向金星进军

开启了非制冷电子器件的大门，能够处理金星上的极端温度

作者：CARL-MIKAEL ZETTERLING 和 MATTIAS EKSTRÖM, 来自英国皇家理工学院

地球之外有生命吗？如果有的话，它有多智能？这是两个耐人寻味的问题，引起了大多数人的兴趣。为了寻找答案，我们建造了越来越强大的望远镜来探测宇宙的更深处，并开始了前往附近行星的任务，以探索它们是由什么构成的。

为什么是金星？

在过去的几年里，人们对金星产生了浓厚的兴趣。早在2020年，科学家们就在其云层中发现了可能的生命迹象，证据就是无法用其他方式解释的磷化氢的痕迹。这激发了对这颗来自太阳的第二颗行星的若干任务的规划。美国宇航局暂定于2028-2030年进行两次初步旅行：一次名为DAVINCI+，是深层大气金星惰性气体、化学和成像调查的简称（Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging）；另一次是VERITAS，是金星发射率、无线电科学、InSAR、地形学和光谱学的缩写（ Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy）。欧洲航天局还通过一个名为 EnVision 的项目将金星列入其议程，该项目将调查这个星球的大气层、地表和地下；还有一个由火箭实验室计划的私人任务，计划在2023年进行--一个探测器将从30英里的高度分析金星，仔细检查大气层中的磷化氢并寻找以前生命的证据。

前往金星的任务当然不是什么新鲜事。在1960年至1981年期间就有许多次任务，包括飞越、轨道飞行器、探测器和登陆器。这些工作确定了这个星球的表面温度高达460℃，这使得探索工作极具挑战性。在1976年至1981年期间，苏联在地表放置了一些Venera着陆器，为硅电子器件配备了隔热罩。但即使有这些帮助，电子器件也只能存活两个小时（尽管那次任务仍然提供了金星表面的彩色图像）

开发能够处理金星极端温度的电子器件的好处，实际上远远不止能确定金星是否曾经支持过生命。这方面的成功也将帮助我们更多地了解地球的性质。为什么呢？因为金星的大小与地球相似，它的大气中含有96%的二氧化碳。因此，了解金星的气候可以帮助我们了解地球正在发生的事情，通过提供第二个参考点来改善我们的计算机模型。有了更严格、更可靠的模型，我们将能更好地了解大气层的组成和温度变化。

为了更好地了解金星的气候，必须考虑这个星球是否还有活火山。这是一个具有重要意义的悬而未决的问题，因为活火山为这个星球的硫酸含量提供了一种解释。检测火山活动的一个方法是使用地震仪，这需要向金星发射另一个登陆器。然而，如果要使它有价值的话，地震仪中的电子器件需要存活2个月或2年，而不是仅仅几个小时。

为什么有温度限制？

所有类别的半导体都有一个固有的温度限制。加热这种材料会产生电子-空穴对形式的载流子。对于在室温下的器件，这些载流子几乎不引人注意，除非在有额外噪音的敏感系统中--正是由于这个原因，射电望远镜接收器需要冷却。在高温下，漏电流不断增加，导致一些传感器失去灵敏度，功耗增加，而且大多数晶体管的运行效果不理想。在更高的温度下，会出现更大的问题，因为半导体器件不再能够阻挡所施加的电压，并发生灾难性的故障。为了防止这种情况发生，在许多大功率电路中，散热器和风扇会从器件中提取热量。

为什么选择 ？

每个半导体器件的工作温度都受其带隙的制约。热生载流子--在物理学教科书中被称为本征浓度--取决于能带隙的指数关系，导致电导率随着温度的升高而呈指数上升。

由于带隙、温度和电导率之间的这种关系， 在处理热量方面远比硅好。 具有3.2eV的带隙，而硅的带隙只有1.12eV。由于带隙增加了三倍，由 制成的器件可以在至少800℃的温度下工作，而硅的温度只有200℃左右。更重要的是，更宽的带隙降低了对辐射损伤的敏感性。

拟议的金星登陆器的方框图。这应该被看作是一个典型系统所需的电子构建模块的示例。使用不同的传感器，在许多情况下需要放大器来增加信号电平，然后在模拟数字转换器（ADC）中转换为数字信号。具有存储器的微控制器（MCU）存储数据，直到可以将它发送到卫星上以转发到地球。当卫星在范围内时，无线电收发器启动，由微控制器发送存储的数据。电源单元（PSU）为不同的部件转换能量，并在不使用时关闭单元。一种可能的高温电源是放射性同位素热发生器（RTG）。

目前，SiC器件的销售正在快速增长，其中SiC MOSFET开关和功率肖特基二极管赢得了可观的销售，这要归功于它们能够在高电压下工作，并具有低导通和开关损耗。与现有的硅器件相比，那些由SiC制成的器件受益于几乎高出10倍的击穿临界场，从而使器件的阻断区薄了10倍，掺杂浓度高出近100倍。这些特性的结果是，在相同的阻断电压下，SiC器件的导通电阻比同等硅系列器件低200至400倍。许多制造商提供额定电压在600V至3300V之间的SiC二极管和晶体管，这些器件正被部署在电源和电动汽车中。

我们的解决方案

我们在瑞典KTH皇家理工学院的团队花了几年时间，开发能够应对金星地表高温的 SiC电子产品。我们采取了一种可能与你期望略有不同的方法，避免使用如今集成电路中最常见的晶体管形式MOSFET。这是因为MOSFET受到栅极氧化物相对较高的脆弱性的阻碍，而且其阈值电压每升高100℃就会变化-1V。一个更好的选择是双极结型晶体管（BJT），它的性能随温度的变化要小得多--例如，p-n结的内置电压在增加100°C时仅偏移-0.2V。使用BJT，我们能够根据1960年代教科书中提供的建议设计出我们需要的所有电路。

