碳化硅嵌入式漏极 MOSFET 助力“登月火星”任务

晶圆键合是一种广泛用于开发和成功生产微机械传感器和执行器 (MEMS) 的工艺。由于它能够通过多个晶片的精确和牢固附着来实现复杂的微纳米结构，因此它肯定会继续在下一代集成电路、微系统、纳米电子和 MEMS 的设计中发挥重要作用。尽管在过去几年中，许多供应商转向生产更大直径的基板（200 毫米及以上），但市场对小直径键合晶圆的需求仍在激增，这仍然是低功耗的有效解决方案。成本设备。

功率半导体器件的改进对于 NASA 长期太空计划所需的电源应用至关重要，例如“月球到火星”计划，该计划旨在到 2024 年将人类送上月球表面，并在本十年末建立可持续探索。IceMOS Technology 正与美国国家航空航天局 (NASA) 戈达德太空飞行中心 (GSFC) 合作开发使能技术，通过改进高压功率晶体管辐射硬度，加速航天器电源系统效率的重大进步。具有成本效益的大批量制造工艺。IceMOS 功率晶体管将采用碳化硅工程漏极，以利用宽带隙 (WBG) 材料的低导通电阻性能。

爱思科技

IceMOS 成立于 2004 年，总部位于美国亚利桑那州，是一家高科技半导体制造公司，提供具有成本效益的高性能超级结 MOSFET、MEMS 解决方案和先进的工程基板。IceMOS 产品以更简单、成本更低的工艺优于竞争解决方案。公司在亚利桑那州坦佩设有先进的研发中心，在爱尔兰贝尔法斯特设有卓越的晶圆制造中心，在日本东京设有设计中心。

“我们公司基本上专注于三项核心技术，”ICeMOS Technology Ltd. 首席执行官 Sam Anderson 表示，“第一项是 MEMS 开发和制造。在我们位于爱尔兰的工厂中，我们制造用于汽车市场惯性测量单元 (IMU) 的传感元件，尤其是 ADAS 系统。其次，我们在美国和日本的研究中心设计功率MOSFET，主要用于云计算应用和数据中心服务器。最后，也是最近，我们参与了组合半导体。就宽带隙半导体而言，这就是 NASA 项目的发展方向。”

该公司最近投资了贝尔法斯特工厂，以增加 200mm SOI（绝缘体上硅）和 Si-Si 直接键合晶圆的产量，同时仍提供 100mm、125mm 和 150mm 晶圆以及先进的工程基板。因此，IceMOS 仍然致力于生产所需的技术，以支持对具有高精度传感能力的低成本设备的需求激增。IceMOS Technology 现在提供的高质量工程 200mm 粘合基板用于开发 MEMS 传感器和执行器，例如压力传感器、惯性 MEMS 和光学 MEMS，包括用于 AR（增强现实）、VR（虚拟现实）的微镜) 和 LiDAR 应用。先进的汽车解决方案，例如 ADAS 和自动驾驶，以及已经在进行的向电动汽车的过渡，

公司致力于支持 100mm、125mm 和 150mm 键合 SOI 和 Si-Si 晶圆以及先进工程衬底（包括腔键合）的持续需求，非常符合几家具有良好声誉的 MEMS 和分立半导体制造商的需求。严格要求提供小直径 SOI 和 Si-Si 的生产线和合格的工艺流程。小直径键合晶圆的持续供应将使新传感技术的持续开发和传统产品的生产持续多年。

IceMOS Technology 还开发了自己的介质隔离技术（见图 1），该技术能够在同一芯片上的组件之间提供高压隔离。隔离是使用厚膜 SOI 技术结合最先进的高纵横比深沟槽蚀刻和氧化物/多晶填充来实现的。该技术适用于从 100 毫米到 150 毫米的所有晶圆尺寸和从 1.5 微米到 100 微米的硅器件层。沟槽 SOI 晶圆用于 MEMS 器件、固态继电器光伏发电机、光伏电池和光电器件、电信高压模拟 IC、高性能双极电路、智能电源 IC、集成传感器等应用。

图 1：IceMOS TSOI 晶圆

图 2：超级结晶圆

超结MOSFET

几十年来，硅由于其优异的物理性能、高可靠性、易于制造和低生产成本，一直是电子元件中应用最广泛的半导体。然而，众所周知，硅几乎达到了其理论极限，研究的重点是能够提供更好性能的材料。其中，有多种化合物半导体材料。对于大功率应用，通过超级结技术实现了相关改进，实现了更高的工作电压和更低的导通电阻。

IceMOS MEMS MOSFET（见图2）可视为“SuperJunction Technology”的高压MOSFET。硅 MOSFET 技术和 MEMS 工艺技术的结合允许在 MOSFET 的极端性能方面取得进步，例如低导通电阻、超低栅极电荷、高 dv/dt 能力、高非钳位电感开关 (UIS) 和高峰值电流能力。IceMOS 600V MEMS 超级结 MOSFET 可以覆盖数据中心 AC 到 DC 电源转换系统的三个电源管理阶段：“浪涌”电流保护 (ICP)、功率因数校正 (PFC) 和下变频器。

图 3：IceMOS 超结 MOSFET

图 4：SOI 晶片上的沟槽电介质隔离特征

辐射硬WBG FET

“我们决定看看是否有办法进一步合并可用的半导体制造技术很有趣，我们感兴趣的一种是宽带隙材料 (WBG)。我们研究了高压市场，发现有可能将宽带隙半导体嵌入到我们的 MOSFET 的漏极中，”安德森说。

长期太空计划，例如美国宇航局的“月球到火星”任务，其目标是到 2024 年将人类送上月球表面，并在 10 年末建立可持续探索，需要高效可靠的电力设备，包括辐射硬化。

“制造深空辐射、坚硬、高压 MOSFET 的挑战不再是碳化硅器件的全部挑战，而是嵌入式漏极的真正挑战。NASA 对我们的方法很感兴趣，因此，他们给了我们一个 SBIR 项目来开发耐辐射高压 MOSFET，即将我们的想法付诸实践”，安德森说。

NASA 小组 IceMOS 正在与戈达德航天中心合作，他们的兴趣是拥有可用于航天器高压配电总线的功率 MOSFET。高压配电总线之所以有趣，是因为它允许您以更有效的方式将来自电源（可能来自电池或太阳能电池板）的能量转换到负载点。通过从源点分配电压，您可以将电压升高到更高的电压，以高压将电压分配到整个航天器，然后将其降至负载点的低电压。因此，通过系统的I 2 R 损失被最小化。

“航天器提供了与数据中心和电动汽车充电站非常相似的情况。您可以在航天器上为降低功耗所做的任何事情对于数据中心运营和电动汽车快速充电器来说都非常重要，”安德森说。

审核编辑 黄昊宇