关于NASA开发出的在500摄氏度以上的极端环境能够应用的半导体器件的调研。
Introduction
Why 4H-SiC?
宽禁带半导体能够用于制造适合于极端条件的器件。在所有的宽禁带半导体中，目前只有SiC能够制造出CMOS的集成电路。
SiC是一种很好的宽禁带半导体材料。在室温下，其本征载流子浓度相比于Si是极低的。
SiC具有多种晶体结构，称为多型。3C-SiC是立方晶格（Cubic）结构，在高温下不稳定，因此不适合于制造器件。6H-SiC和4H-SiC都属于六方晶体（hexagonal）结构，其中数字4和6表示它们的晶胞中的层数，它们具有不同的电子能带结构。
- 4H-SiC：4H-SiC是SiC的一种优越多型，具有宽带隙、优异的热稳定性以及卓越的电学和机械特性。它适用于高功率和高频率应用，尤其在高温和高电压下表现出色。
- 6H-SiC：6H-SiC的缺陷密度较低，载流子复合速率也较低，因此更适用于高质量的基底应用。虽然它的电子性能较4H-SiC略差，但在特定用途下仍具有价值。
在1994年制备出4H-SiC的wafer之后，对于4H-多型的研究相比于6H-就远远占据上风。
这是因为电子迁移率在4H中要远远快于6H。
SiC的IC目前在1微米尺度，而目前硅集成电路的沟道长度已经可以达到8nm，结2nm。
Why 4H-SiC JFET IC?
商用的体硅和绝缘体上硅 (SOI) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 技术已经满足了高达 250 °C 的重要低功耗逻辑和信号处理要求。将 IC 工作温度范围扩展到远高于 300 °C 将会有一系列更广泛的用途。例如，用于更深的地热钻井的遥测系统、先进的喷气发动机仪表和控制以及金星地表探测器的数据收集（金星地表温度$\sim 460 C\degree$）。
尽管对于宽禁带半导体 SiC 的 IC 器件，在300℃以上的高温运行已经不是很困难的事情，但是以上应用要求集成电路能够在500℃以上的高温长时间稳定运行（1000h以上）。在现有研究中出现过的长期稳定高温集成电路器件仅仅只有SiC JFET这一种结构。
JFET结构在高温下稳定的优势：
- 是多子导电器件；
- epilayer使用同质pn结，漏电流更小；
- 对p型SiC上的门接触的敏感性最小；
- 欧姆接触位于n型注入区域。
相应地对于BJT型器件，在高温下稳定运行的劣势在于，是少子导电器件，且既需要n型欧姆接触又需要p型欧姆接触。
对高温长期稳定的SiC JFET器件持续开展研究的团队是以 David J. Spry 和 Philip G. Neudeck 为代表的NASA Glenn SiC IC 团队。目前仅有该团队能够造出500℃以上稳定运行超过1000h的SiC器件。该团队制作的IC可以实现环震(ring oscillators), 差分放大器(differential amplifiers), 触发器(flip-flops), 内存(memory)等功能。
从2016年到2023年，该团队制作的基于JFET-R的集成电路器件经过第8代到第13代的迭代，已经可以实现很高的集成度（在5x5mm 的晶粒上集成约3000晶体管）并在模拟金星大气环境下进行了60天的测试。
NASA JFET-R器件结构与工艺
器件结构
NASA的方案具有双层互联结构（interconnect），能够实现更加复杂的IC。
第八代：
第九代：
第十代：
第11代：
第12代和第13代：较为成熟的工艺，设计细节可以在官网3给出的资料里找到。需要注意的是在制备wafer的时候，JFET器件模型不仅会随着温度的变化而变化，还会随着SiC晶圆上的位置而变化。因此，电路设计应将这两个重要的器件性能依赖性都考虑在内。
SiC接触电极材料选择
在 David J. Spry 等人2016年的工作1中，第九代 JFET 集成电路的 SiC 接触点采用了 50nm 的 Hf 溅射层，而非第8代的 50nm Ti。而在 Philip G. Neudeck 和 Spry 等人2017年的工作2中，他们制备的用于更高温度（>900℃）极限测试的JFET集成电路仍然使用了Ti电极，作者声称尝试过Hf的方案但是以失败告终。可见Hf的加工是有一定难度的。
SiC 器件常用的接触电极材料：Hf（铪）、Ti（钛）和Ni（镍）。
Hf（铪）电极作为高温器件的电极材料具有许多优点：
高熔点：Hf的熔点非常高，约为2233°C。这使得Hf电极在高温环境下具有良好的稳定性和耐久性。
化学稳定性：Hf对氧化物和其他环境因素的抵抗能力较强，不易发生腐蚀或氧化。这对于长期使用的器件至关重要。
低功函数：Hf的功函数较低，有助于减少电子势垒，提高电子注入效率。这对于电子场发射器件（如Hf电极的金属氧化物半导体场效应晶体管）非常重要。
良好的界面特性：Hf电极与4H-SiC等半导体材料之间的界面特性较好，有助于减小接触电阻。
但也存在一些缺点：
昂贵：Hf是一种稀有金属，因此成本较高。在大规模生产中，这可能会影响器件的经济性。
难加工性：Hf的硬度较高，加工和制备Hf电极相对复杂。这可能导致制造过程的挑战。
与其他材料的反应性：尽管Hf对氧化物的抵抗能力较强，但在某些条件下，它仍可能与其他材料发生反应，导致界面问题或电子性能下降。
热膨胀系数不匹配：Hf和4H-SiC等半导体材料的热膨胀系数不完全匹配，可能在温度变化时引起应力和热应力。
主要故障原因：电介质裂纹
发现主要故障原因是电介质上的裂纹导致 TaSi2 的互联结构在裂纹下方发生氧化造成的开路故障。下图为裂纹的横截面显微照片：
在2020年的一篇文章4中，团队探讨了Si3N4层数以及Metal 2的制备方法对电介质裂缝的影响，试图提高良率和高温下使用时间。下图为3种不同器件的测试结果。
封装材料选择
NASA团队中Liangyu Chen主要研制封装材料。2021年该团队给出的一个高温环境的封装方案5，采用96%氧化铝(Al2O3)陶瓷基板和金(Au)厚膜金属化,可在高温下提供良好的电绝缘性和耐久性。
利用上述材料，NASA分别开发了2017年的32引脚方案（图1），和2021年的8引脚方案（图二）.但大部分的器件都是利用8引脚的方案测试的，包括1万小时以上的500℃空气环境测试，和空间站上有阳光热循环环境的18个月测试。
1. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20160014879/downloads/20160014879.pdf. ↩
2. P. G. Neudeck, D. J. Spry, et. al., “Demonstration of 4H-SiC Digital Integrated Circuits Above 800 °C,” in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 8, pp. 1082-1085, Aug. 2017, doi: 10.1109/LED.2017.2719280. https://ieeexplore.ieee.org/document/7956136. ↩
3. https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/silicon-carbide-electronics-and-sensors/jfet-ic-tech-guide/#ic-generation-13-design. ↩
4. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1004.1148. ↩
5. Liangyu Chen, Philip G. Neudeck, David J. Spry, Glenn M. Beheim, Gary W. Hunter; A 96% Alumina based Packaging System for 500°C Test of SiC Integrated Circuits. Additional Conferences (Device Packaging, HiTEC, HiTEN, and CICMT) 1 April 2021; 2021 (HiTEC): 000069–000075. doi: https://doi.org/10.4071/2380-4491.2021.HiTEC.000069 ↩