高温SOI技术的发展现状和前景

罗宁胜，曹建武

（CISSOID中国代表处，广东 深圳 518118）

1 引言

高温电子的商业应用需求最初来自石油、天然气勘探和开采领域，钻探的环境温度随着井深的增加而不断升高，当井深超过7000 m时，井下温度可超过200℃。在航天领域，由于自身发热和外部因素，航天器的电子器件可能暴露于高温环境中，而航天项目的高成本和高风险使其特别地追求高温、高可靠的电子器件。航空应用要求很高的安全性、可靠性及可维护性，耐高温电子器件使飞机发动机及其他部件的分布式控制成为可能，也使去除或弱化原有的复杂、笨重的液冷和液压传动系统成为可能。近年来，具备先天耐高温特性的第三代宽禁带半导体（WBG）如SiC等日趋成熟并全面商业化，与耐高温的绝缘层上硅（SOI）器件构成了非常理想的搭配，不仅推动了石油和航空航天等传统领域高温应用的发展，而且带动了高铁、电动汽车、移动储能等各类工业领域的新型高温应用。

高温SOI技术突破了体硅半导体器件的高温困境，其与SiC功率器件在电路类型上有很好的互补性，可助力高温电子技术的发展登上一个新的台阶，有着广阔的应用前景。本文对高温SOI技术的发展现状进行了详细的介绍，并对其未来的发展方向和应用前景进行了深入的探讨。

2 体硅半导体器件的高温困境

高温会导致普通的体硅半导体器件性能退化。当温度升高到150～200℃时，硅基的本征载流子浓度显著升高，不仅硅基衬底几乎完全导电，而且PN结势垒已减薄至近乎消失，从而导致半导体基本功能崩溃，此时的半导体已几乎成为导体。

半导体器件是通过掺杂形成的PN结来工作的，其基本的电性能依靠载流子来实现,掺杂载流子起到了决定性作用，温度是掺杂载流子工作的主要辅助因素。在一定的温度条件下，足够的热运动使得掺杂原子能够全部电离，掺杂原子所携带的多数载流子（多子）能够全部发挥作用，并与少数载流子（少子）相互配合，构建了半导体的基本性能。适当的温度是半导体进入正常工作的重要辅助因素，过高的温度则会损害半导体的性能，随着温度的升高，本征载流子浓度也会加速升高，PN结势垒会被减薄，半导体的各项关键指标逐渐下降，当温度高达一定的门限时，本征载流子的浓度将会淹没掺杂物质所贡献的载流子浓度，导致半导体性能极度衰弱甚至消失，进而引发半导体基础特征的崩溃。

掺杂浓度是构成半导体性能的第一关键要素。掺杂浓度越高，半导体正常工作的饱和电离温区越高。导体材料掺杂浓度由材料本身可溶性特征限定，其最高掺杂浓度有一定的极限。理论和实验研究结果都已证明[1-4]，针对体硅半导体器件，温度的升高导致材料物理特性发生变化，禁带宽度减小，本征载流子浓度升高，在125～150℃区间，本征载流子浓度就开始赶上掺杂载流子浓度。较之于体硅半导体，同一温度下禁带宽度较大的半导体材料的本征载流子浓度较低，超越掺杂载流子浓度的温度门槛也就较高，因此具有较高的正常工作温区。一般而言，锗器件的最高正常工作温度边界为100℃，硅为250℃，砷化镓为450℃，而SiC则超过600℃。

结温超出125℃时，体硅半导体的性能快速弱化，甚至完全不能正常工作，其最大的诱因是泄漏电流的快速增加。研究结果表明[4-6]，体硅金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的泄漏电流除了与本征载流子浓度强烈相关，还与结面积和耗尽区宽度成正比。因此，很多研究者希望通过器件结构的改进来减少PN结面积和耗尽区宽度，从而减小泄漏电流，提升器件的高温性能，高温SOI技术由此应运而生。高温SOI技术不仅改善了器件的高温性能，也改善了器件整体的电性能；更为现实的是，除了某些特殊的工艺环节需要特殊设备，SOI工艺的很大部分都可以沿用传统体硅器件的制造设备和工艺，表现出了极大的商业化可行性。

