科学家综述新型半导体应对极端环境!

【研究背景】

高温电子系统是指能够在高温环境下稳定运行的电子设备，因其在航空航天、地热能采集、核能发电、无人航空系统和自动驾驶等领域的广泛应用而备受关注。与传统的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）材料相比，高温电子系统要求使用能够承受极端温度（高达500°C甚至更高）的新型材料。硅基设备在超过125°C的温度下不稳定，容易退化和失效，因此无法满足这些高温应用的需求。然而，现有的材料和技术在极高温度下仍面临重大挑战，如器件过热、漏电流激增和性能下降等问题，这对系统的可靠性和效率造成了限制。

近日，来自美国宾夕法尼亚大学Deep Jariwala教授课题组在高温电子技术研究中取得了新进展。该团队综述了当前高温电子领域中的新兴材料，包括超宽禁带（UWBG）半导体和新型陶瓷封装技术，并探讨了它们在高温环境下的应用前景。通过利用非硅基材料，团队成功实现了在高达500°C的温度下稳定运行的逻辑和存储器件。这些新型材料的引入不仅克服了传统硅材料的高温不稳定性，还提升了电子设备在极端条件下的工作效率和可靠性，为未来的高温电子系统发展提供了新的技术路径。团队的研究结果为推动高温电子系统的实际应用，尤其是在太空探索、地热能源和自动驾驶领域的关键技术发展，提供了有力支持。

【表征亮点】

（1）综述总结了高温电子技术的最新进展，强调了宽禁带（WBG）半导体在超过500°C环境中的潜在应用。随着新材料的不断开发，研究者们指出，除了半导体本身，封装、互连和界面材料等也对高温电子设备的性能和可靠性起着关键作用。

（2）实验研究通过对比硅基技术和新型WBG半导体的性能，揭示了WBG半导体在高温条件下的优越性。结果显示，尽管传统的硅基设备在高温下存在显著的性能衰退，宽禁带半导体的使用能够提高电子系统的耐温极限，并在极端环境中保持较好的功能稳定性。

（3）研究者们还探讨了硅氧化物（SOI）和碳化硅（SiC）等技术的成熟对于新材料开发的重要性，指出这些技术的进步为高温电子系统的广泛应用奠定了基础。

（4）综述强调了将高温电子材料与先进的封装和互连技术结合的重要性，以推动在航空航天、地热能、核能和自动驾驶等领域的应用。

【图文速递】

图1: 电子产品和相应封装材料的使用案例和高温范围摘述。

图2: 高温数字电子应用的各种关键材料类别示意图。

图3: 用于高温操作的宽带隙半导体材料和逻辑器件。

图4: 用于高温数字电子设备的非易失性存储器。

图5: 用于接触和互连的材料。

图6: 用于封装和基板的材料。

图7: 器件缩放和制造展望。

【科学启迪】

本文提供了对高温电子技术的深刻洞察，揭示了新材料在推动电子设备在极端环境中应用的重要性。随着科学家们不断探索宽禁带半导体及其应用，理解封装、互连、接触、电介质和界面等关键因素对高温性能的影响至关重要。这表明，仅依靠单一材料的突破是不够的，而是需要跨学科的整合与创新，才能真正推动高温电子技术的发展。

同时，研究强调了高温电子系统在航空航天、地热能和自动驾驶等领域的潜在应用，这不仅为工业界提供了新的机遇，也为研究人员提供了丰富的课题。未来的研究应关注材料的设计与优化，以及如何有效地解决现有技术中的局限性，以实现更高的工作温度和可靠性。

总之，高温电子技术的发展不仅关乎材料科学的进步，更涉及到系统工程和应用技术的综合，只有通过协作和创新，才能开拓出更加广阔的应用前景和市场潜力。

原文详情：Pradhan, D.K., Moore, D.C., Francis, A.M. et al. Materials for high-temperature digital electronics. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00731-9