新冠疫情蔓延的2020年夏季鮮有好事。其中最令人印象深刻的事件之一是美國宇航員乘坐太空探索技術公司（SpaceX）的商業(yè)飛船飛往國際空間站并安全返回地球。出于多方面的原因，這次飛行意義重大，其中一個原因是它表明，未來美國航空航天局（NASA）可以從載人到近地軌道的需求中解脫出來，瞄準更遠的地方，也許會像金星那么遠。 在金星大氣中發(fā)現(xiàn)磷化氫氣體（現(xiàn)在有點爭議）激起了人們對可能前往金星執(zhí)行探索任務的興奮之情，磷化氫氣體的發(fā)現(xiàn)說明可能存在微生物生命。不過，這顆從太陽向外數(shù)的第二顆行星的環(huán)境非常極端，即便是登陸時間最長的蘇聯(lián)“金星13號”探測器也只能發(fā)送2小時7分鐘的數(shù)據(jù)。金星表面平均溫度為464℃，大氣中充滿腐蝕性極強的硫酸飛沫，表面大氣壓力約為地球的90倍。盡管如此，科學家仍然視金星為我們地球的“姐妹”。

當然，金星和地球的大小和質量非常接近。還有證據(jù)表明，兩顆行星早期的情況也類似：30億年前，金星可能像地球一樣有著巨大的海洋，因此也許還有生命。那么，是什么災難性事件導致金星上沒有水了呢？行星科學家很想知道，因為它可能會告訴我們，隨著氣候變化，我們的命運如何。 為了解決這個問題以及金星的其他謎題，我們需要幾臺能力強大的機器人登陸器。那么，我們能造出可以在如此惡劣的環(huán)境中度過幾個月甚至幾年而非幾個小時的機器（配備儀表、通信設備且具有可控性和機動性的設備）嗎？ 答案是：能。自20世紀60年代蘇聯(lián)開始向金星發(fā)射金星系列登陸器以來，材料技術取得了很大進步，足以確保未來登陸器的外殼和機械結構能夠維持數(shù)月。不過，那些脆弱的電子產品呢？目前的硅基系統(tǒng)在金星環(huán)境下堅持不了一天。（當然，我們指的是地球日。金星的一天是243個地球日。）即使加上主動式冷卻系統(tǒng)，也無法多堅持24小時。

解決辦法是將碳和硅這兩種儲量豐富的元素以1:1的比例結合在一起，制成一種叫碳化硅（SiC）的半導體。碳化硅可以承受極高的溫度，并且可在高溫下正常工作。NASA格倫研究中心的科學家已經讓碳化硅電路在500℃的溫度下運行了一年多，這證明它們不僅可以承受高溫，而且可以在金星登陸器需要的壽命周期內持續(xù)運行。

碳化硅已經在太陽能逆變器、電動汽車電機驅動電子設備和先進的智能電網開關設備等動力電子領域嶄露頭角，但是，制造碳化硅電路使其能夠控制在金星嚴酷的環(huán)境下運行的探測器并將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，將是對這種材料的極限測試。如果成功，我們將不僅能在太陽系最不宜居的地點之一建立起一個移動前哨站，還將深入了解如何將無線傳感器用在地球上從未應用過的地方，例如噴氣式發(fā)動機和天然氣渦輪機的葉片上、深井鉆機的鉆頭和高溫高壓工業(yè)制造工藝的主機內部等。在這些地方放置電子設備有助于降低設備的操作和維護成本，同時改善工業(yè)環(huán)境中儀器和人員的表現(xiàn)和安全性。 事實上，我們團隊（成員來自斯德哥爾摩瑞典皇家理工學院和費耶特維爾阿肯色大學）相信碳化硅電路可以幫助我們實現(xiàn)這個目標，甚至走得更遠，用于我們還沒有想到的應用領域。

碳化硅并不是一種新材料。1895年，愛德華?古德里奇?艾奇遜實現(xiàn)了碳化硅的大規(guī)模生產。在這位美國化學家試圖制造人造鉆石的實驗中產生了碳化硅晶體。1906年，亨利?哈里森?蔡斯?鄧伍迪發(fā)明了碳化硅無線電探測器，這種化合物首次成功用作電子材料。直到今天，它仍被認為是第一款商用半導體器件。