3 高温SOI技术

3.1 SOI技术背景

SOI是一种用于集成电路制造的新型原材料和工艺，有望替代目前大量应用的体硅工艺。N沟道MOSFET体硅工艺结构如图1（a）所示，相比之下，SOI工艺在衬底结构中增加了一个绝缘体夹层，其上方一层为有源硅层，而下方的硅层只起到支撑作用，N沟道SOI工艺结构如图1（b）所示。绝缘夹层可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其他绝缘材料构建，取决于具体的实现工艺。由于硅与SiO2的结合界面性能稳定，所以SiO2成为了目前常见的主流SOI绝缘层材料。SOI结构中的SiO2绝缘层有效地减小了MOSFET漏极和源极的实际PN结面积，使漏极和源极的反向泄漏电流大大减少，为高温性能的提升奠定了基础。

图1 N沟道MOSFET体硅工艺和N沟道SOI工艺对比

有别于体硅半导体技术用的纯硅晶圆基片，SOI技术实现的第一步是制备SOI晶圆基片。作为一种全介质隔离工艺，业界对SOI基础材料及制备工艺的研究已超过20年。目前有多种SOI晶圆制造技术得到了发展，但只有少数几种实现了工业化规模量产，其中较为普及的是注氧隔离（SIMOX）和直接键合技术，其实现方法包括键合回刻SOI（BESOI）技术、外延层转移（ELTRAN）技术及智能剥离技术等。这些成熟的SOI晶圆制备方法都很适合在绝缘介质层上形成薄的单晶硅层[5-6]。

SOI独特的Si/绝缘层/Si的3层结构具有诸多优势：（1）绝缘埋层实现了器件功能有源部分和衬底的全介质隔离，减小了寄生电容，提高了开关频率；（2）较小的PN结面积显著减少了泄漏电流，从而减少了SOI器件的自身耗散；（3）绝缘层的存在隔断了有源部分通过硅衬底互通的电流通道，消除了闭锁效应；（4）绝缘夹层结构抑制了硅衬底产生的脉冲电流干扰（如辐射粒子激发等），减少了偶发错误的产生，具有很好的抗辐照特性；（5）除少数高温SOI器件工艺需要特殊设备外，SOI与现有体硅工艺设备、流程基本兼容，具备极佳的商业量产可实施性[6]。

SOI在高性能超大规模集成电路、高速存储器件、低功耗电路、高温传感器、航天抗辐照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及微机电系统（MEMS）等领域已被广泛应用。除具备以上基本优点外，通过对SOI器件进行适当的结构设计和工艺选择，如尽可能减少源和漏的结面积和耗尽区宽度，可大幅减少SOI器件的反向泄漏电流，极大地提升器件的各项高温性能；另外，采用高激活能材料的金属系统和实施钝化膜保护工艺，还可大幅提高器件的高温可靠性[4-6]。

3.2 SOI器件的高温性能

SOI MOSFET器件的高温特性与其硅膜厚度紧密相关。根据硅膜厚度和硅膜中的掺杂浓度情况，SOI MOSFET器件分为厚膜器件（耗尽区中间存在中性区域，部分耗尽型，PD-SOI）、薄膜器件（耗尽区中间没有中性区域，全耗尽型，FD-SOI）以及中等膜厚器件（耗尽区大小受背栅电压调节）。研究结果表明[4]，MOSFET的泄漏电流与结面积以及空间电荷体积（结面积×耗尽宽度）成正比，但在薄膜SOI器件中的数值比在体硅器件中的小很多。随着温度的升高，扩散电流起主导作用，由于SOI器件的结面积很小，相应的泄漏电流可比体硅器件小约3个数量级。

厚膜PD-SOI性能相对较为接近体硅器件，薄膜FD-SOI的性能与体硅器件差别较大，超薄膜FD-SOI则表现得更为突出。进一步的研究结果表明[7]，在FD-SOI器件中，超薄的硅膜厚度引入了相关的量子效应，其载流子迁移率由声子散射、前表面粗糙度、背表面粗糙度、远端库仑散射共同调制。这样，对于超薄膜FD-SOI，在一定的工作电压下，载流子迁移率主要由声子散射、前表面粗糙度散射和远端库仑散射主导。前表面粗糙度散射和远端库仑散射对温度的依赖都较小，与厚膜PD-SOI器件相比，在温度升高时，超薄膜FD-SOI器件载流子迁移率的主导成分有所不同，由此削弱了整体载流子迁移率在温度升高时的退化程度，而表现出更低的载流子迁移率改变量，阈值电压随温度变化的改变量减小，输出电流高温特性更加稳定，电流随温度变化的改变量更小。