集成电路还需要电阻器和电容器，它们可以使用制造晶体管的工艺步骤来制造。我们避免离子注入，因为这会引入了电子-空穴重组中心。相反，我们用SiC层的外延生长和干法蚀刻的组合来定义我们所有的掺杂区域，这就确定了特征的几何形状。

在我们的活动中，我们已经开发了一种自对准的方法来形成接触。我们使用SiO₂将元件和两个金属层相互隔离。为了产生平坦的表面，我们转向了化学机械抛光，因为干法蚀刻后的形貌变化很大。

金星登陆器的最小嵌入式系统通常具有：测量温度、地震活动和紫外线的传感器；提高信号电平的放大器；模拟数字转换器，转换为可存储的数字值；带有存储器（SRAM）的微控制器（MCU），用于收集数据和通信；与轨道卫星通信的无线电收发器；以及电源单元。

在我们于2015年开始的为期五年的 "金星工作 "项目中，我们分别构建和演示了电路，由博士生负责不同的部分。在这项工作中，关键的总体要求是：工艺设计要包含所有的组件；工艺设计套件将用于处理温度高达500℃的晶体管的仿真模型；大型电路的构建将借鉴标准的设计规则检查和布局，同时与原理图检查器进行比较。

所用集成电路元件的横截面和俯视图：晶体管、电阻器和电容器。这些元件通过集电极区域下面的p-n结和元件之间蚀刻的沟槽中的SiO₂相互隔离。在整个工艺中，大约需要十几个掩膜层，并有两个金属互连层。

我们成功了吗？

我们的努力带来了丰厚的回报，使我们能够在500℃的温度下分别演示框图中的所有部分。这一成功为制作多个放大器奠定了基础，因为不同的传感器需要不同的阻抗匹配。我们还制作了闪存和逐次逼近的ADC。我们不需要开发气体或温度传感器，因为在我们的项目之前，这两种传感器都是可用的。我们已经证实，如果读出电子器件是用SiC制造的，那么可以用硅制造合适的地震传感器。此外，我们还演示了无线电电路。这并不容易，由于不能使用普通的同轴电缆和连接器，在500℃下对59 MHz的信号进行表征很有挑战性。我们还研究了掺钒的钛酸铋薄膜形式的非挥发性铁电存储器的能力。

由于涉及大量的晶体管，最具挑战性的结构是带有SRAM的微控制器。由于标准封装不能承受高温，我们想在晶片上测量我们的电路。不幸的是，这将我们可以在设置中使用的针式探针的数量限制在十几个左右，我们通过引入一个 4 位外部总线来解决这个问题。其他的连接是用于电源和地线、两相时钟和其他控制信号。

 具有带SRAM的4位微控制器的电路。它由5900个晶体管和3900个电阻器组成，在15V电压下的电流为1 A。有许多硅微控制器的效率更高，但这个控制器在500 ℃下也能工作。4位外部总线允许在热台上进行晶圆探测。图片： Shuoben Hou.

带针状探头的热台，用于测量SiC晶圆上从室温到600℃的电气特性。图片：Jörgen Städje.

我们仍然需要解决的一项任务是提高金属化系统的温度稳定性。目前我们采用的是铝，它在660℃时就会熔化。如果我们能够切换到使用钨等难熔金属的互连系统，这将使电子电路能够在更高的温度下运行。根据美国宇航局的演示，SiC电路可以在800℃下工作，甚至可以长时间工作。

使用BiTV（掺钒的钛酸铋）薄膜的非挥发性铁电电容器的扫描电子显微镜图像。插图是光学照片。

虽然我们已经证明，可以使用 构建一个在非常高的温度下工作的整个非制冷电子系统，但封装这些器件却是完全不同的事。塑料封装不是一种选择，因为它们在125℃以上无法工作。更有希望的是陶瓷封装，但它们一般不具有超过230℃的温度特征。不过，这是一个鸡生蛋蛋生鸡的问题：在有商业需求之前，没有动力去设计和表征这种封装，而在有高温封装之前，不可能将高温电子产品商业化。对于无线电电路的高温特性，我们使用定制的低温共烧陶瓷载体来安装SiC晶体管。

幸运的是，封装不一定是无法克服的问题。更重要的是，即使金星的大气层不能被挡在着陆器结构之外，但由于它主要由CO₂组成，它不会攻击电路。请注意，表面压力并不重要。

我们很高兴能参与其中一项前往金星的任务。但这不是我们唯一的目标--我们也有与地面应用相关的机会。为此，我们还用SiC制造了一个555定时器。它的工作温度高达500℃，可用于定时器、延迟、脉冲生成和振荡器的应用。此外，我们一直在与费耶特维尔的阿肯色大学的研究人员合作，他们一直在使用我们的模型和工艺技术来设计地热和太空应用的高温集成电路。

感谢Shuoben Hou制造SiC晶圆，感谢Muhammad Shakir制作工艺设计套件和绘制光刻掩模。感谢Jörgen Städje提供照片并鼓励我们的工作。

 拓展阅读

在金星工作项目中的几位博士生（Ekström、Hou、Shakir 和 Waqar）的完整博士论文可从 www.workingonvenus.se 网站获得； KTH 之前在高温 SiC 电路上的工作可在 www.hotsic.se 获得

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