不過，大尺寸的碳化硅晶體很難以可重復的方式制造，直到20世紀90年代末，工程師們才發(fā)明了能夠使晶體很好地生長并用于制造功率晶體管的設備。這些最初的碳化硅晶圓直徑只有30毫米，但隨著工業(yè)的發(fā)展，已經慢慢實現(xiàn)了50毫米、75毫米、100毫米、150毫米和現(xiàn)在200毫米的晶圓直徑，這使設備變得更加經濟。在過去20年里，伴隨穩(wěn)健的研究進步，現(xiàn)在碳化硅功率半導體器件已可以商業(yè)化采購。 作為一種半導體材料，碳化硅具有一些非常吸引人的特性。首先，它的臨界電場強度幾乎是硅的10倍。臨界電場強度基本上相當于物質分解的臨界點，在該臨界點，物質會開始不受控制地控導電，有時還會導致爆炸。因此，對比碳化硅器件和同尺寸硅器件，前者可以處理的電壓是后者的10倍。換句話說，如果兩根晶體管處理的電壓相同，碳化硅器件的尺寸可能要小得多。這種尺寸上的差異可轉化為功耗優(yōu)勢。在相同的“擊穿電壓”（例如1200伏）下，碳化硅晶體管的“導通”電阻是硅晶體管的1/200到1/400，因此其功率損耗更低。尺寸更小的晶體管還可以在功率轉換器中實現(xiàn)更高的開關頻率，這意味著可以制造更小、更輕、更便宜的電容器和電感器。

碳化硅第二個令人驚訝的特性是熱導率：碳化硅因導電而升溫時，可以迅速排出熱量，延長器件的壽命。實際上，在寬帶隙半導體中，碳化硅的熱導率僅次于金剛石。借助這一屬性，我們可以將大功率碳化硅晶體管連接到更低功耗的硅元件所使用的相同大小的散熱器上，并且仍然可以得到一個功能齊全、經久耐用的設備。

第三個特性與在金星上運行最為相關，即在室溫下碳化硅的本征電荷載流子濃度非常低。本征載流子濃度表明了熱能使多少電荷載流子導電。（向半導體摻入另一種元素的原子可以增加可用載流子，但是，本征濃度表示的是沒有摻雜的情況下的濃度。）你可能認為，這里的低值（特別是比硅的值低）是一件壞事，但如果想在高溫下工作，情況就不是這樣了。

原因如下：溫度上升時，作為半導體的硅停止工作并不是因為它發(fā)生熔化、燃燒或任何劇烈變化。相反，晶體管開始充滿熱產生的電荷載流子。熱量使一些電子有足夠的能量從價帶（它們在價帶中與原子結合）沸騰出來，進入導帶，留下帶正電的空穴。分離出來的電子和空穴有助于傳導。在中等溫度下（對硅來說是250℃到300℃），這只會使晶體管漏電并產生噪聲，但在更高的溫度下，本征載流子濃度超過了摻雜所能提供的載流子數(shù)量，晶體管就會像卡在“開”位置的開關一樣再也無法關閉了。

相比之下，碳化硅具有更寬的帶隙和更少的本征載流子，在“晶體管泛洪”前具有更大的溫度凈空，使其能夠在800°C以上繼續(xù)開關切換。

在這些特性的共同作用下，相比硅而言，碳化硅能夠在更高的電壓、功率和溫度下工作。此外，即使在硅能夠工作的溫度下，碳化硅的性能也往往更優(yōu)，因為碳化硅器件可以以更高的頻率和更低的損耗完成開關切換。綜上，我們就有了更高效、更結實耐用的器件，以及體積更小、重量更輕且能夠在金星環(huán)境中運行的電路和系統(tǒng)。

雖然未來的金星登陸器需要一部分高壓功率晶體管，但它的大部分電路（在處理器、傳感器和無線電中）需要低壓晶體管。相較于硅，針對碳化硅的開發(fā)更少，但由于存在封裝問題，我們已經開始了研發(fā)。