基于不同工艺技术的器件高温特性对比如表1所示，d Vth/d T为阈值电压随温度的漂移，Ileak为器件的泄漏电流、Ion/Ioff为输出开关电流比，μ为迁移率随温度的变化。从各项指标看来，全耗尽的薄膜FD-SOI器件高温时的阈值电压变化小、泄漏电流小、输出开关电流比大，是非常适合高温应用的技术。

表1 基于不同工艺技术的器件高温特性对比[6]

总之，相对于体硅MOSFET，由于引入绝缘层，薄膜全耗尽型FD-SOI器件通过减少体内PN结的面积，使泄漏电流减少了约3个数量级，随着温度变化，其阈值电压和输出特性更加稳定，器件的高温性能大大提升。进一步减薄硅膜厚度，实现超薄膜FD-SOI（例如28 nm等），膜厚尺寸缩减引入了相关的量子效应，器件的高温性能可进一步得到提升。另外，薄膜FD-SOI器件在正常工作模式下达到硅膜全部耗尽的状态时，还可以消除PD-SOI中存在的翘曲效应和浮体效应等[7]。因此，薄膜及超薄膜、全耗尽FD-SOI一直是高温电子技术发展的重要方向。

3.3 高温SOI器件的可靠性

电子元器件的失效隐患多种多样，就半导体器件制造及封装而言，电迁移、腐蚀、热载流子注入、与时间相关的介质击穿（TDDB）等都会影响器件的可靠性和寿命，且高温对一些失效因素的影响极大。

电迁移失效机理为：在一定温度下，半导体管芯内部的金属互连和对外的引线上电流密度足够大时，被激发的金属离子受电场的作用形成离子流，朝阴极方向移动，在电场作用下的电子通过碰撞金属离子，给离子以动量，从而形成朝着金属膜阳极方向运动的离子流。在良好的导体中，动量交换力比静电力占优势，造成了金属离子向着阳极端的净移动，在金属膜中留下金属离子的局部堆积而出现小丘、晶须（引起短路）或引起金属离子的局部亏损而出现空隙（引起开路），最终导致突变失效，影响集成电路的寿命。

文献[8-9]的研究结果表明，电迁移失效模型中平均失效时间（MTF)与电流密度的n次方成反比，与激活能成指数关系，且与温度的倒数成指数关系，所以电迁移对电流密度、激活能及温度都比较敏感，电流密度越大或温度越高，中位失效寿命越短。在电流密度和温度一定时，提高激活能即可使MTF延长。材料不同，扩散方式不同，激活能也不同。例如，由于铜布线系统的激活能比铝布线系统大，所以铜布线系统比铝布线系统的中位失效寿命长。当然，选择钼和钨金属布线，其离子激活能更大，中位失效寿命会更长，高温性能显著增强。

电迁移引起的失效表现主要是电子器件各项性能参数退化，严重时将会导致短路或断路。为防止电迁移失效，一般采取以下设计和工艺措施：在铝膜上覆盖完整的钝化膜；降低互连线中的电流密度；优化金属化层布线；降低结温，增加散热；改进金属化系统，如在铝系统中加入少量抗疲劳杂质（如硅、铜）形成铝合金，或改变晶粒大小，或在铝上加钝化膜，或采用金或铝的多层金属化系统，或采用钼或钨金属化系统。采用铝合金或金的多层金属膜，以及采用其他金属化系统，抗电迁移能力均可大大提高，但究竟要采用何种金属化系统，需结合具体器件可靠性需求和工艺条件许可而定。

