[发明专利]一种耐高温电子器件原材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐高温电子器件原材料及其应用，属于半导体材料应用技术领域。

背景技术

随着石油钻井技术领域的不断发展，井下钻具需要不断适应复杂恶劣的环境，特别是能在高温下工作的器件和电路。目前井下钻具电路中所使用的体硅器件，由于高温时漏电流的增加、阈值电压的漂移、热激发闩锁效应等原因，不能工作在250℃以上的高温环境中，只能将在井下高温环境中的传感器的信号通过导线传输到远处的处理器或采用复杂的冷却系统，使设备上的处理器工作在适当的温度下。前者增加了导线长度和接头数量，导致了可靠性的下降和电磁干扰噪声的增加；而后者增加了系统的复杂程度、功耗和重量，两者都降低了系统的效率，增加了成本。

漏电流的增加是电子器件在高温下失效的主要原因，晶体管的漏电流主要包括耗尽区中的产生电流(正比于ni、V；其中V是空间电荷区体积，ni是本征载流子浓度)和耗尽的漏极附近的扩散电流(正比于ni的平方、S；S是结面积)。体硅器件的结面积和空间电荷区体积都非常大,因此,漏电流也非常大。高温下载流子的迁移率变小,使晶体管导通时的电流变小；而同时漏电流使截止电流增加,这样使得器件在导通时和截止时的电流差别变小。在超过240℃时,体硅器件导通,截止电流小到无法区分,致使体硅晶体管失效。

闩锁效应是电路在井下高温环境中失效的另一个主要原因，体硅CMOS器件中的大多数寄生效应起源于器件和衬底之间的相互作用。CMOS器件和PNPN结构造成了寄生的晶闸管,晶闸管可以看作两个相互作用的晶体管。当温度升高时,寄生的晶闸管导通,器件与衬底之间的漏电流增加,当晶闸管的增益大于1时,闩锁效应就立即被触发。此时,漏电流急剧增加,电流产生的热量把体硅CMOS器件烧坏。为了消除闩锁效应,体硅CMOS电路必须采用非常复杂的设计及工艺,增加了成本,降低了可靠性。

对于体硅器件,阈值电压V随温度T的变化而变化。当温度上升时,硅材料中的本征载流子浓度增加,器件耗尽区的厚度减小,空间电荷区变窄,空间电荷变少，从而导致阈值电压下降，体硅器件的阈值电压随温度的变化是比较明显的。

绝缘衬底上的硅(SOI)是一种用于集成电路制造的新型原材料，用它制作而成的CMOS电子器件，可以正常工作在350℃的高温下。SOI（Silion On Insulator的缩写）绝缘衬底硅的基本结构与常规的体硅器件或电路不同。体硅器件或电路通常都是被制作在外延层上，器件和衬底直接产生电器连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离一般是通过反偏PN结完成；SOI结构的奇妙之处是用一层隐埋氧化层把器件与衬底隔开，器件仅仅制造于表面很薄的硅膜中，电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电器连接被完全消除。传统的SOI基本结构有三层，底层衬底,中间埋层是SiO₂（二氧化硅），上层半导体为Si（硅）。S0I材料以其特殊的绝缘层结构，有效地克服了体硅材料的不足，在高温环境中，提高了测量的准确性、灵敏度和反应的速度，简化了系统的设计，提高了设备的性能。尽管采用SOI结构（以二氧化硅为绝缘埋层）的CMOS电路消除了高温下激发的闩锁效应，具有小的高温漏电流，但是，在测井井下高温工作时，由于二氧化硅热传导率较差，器件内部产生的热量难以散发，且有自加热效应和寄生电容的存在，导致器件热聚积和温度升高，从而引起器件电参数特性变差甚至失效。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种采用SiCOI（SiC On Insulator 的缩写，绝缘衬底上的碳化硅）制作的耐高温电子器件原材料。

本发明还提供一种利用上述耐高温电子器件原材料的应用。

本发明的技术方案如下：

一种耐高温电子器件原材料，其特征在于，该电子器件原材料的结构包括衬底层、绝缘埋层、导体层和电极；其中，所述绝缘埋层设置在衬底层的上表面，所述导体层设置在绝缘埋层的上表面，所述电极设置在导体层的上表面；所述衬底层采用的材料为Si，所述绝缘埋层采用的材料为AlN，所述导体层采用的材料为SiC，所述电极采用的材料为钨。

根据本发明，优选的，所述导体层的厚度为0.1um-0.3um。

根据本发明，进一步优选的，所述导体层的厚度为0.15um。

根据本发明，优选的，所述绝缘埋层的厚度为0.1um-0.5um。

根据本发明，优选的，所述衬底层的厚度为1um。