隨著分立碳化硅功率器件的商業(yè)化應用，工程師們認識到，有必要降低費電的不必要寄生電阻、電感和電容。一種方法是通過先進的封裝方式，將控制、驅動和保護電路與功率器件更好地集成在一起。在硅電力電子設備中，這些電路位于印刷電路板（PCB）上，但在碳化硅功率晶體管所能達到的較高頻率下，印刷電路板的寄生效應可能過大，會導致噪聲過大。將這些電路與功率器件封裝甚至集成在一起可以消除噪聲。不過后一種辦法也意味著要用碳化硅制作這些電路。 出于多方面的原因，在室溫下，碳化硅并不是低壓微電子設備的自然選擇。也許最重要的原因是電壓不可能真的一直那么低，所以功耗也不可能一直很低。硅的帶隙較小，因此我們可以用1伏的電壓來驅動微電子設備，但是碳化硅的帶隙幾乎是硅的3倍。因此，推動電流通過晶體管所需要的最低電壓（即閾值電壓）也較大。我們通常會使用15伏電壓來給碳化硅“低壓”微電子設備供電。 20多年來，世界各國的研究人員都在嘗試制造碳化硅低壓微電子設備，但最初的成果也很有限。不過，近10年來，我們大學以及科銳、弗勞恩霍夫集成系統(tǒng)和設備技術研究所、普渡大學、NASA格倫研究中心、馬里蘭大學和英國雷神公司的研究人員取得了一些突破。 柵極驅動器是阿肯色團隊最早制造的主要微電子電路之一，它通過輸入端或柵極直接控制功率晶體管。目前我們已經開發(fā)了這種電路的幾個版本，它可以與功率器件一起封裝（甚至可以置于功率器件的上方），并在與金星一樣的溫度下進行了測試。這種電路及其后來的版本能夠非常精確地控制功率器件，最大限度地提高效率，同時盡量減少電磁干擾。其中最大的挑戰(zhàn)是設計能夠適應不斷變化的環(huán)境，甚至能夠考慮老化影響的設備，因為在金星惡劣的環(huán)境中，設備必然會老化。

柵極驅動器很重要，但在希望探索其他行星的科學家看來，無線電可能才是最重要的系統(tǒng)。畢竟，如果無法把數(shù)據(jù)發(fā)回地球，將一堆科學儀器送到另一個星球就沒有意義。

對未來的行星探索任務來說，緊湊且結實耐用的無線電系統(tǒng)可能更為關鍵，因為我們可以用探測車攜帶數(shù)據(jù)，取代這些機器里成千上萬根點對點線路中的一部分。取消電線，采用無線指揮和控制可以大大減輕重量，這對去往金星的4 000萬公里旅行至關重要。 最近，我們的大部分工作都集中在設計和測試碳化硅行星際無線電收發(fā)器元件上。如果在地球上運行5G無線電，任何人都不會首選碳化硅。一方面，在室溫下，它的電荷載流子遷移率低于硅，部分遷移率設定了半導體可以放大的頻率上限。不過，在金星的表面溫度下，硅根本無法工作，因此，讓碳化硅來適應這項任務是明智的。 碳化硅在無線電頻率方面確實有一個優(yōu)點。載流子的稀少意味著用這種材料制成的器件的寄生電容較低。換言之，周圍很少有電荷，因此這些電荷不太可能以降低設備性能的方式相互作用。 我們研發(fā)的收發(fā)器架構稱為中低頻外差（low-intermediate-frequency hete-rodyne，在希臘語中，“hetero”的意思是“不同的”，“dyne”的意思是“力量”）。