金属材料的腐蚀是影响器件可靠性的另一重要因素，且对于高温器件而言该问题更为突出。金属腐蚀常出现在密封失效位置，湿气附带环境有害物质，与制造残留杂质相互作用，损害相应部位的金属，通常有焊盘腐蚀和内部腐蚀2类。焊盘腐蚀更普遍，这是因为焊盘处的导体没有经过充分钝化，而内部腐蚀是芯片钝化时的损伤使湿气到达金属化的部分造成的。

高温半导体器件需长期在高温下工作，高温环境下金属腐蚀的速度和程度都更剧烈，因而金属腐蚀是考验高温器件可靠性的重点问题之一。以常用的铝基金属为例，失效机理为铝材或其他金属与水汽在腐蚀元素Cl的催化作用下发生电化学反应。铝腐蚀的必要条件是密封器件内部有大量水汽，诱因是如Cl等腐蚀性元素的引入；辅助条件是器件长时间加电工作，并伴随有环境温度的高低温变化，促使水汽结露，在器件内部发生长时间的电化学反应，腐蚀逐步发展，导致铝条被腐蚀开路（或短路），造成器件失效。通过控制器件腔体内部的水汽含量，在生产过程加强管理和工艺控制，采取必要的隔离措施控制沾污的引入，可以杜绝铝腐蚀这一危害极大的失效问题，确保器件的可靠性。

热载流子退化也是影响MOS器件可靠性的关键因素之一。热载流子即高能载流子，产生于MOSFET漏端的大沟道电场，这个沟道电场会加速载流子，使其有效温度高于晶格的温度。这些热载流子通过声子发射的形式把能量传递给晶格，这会造成在Si/SiO界面处结合键的断裂，热载流子也会注入到SiO2中而被俘获。键的断裂和被俘获的载流子会产生氧化层陷阱电荷和界面态，这会影响沟道载流子的迁移率和有效沟道势能。能量达到甚至超过SiO2-Si势垒便会注入到SiO2中去，当能量足够大时还会打断共价键而产生界面陷阱，这就是热载流子注入效应，它是超大规模集成电路的一个重要失效机理。

文献[8]的研究结果表明，热载流子对器件寿命的影响可用指数模型描述，平均失效时间与衬底电流的n次方成反比，与温度倒数的指数成反比。当环境温度升高时，电子平均自由程下降，导致热载流子注入效应减弱，器件寿命得以延长。因此，热载流子注入效应的严酷环境是低温而不是高温。与体硅器件类似，SOI器件的性能受热载流子效应影响而漂移，其退化漂移特性与体硅器件不同，会受SOI器件的膜厚、SOI衬底材料的工艺参数等影响[6]。

TDDB也是影响器件可靠性的重要因素之一。在栅极上加恒定的电压，使器件处于积累状态。经过一段时间后，氧化膜就会被击穿，这期间经历的时间就是在该条件下的寿命。因此，TDDB会影响MOS管性能，研究结果表明，器件寿命与温度的倒数成指数关系[10]。温度越高，与TDDB效应相关的器件寿命越短。要保证该因素的可靠性，需评估工艺过程对栅氧化层质量的影响，特别是对超薄栅氧化层的影响情况。在工艺过程中采用各种有效清洁措施防止污染，采用二步或三步热氧化工艺氧化生长栅氧化层，采用化学气相沉积（CVD）生长SiO2或掺氮氧化等都可以改进栅氧层质量。

综合各种可靠性因素可知，对SOI器件高温可靠性影响较大的是电迁移和腐蚀。因此，针对高温SOI器件，要确保其高温工作寿命，金属化材料和工艺的选择非常重要。一般来讲，在高温应用温区的低端（如低于175℃），铝基本可以满足各种应用的需求。铝具有较好的综合性能，如低的电阻率，很好的延展性，对氧化物和氮化物有良好的粘合性，能实现高品质自钝氧化，易于在亚微米制程工艺中被反应离子所蚀刻等。然而，铝具有较低的电迁移激活能（低熔点），在高温区间的高端区域，特别是涉及到稍大电流密度时，则需要添加一些其他元素成分以抑制电迁移。当然，添加其他元素做成铝合金，电阻率将增加。近年来，铜已经取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连材料。作为铝的替代物，铜导线可以降低互连阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度、器件密度和时钟频率。当温度高于175℃时，为进一步提高寿命和可靠性，可考虑其他一些激活能更高的金属材料。

