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应用动态 | NASA以金刚石制造金星电子器件,比同类GaN器件高出约2.7倍!

时间:2022-06-28浏览次数:506

在极端环境中使用的芯片材料的研究数量正在增加,比如登陆金星。在金星上,表面温度在500°C左右,压力相当于地球海洋深度约900米。二氧化碳大气层中渗着硫酸云。虽然GaN在电源转换电路方面吸引了很多关注,但这只是半导体在极端环境中的几种应用之一。在许多工业和航空航天环境中发现的高电压、高温和腐蚀性气氛,会使设备受到远远超出硅的工作范围的条件影响。


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而金刚石具有带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照,优越的性能使其能够忍受极端条件,在金星这种高功率,高电压的恶劣环境下有巨大的应用前景。


此外,与所有太空目的地一样,保护组件所需的每一克材料都会限制整个任务能力。虽然适当的封装通常可以保护元件免受这种恶劣条件的影响,但这样做会增加重量和系统复杂性。研究小组表示,最初金星着陆器任务设计要求使用一个686公斤的密封舱,其工作寿命仅为5小时。加入金刚石设计修改后,其电子器件可以忍受环境,重量只有20公斤,其中大部分是电池。而更重要的是,NASA现在能够考虑60天的任务计划。


在半导体中使用金刚石,为高温环境增加了一整套不同的好处。金刚石中的掺杂物在室温下不完全电离,温度升高时载流子浓度增加。这种行为与GaN中的行为相反,使得工作温度对器件性能极为重要。不过,迁移率会随着温度的升高而降低,因此金刚石的导电性在150°C至200°C左右达到峰值。驱动电流也会随着温度的升高而增加,但漏电流也会增加。


根据报告,高温使MESFET器件的导通/关断电流比从1×108降低到只有1000左右。这些器件是在商用金刚石基底上用本征CVD金刚石制成的,然后是p-和p+掺杂层。经过崮层和源/漏层蚀刻后,他们为源极和漏极制作了Ti/Au欧姆触点,为栅极制作了Mo/Au肖特基触点。在MRS,麻省理工学院研究将为GaN鳍式FET开发的模型应用于基于金刚石的器件。建模后的器件线性功率密度达到7.36MW/cm2,比同类GaN器件高出约2.7倍。


行星探索的一小步,就是人类发展的一大步。为推动金刚石在航空航天、国防科技等领域的广泛应用,国内外研究团队皆开展了大量的相关研究。化合积电专注于金刚石的研发和生产,目前已有金刚石热沉片/晶圆级金刚石/金刚石镀膜等产品和服务,采用金刚石热沉片的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、卫星扩热板、电子封装材料等领域也都有应用。



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