為了解釋它的含義，我們可以看看一個通過系統(tǒng)的接收端進入的輸入信號。天線發(fā)出的無線電信號會被低噪放大器增強，然后饋送給混頻器。混頻器會將收到的信號與靠近該信號載波頻率的另一個頻率結合起來。這種混頻產生了兩個新的中頻信號，一個比載波高，一個比載波低。然后低通濾波器會消除頻率較高的信號。剩余的中頻（更適合加工）信號會被放大，然后利用模數(shù)轉換器進行數(shù)字化，將產生的比特（代表接收到的信號）傳送給數(shù)字處理單元。 瑞典皇家理工學院開發(fā)的碳化硅雙極結型晶體管（BJT）技術的高頻性能決定了具備所有這些功能的射頻電路的實現(xiàn)方式。這項技術給我們帶來了制造一臺發(fā)送和接收59兆赫信號的收發(fā)器所需要的基本射頻電路。59兆赫信號是晶體管的高頻限制和電路的無源元件限制之間的差額，后者在較低的頻率下受到的限制更大。（這個頻率大致在金星登陸器使用的80兆赫范圍內?，F(xiàn)代的金星探索任務很可能會首先將其數(shù)據(jù)發(fā)送至一顆繞金星運行的衛(wèi)星，然后利用NASA的深空頻率將數(shù)據(jù)傳回地球。） 收發(fā)器的真正關鍵在于混頻器，它能將59兆赫的信號向下轉換為500千赫的中頻。我們的混頻器的核心是一個碳化硅雙極結型晶體管，它會將傳入的59兆赫射頻信號和59.5兆赫信號都作為其輸入。來自晶體管的集電極端的輸出信號與電容器和電阻器（均能承受500℃高溫）組成的網絡相連，濾除高頻，只留下500千赫的中頻。 與混頻器之后的低頻模擬和數(shù)字電路相比，射頻電路在各個研發(fā)階段都帶來了挑戰(zhàn)，例如，缺少準確的晶體管模型、匹配阻抗以確保大部分信號通過的問題，以及電阻器、電容器、電感器和印刷電路板的可靠性等。

此外，其中的印刷電路板也與我們常見的印刷電路板不同。從手持設備到高端服務器，無處不在的FR-4電路板在金星條件下會快速下垂并解體。因此，我們采用的是“低溫共燒陶瓷板”。芯片通過金絲而非鋁線連接到這塊堅硬的電路板上，因為鋁很快就會軟化。我們用銀互連片（有的鍍了鈦）將元件連接到電路中，沒有使用銅線的原因是銅線會從印刷電路板上脫落。電路板上的電感器是金制螺旋形。（因此這些電路非常昂貴。）

雖然混頻器至關重要，但未來的金星探測器需要的遠不止這些。到目前為止，我們已經在阿肯色大學和瑞典皇家理工學院設計、制造和測試了大約40種在500℃溫度下工作的不同電路。這些電路包括收發(fā)器的其他射頻和模擬部分，以及處理來自收發(fā)器和未來行星科學傳感器的數(shù)據(jù)所需的許多數(shù)字電路。其中一些電路是許多工程師所熟悉的，例如555定時器、8位模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器、鎖相環(huán)電路和布爾邏輯電路庫。由于這些都是在大學小批量制造的零件，所以尚未開展長期測試。我們實驗室最長在高溫下進行了為期一兩周的運行。我們也受到了其他小組的擴展實驗的鼓舞，這些實驗表明，我們的電路和設備可以運行更長時間。

引人注目的是，NASA格倫研究中心最近報告稱，碳化硅集成電路（每塊芯片上有近200個晶體管）在該中心的金星環(huán)境室中運行了整整60天。在這間環(huán)境室內，晶體管承受了9.3兆帕的壓強、460℃的高溫和金星特有的腐蝕性大氣。這些晶體管均沒有受損或失效，這表明如果可以更長時間處于該環(huán)境室內，它們可以繼續(xù)堅持更久。 我們還有很多工作要做。我們需要把重點放在集成已開發(fā)的各種電路和提高工作電路的產量上，還必須開發(fā)更多的電路，并證明它們能夠在金星表面溫度下共同工作數(shù)月甚至數(shù)年且符合穩(wěn)定性需求。要在噴氣式和天然氣渦輪機等裝置中實現(xiàn)碳化硅無線電和其他低功率電路的商業(yè)應用，最后一點尤為重要。如果投入足夠的精力并優(yōu)先處理，不用幾十年，這些可能幾年后就能實現(xiàn)。 碳化硅電路能為未來的金星探索任務做好準備嗎？我們有理由說，沒有它們，探索任務就準備不好。 作者：Alan Mantooth、Carl-Mikael Zetterling、Ana Rusu

－The End －

審核編輯 ：李倩