在沉积的几微米厚的氧化薄膜上蚀刻出沟槽，沉积铜薄膜以填满沟槽，然后采用化学-机械方法打磨掉超出氧化层表面的铜，再在铜表面沉积一层密封钝化层，该工艺技术可大大提高铜的抗高温能力，使其耐受温度甚至可达300℃。针对高温应用，这一铜镶嵌工艺技术具有相对较低的成本和较高的性能[11]。

针对在高温下需要尽可能低的电阻率的应用，CVD和反应离子蚀刻工艺结果表明，金属钼和钨也是好的选择[12]，且适用于很宽的温度范围。然而，金属钼和钨的商业化CVD设备较昂贵，限制了其工艺的普及程度。对付高温电迁移，钼和钨都是很好的导体材料，特别是钨，其熔点高达3410℃（即具有较高的电迁移激活能），适合于单纯高温的应用；而对于有宽幅温度循环的应用，钼以其更佳的延展性而具有更大的优势。即使是用钼和钨，为防止在高温条件下的腐蚀，钝化保护层仍然是需要的，若没有钝化保护层的保护，集成电路的寿命将因高温而大大缩短。

3.4 高温SOI技术的发展趋势

高温SOI器件在结构方面的发展方向之一是超薄膜。超薄膜FD-SOI因膜厚尺寸缩减而引入了相关的量子效应，其阈值电压和输出特性随温度变化更加稳定，器件的各项高温性能也可以得到进一步提升。

在提升高温可靠性和寿命方面，采用激活能更高的金属化系统（如钨和钼等）将是主要的技术发展方向。当然，与之相适应的提升可靠性的金属化工艺，如钝化保护层等也非常重要，其可以尽可能地减少高温电迁移和腐蚀的影响。另外，改进栅氧化层质量的各项工艺技术的开发对提高SOI高温可靠性也很重要，可尽可能减少TDDB的影响。

未来最大的技术进步也许是在SOI器件的绝缘层材料方面。正因为SOI器件有绝缘埋层，不仅完全消除了自锁效应，而且在高温时结泄漏电流小，其阈值电压随温度变化小，使其工作特性随温度的变化小，所以具有较好的耐高温性能。目前商业化的SOI器件生产中，绝缘埋层材料都普遍为SiO2。但SiO2的低热导率（其热导率仅为硅的1/100）使得沟道所产生的热量不能及时散去而导致器件内部温度升高，造成器件内部的热积聚严重（自加热效应），影响器件的输出特性，已成为高温SOI领域发展的瓶颈。有效抑制自加热效应是未来高温SOI技术发展的重要方向之一[13]。

为适应高温应用需求，可考虑开发Si3N4、AlN等热导率比SiO2更高的材料作为新的埋层结构材料。Si、SiO2、Si3N4、AlN在27℃时的某些材料特性如表2所示。AlN具备与硅热导率相媲美的优异导热性能[13]，理论上可采用AlN材料做绝缘埋层，以提高其泄热能力。从表2可以看出，AlN有高的热导率、大的电阻率、高的击穿场强，且热膨胀系数与硅相近，所以采用AlN取代SiO2用作SOI的绝缘埋层可以显著提高SOI器件在高温应用中的性能，是未来高温SOI技术发展的重要方向之一。

表2 Si、SiO2、Si3N4、AlN在27℃时的一些材料特性[13]

采用AlN取代SiO2用作SOI绝缘层的技术实现难点在于衬底晶圆的制作，因此，SIMOX技术已不再适用，而只能采用基于键合的几种技术。国内学者已在实验室采用智能剥离技术成功制备了以AlN为埋层的SOI材料[14]，有希望进一步实现商业化生产。

3.5 高温SOI器件的商业化进程

传统的石油天然气勘探、航空航天、国防装备等应用一直都在推动着高温半导体器件的商业化进程。业界对SOI高温器件和电路的研制相继取得了一批标志性的研究成果。德国IMS公司研制出能在250℃高温下工作的A/D电路（如果用钨作电极，最高温度可达300℃)。比利时CISSOID公司研制出可在225℃下工作的脉宽调制（PWM）控制器。美国Honeywell公司固体电子中心研制的运算放大器和模拟开关最高可在300℃下工作。此外，人们还相继研制出了在320℃下工作的SIMOX CMOS反相器、在400℃下工作的运算放大器、在300℃下工作的256 kB SOI CMOSSRAM、在500℃下工作的环形振荡器等[15]。

