眾所周知，在250℃的溫度環(huán)境下，傳統(tǒng)的Si(硅)基半導體集成電路就會產(chǎn)生誤動作；在350℃的高溫環(huán)境下就根本無法正常工作。但是日本京都大學一個研究團隊的研究成果表明，SiC(碳化硅)基半導體集成電路即使在350℃的高環(huán)境溫度下仍然能夠正常工作。

2022年3月22日日本京都大學工學研究科金子光顯助教和木本恒暢教授領導的研究團隊，將他們自己取得的這項研究成果發(fā)表在了于日本青山學院大學相模原校區(qū)會場與在線混合召開的日本【応用物理學會第69回春季學術講演會】上。

據(jù)研究者介紹，Si半導體集成電路大約在250℃時就會產(chǎn)生誤動作，在更高的環(huán)境溫度下就根本無法工作。理論上講，SiC具有好得多的耐熱性，即使在800℃的環(huán)境溫度下也能夠工作；但是，從制作工藝上講，如果用它制作成與Si一樣的結型晶體管集成電路時，由于SiC特有的缺陷，其特性的控制變得困難，性能的可靠性無法得到保障，而且功耗也會很高。為了解決這個問題，他們開發(fā)了與Si基場效應晶體管集成電路MOSFET結構不同的SiC基集成電路用晶體管JFET。在這種SiC晶體管JFET中，電流流過的領域不存在MOSFET那樣的界面物理缺陷，因此使得制作能夠在高溫環(huán)境下工作的SiC基集成電路的晶體管成為可能。

SiC不適于制作n型與p型互補的晶體管

不過，JFET無法按照傳統(tǒng)的方式制備，這是因為SiC基板不可能像制作MOSFET的Si基板那樣，在同一塊基板上由n型半導體與p型半導體構成互補電路、從而消耗較大的待機功耗，顯然這與JFET低功耗化的需求是相違背的。為此，研究團隊另辟蹊徑，設計出了獨特的晶體管結構與電路結構。通過SiC基邏輯門電路的動作試驗證明，這種獨特的結構能夠完全滿足，從室溫到350℃都能夠進行低功耗運作的功能。在如此寬域的溫度范圍內(nèi)，待機功耗始終被抑制在幾十nW以下。

京都大學研發(fā)的適用于SiC的晶體管

研究團隊認為，迄今為止，他們實現(xiàn)了兩項突破。首先，他們通過離子注入，成功地實現(xiàn)了在同一塊基板上制作n型和p型JFET的技術。其次，作為晶體管的特性，JFET實現(xiàn)了常閉特性，即當柵極不施加電壓時，電流不會流動。雖然這種常閉特性在通常的JFET制作方法中很難實現(xiàn)，但是研究團隊通過雙柵極結構將其制作了出來。他們用兩個柵極從兩側夾住通道區(qū)域，構成了一個柵極區(qū)域，實現(xiàn)了常閉型JFET的制作。

當然，這些突破可能僅僅是一個開始，要想達到實用的程度和實現(xiàn)量產(chǎn)，在小型化、高速化、高性能化方面，還有相當長的路要走，這就像二十世紀40年代末期發(fā)明結型晶體管到集成電路的出現(xiàn)需要經(jīng)歷一段路程那樣。