据所需的许多数字电路。其中一些电路是许多工程师所熟悉的,例如555定时器、8位模数转换器和数模转换器、锁相环电路和布尔逻辑电路库。由于这些都是在大学小批量制造的零件,所以尚未开展长期测试。我们实验室最长在高温下进行了为期一两周的运行。我们也受到了其他小组的扩展实验的鼓舞,这些实验表明,我们的电路和设备可以运行更长时间。

引人注目的是,NASA格伦研究中心最近报告称,碳化硅集成电路(每块芯片上有近200个晶体管)在该中心的金星环境室中运行了整整60天。在这间环境室内,晶体管承受了9.3兆帕的压强、460℃的高温和金星特有的腐蚀性大气。这些晶体管均没有受损或失效,这表明如果可以更长时间处于该环境室内,它们可以继续坚持更久。

我们还有很多工作要做。我们需要把重点放在集成已开发的各种电路和提高工作电路的产量上,还必须开发更多的电路,并证明它们能够在金星表面温度下共同工作数月甚至数年且符合稳定性需求。要在喷气式和天然气涡轮机等装置中实现碳化硅无线电和其他低功率电路的商业应用,最后一点尤为重要。如果投入足够的精力并优先处理,不用几十年,这些可能几年后就能实现。

碳化硅电路能为未来的金星探索任务做好准备吗?我们有理由说,没有它们,探索任务就准备不好。

作者:Alan Mantooth、Carl-Mikael Zetterling、Ana Rusu

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