中国在高温SOI器件领域起步较晚，大学和研究所在理论建模和实验室样品制作和测试验证等方面有一些跟踪性研究[3-4,7]。到目前为止，中国还没有本土公司正式推出商业化的高温SOI器件。相比而言，欧美发展高温电子产业已有近50年的历史。国际上，在半导体封装协会下专门设有高温电子分会，通常每年在欧洲或美国举办高温电子国际会议（HiTEC或HiTEN），但参与者大都是美国和欧洲企业及研究机构，少有国内公司和研究机构参加。为此，作者呼吁国家在高温电子领域多一些立项以开展基础研究，鼓励企业开发高温半导体产品和应用解决方案，以带动整个高温电子产业链的发展；同时，建议中国半导体行业协会等行业组织成立高温电子分会，举办或参与国内和国际性的高温半导体/电子技术研讨会等，通过鼓励业界积极与国外同行交流，以推动国内高温半导体/电子行业的发展。

近年来，SiC功率器件日趋成熟，进入了大规模生产和应用阶段，将高温应用推向了新的高潮，SiC器件固有的耐高温特性带来了新的高温（通常指缺乏液冷时）和高功率密度的电力应用潜力。然而，SiC材料目前只能做功率器件，还难以实现较复杂的集成电路应用。因此，SiC功率器件在高温应用时必须配备与其耐高温等级相当的驱动芯片和电路，而高温SOI器件恰好堪当此任。SiC功率器件具有耐高温性能，与高温SOI集成电路是非常理想的搭配，它们的搭配可以充分发挥SiC功率器件的性能，从而实现在各个电力电子领域的高温和高功率密度应用。

不同于体硅器件的制造，高温SOI器件的商业化必须注重如下几个方面。

1）器件性能必须在很宽温区内保持良好的一致性，性能指标随温度的漂移越小越好。这涉及到SOI器件的结构设计选择及各种可能的温度补偿机制的实施。器件的产品供应方应提供所有性能参数在很宽温度范围内的变化曲线，以方便应用和设计的综合考量。

2）管芯本身在真空或密封时能在高温条件下有效地工作，并具有较长的高温工作寿命。如何抵抗高温工作时的电迁移、腐蚀等效应对器件寿命的影响，涉及到器件材料（如金属化体系等）、制造工艺（如表面钝化等）的选择和实施。考虑到器件的寿命会随温度的升高而降低，许多高温应用的需求不会满足于仅1000 h的高温工作寿命，根据应用的实际情况，也许需要几年甚至十年的高温工作寿命。

3）必须采用高温封装技术[16-21]。高温封装本身的导热性设计最关键，必须最有效地扩散管芯自身功率损耗产生的热量，使得管芯不至于因结温升得太高而损坏（一般确保结温只高出器件环境温度15～25℃）。关于封装材料和工艺，最好的塑封材料一般只能保证最高结温达175℃，超过175℃必须采用陶瓷和金属材料，还必须有相应的封装制造工艺与之相配合。高温封装的品质也将直接影响器件的高温工作寿命。

4）提供给商业化高温器件的管芯及封装材料和工艺的选择必须适合于商业规模化生产，以使产品良率、品质一致性及成本控制有一定的保证。高温SOI器件制造工艺大部分可与体硅工艺兼容，间或需要局部的特殊设备和工艺，例如不同的金属化工艺设备。

5）产品必须通过严苛的高可靠性测试。高温器件往往不仅是面对高温，而且还有可能要面对许多其他恶劣的应用环境，需要根据应用需求进行各种高可靠性测试，如密封性、加速、应力、粒子损害、振动、冲击、热循环、稳定热烘烤、高温工作寿命等。

关于高温SOI器件商业化现状的详情，本文以CISSOID公司的产品为例。CISSOID公司是高温SOI器件领域的领导者，其设计和制造高温SOI器件已有二十多年历史，目前能提供十多个种类一百多个型号的高温SOI器件，包括二极管、MOSFET、电压参考器、电压调节器、PWM控制器、栅极驱动器、模数转换器、比较器、运算放大器、逻辑器件、时钟发生器和计时器等。产品根据封装形式的不同分为两大系列，CMT系列以高温塑封材料封装，最高结温为175℃；CHT系列以金属陶瓷封装，最高结温为225℃。综合平衡管芯和封装的设计以及现有产业化工艺条件，目前CISSOID所提供的高温SOI器件的高温工作寿命可达约15年（最高结温175℃）、5.5年（最高结温225℃）、2.5年（最高结温250℃）、1.3年（最高结温280℃）等，其规律是每升高25℃，寿命约减少一半，在300℃以上时，器件也还有几千小时的工作寿命[22]。

伴随着SiC功率器件的大规模普及，CISSOID公司进一步融合高温SOI技术，开发出了专为降低开关损耗并提高功率密度的新型液冷或风冷三相SiC MOSFET智能功率模块（IPM）系列产品（如图2所示），该系列的新型功率模块有针对用于液冷的轻型针翅基板型和针对风冷的平坦基板型。平坦基板型可以满足航空航天领域及专用工业应用中对自然对流或强制风冷的需求。CISSOID的IPM技术平台可迅速适应新的电压、功率和各种冷却要求，大大加速了基于SiC的功率转换器的设计，从而实现高效率和高功率密度。

IPM意味着功率模块和栅极驱动器的集成和融合。功率模块和栅极驱动器的协同设计能够通过仔细调节d V/d t和控制快速开关固有的电压过冲来优化IPM，以实现最低的开关能量损耗。基于高温SOI技术的CISSOID栅极驱动器具有独特的高温稳定性，使其能与通常耗散数百瓦的功率模块紧密集成，并能承受功率模块自身功耗发热所导致的一定温升，与此同时还减少了栅极环路寄生电感，进而有助于实现快速开关和低损耗，以避免寄生导通的风险。CISSOID的嵌入式栅极驱动器解决了与快速开关SiC晶体管有关的多个挑战，例如：用负驱动和有源米勒钳位（AMC）来防止寄生导通；用去饱和（DeSAT）检测和软关断（SSD）可以快速且安全地应对短路事件。此外，栅极驱动器上的欠压锁定（UVLO）和DC总线电压监视系统可确保器件正常运行。通过提供整合的且已匹配好的方案，CISSOID的IPM平台能够使客户大大加快系统设计进度。

融合CISSOID的高温SOI驱动技术使智能高功率风冷模块（型号为CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA）成为可能，这是专为无法使用液体冷却的高温应用（例如航空机电执行器和功率转换器等）而设计的。目前出品的风冷模块的额定阻断电压为1200 V，最大连续工作电流为340 A，导通电阻仅有3.25 mΩ和2.67 mΩ，开关损耗分别仅为8.42 mJ和7.05 mJ（600 V，300 A），额定结温为175℃，栅极驱动器的额定环境温度为125℃，通过AlSiC扁平底板冷却，其热阻较低、耐热性强。另外，依据应用条件和场景的需求，通过更换更高温度等级的被动元器件和主要芯片及模块的封装，CISSOID的IPM还可进一步提升运行温度等级。当然，用于组装的PCB板材的温度等级也要提升，如采用聚酰胺类的高温PCB基材可以在200℃以上长期稳定运行，有些厂家的基材已经可以耐受到300℃。由于传统焊接工艺及材料高温性能欠佳，业界已转向采用多种扩散焊和烧结工艺来进行高温焊接和连接。

4 高温SOI器件的应用前景

在传统的石油钻探、航空航天和国防装备等应用领域以外，大量新的高温应用伴随着SiC功率器件的成熟和大规模商用普及而来。法国技术市场趋势调查公司YOLE的市场调查报告表明，自硅基功率半导体器件诞生以来，应用的需求一直推动着结温的升高，其对功率器件结温的预测如图3所示。第三代宽禁带半导体器件（如SiC）已日趋成熟并全面商业化普及，其独特的耐高温性能正在加速推动结温从150℃迈向175℃，未来将进军200℃。借助于SiC的独特耐高温特性和低开关损耗优势，这一结温不断提升的趋势将大大改变电力系统的设计格局。典型的高温和高功率密度应用包括深度整合的电动汽车动力总成（电机、电控和变速箱）、多电和全电飞机乃至电动飞机、移动储能充电站和充电宝，以及各种液体冷却受到严重限制的电力应用。

图3 YOLE公司对功率器件结温的预测

电动汽车的动力总成已走向“三合一”，但目前仅在结构上堆叠在一起，属于弱整合。根本原因之一在于不同部位有不同的温度控制需求。例如，电机一般长期工作耐受温度为150℃左右（特殊的高温电机可达更高的额定工作温度），而电控箱一般长期工作耐受温度为70～85℃，这即是目前普通体硅器件能够保证长期工作的温度范围。CISSOID耐高温驱动器件和电路匹配SiC功率模块能突破这一技术瓶颈。可使电控箱的控制温度与电机的控制温度相匹配，这样有利于两者深度整合，简化冷却系统的布局，例如使用合并的油基液体冷却电机和电控，甚至在某些中低功率的电动车上完全放弃液冷而采用自然风冷。总之，未来在结构上，动力总成的深度整合是必然路径，因为这样可能使动力总成体积减小约1/3，重量减少约1/3，内耗减少约1/3，并有可能将总成本压缩至原先的1/2～1/4。

传统飞机中控制尾舵、机翼、起落架等的机械动作都是靠经典的液压传动装备。液压油作为液体，受环境影响很大，并且维护成本很高，目前已趋向于部分或全部电气化，此即多电和全电飞机的概念。在飞机上采用电机替代液压油路实现机械操作，可靠性高、可维护性强，且方便冗余备份设计，还可以大大减小部件的体积和重量。飞机上的电机和电控不允许配备液冷，只能依靠强制风冷和自然背板散热冷却，因此，实现多电或全电飞机乃至电动飞机的电控设计，需要率先面对的重大技术挑战即是高温。CISSOID耐高温驱动器件和电路匹配SiC功率模块为解决这一航空领域的技术难题铺平了道路。此外，电机取代传统液压传动的技术方向不仅应用在飞机上，在坦克、舰船及各种工程机械设备中也被用到，特别是当体积和重量受到限制或是需要更快速的机械反应能力时。

随着电动汽车的大规模普及，半移动式储能充电站和全移动式充电宝将可有效地填补固定式充电在某些场景下的不足。对于这类移动充电应用，液冷机构将不仅带来额外的重量和体积负担，更重要的是其消耗自身携带的存储电能，因此采用自然冷却才是佳径，当然前提是必须妥善处理好电控系统热管理的问题。

除了上述3种典型的新型高温应用外，在许多特种工业应用中，液体冷却受到严重限制时，电控系统将面临同样的高温挑战。耐高温的电控技术是实现以上高温应用的关键，其核心技术是SiC功率器件的高温封装技术和与之相匹配的高温SOI驱动集成电路技术。

5 结束语

高温SOI技术通过器件结构的改进，突破了体硅半导体器件的高温困境，消除了体硅器件温度载流子效应的影响；通过采用耐高温性更好的金属化系统和工艺改善栅氧化层品质，大大提高了器件的高温工作可靠性。以CISSOID的商业化高温SOI器件为参考，其连续高温工作寿命在结温175℃下长达15年，并能在300℃高温下工作几千小时，而且在全温度范围保持良好的性能一致性。未来采用膜厚超薄的SOI设计、AlN替代SiO2作为绝缘埋层以及各种可靠性相关工艺的改进，还有希望进一步改善SOI器件的高温性能和可靠性。

随着第三代半导体功率器件如SiC的日趋成熟和普及，固有的耐高温性能使其与高温SOI集成电路成为非常理想的搭配，高温SOI集成电路可以充分发挥SiC功率器件的性能，使高功率密度和高温应用成为可能，并由此大大改变电力电子系统设计的格局，为设计工程师提供全新的拓展空间。因此，高温SOI技术也将会越来越受到业界的重视。