Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 4 · SOLID STATE ELECTRONICS

Design and technological features of high temperature integrated circuits

I.V. Frolov1, A.V. Bugakova2, O.V. Dvornikov3, D.V. Kleimenkin2

1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov IRE RAS, Ulianovsk, Russia
2 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
3 Minsk Scientific and Research Instrument-Making Institute, Belarus, Belarus
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.4.8 UDC 621.3.049.77 EDN ITXHQH

Abstract

The problems of design and technological solutions for high-temperature analog microcircuits have been studied. Based on a review of publications devoted to the problems of designing high-temperature electronics products, it is shown that the most studied and used in mass production materials for the manufacture of crystals operating in the temperature range up to 300-350 ºС and in some cases up to 500 ºС are silicon carbide of the 4H-SiC and 6H-SiC. The use of gallium nitride GaN as a material for crystals makes it possible to expand the operating temperature range of semiconductor devices to 600 ºС. These materials have a large band gap, a high charge carrier saturation rate, and a low concentration of intrinsic charge carriers. One of the main factors limiting the growth rate of production of high-temperature electronics products is the complexity of packaging. It is shown that special attention of researchers is currently paid to the selection of case materials, materials for fastening crystals and materials of conductors connecting the contact pad of the crystals with the traverses of the case and coordinating the coefficient of thermal expansion of the crystal, the material for fastening the crystal and the housing seat on which the crystal is placed.

  • high-temperature electronics
  • integrated circuits
  • design
  • materials
Аннотация (на русском)

Конструктивно-технологические особенности высокотемпературных интегральных микросхем

Исследованы проблемы конструктивно-технологических решений высокотемпературных аналоговых микросхем. На основании обзора публикаций, посвященных проблемам проектирования изделий высокотемпературной электроники показано, что наиболее изученными и используемыми в серийном производстве материалами для изготовления кристаллов, работающих в диапазоне температур до 300-350 ºС и в ряде случаев до 500 ºС, являются карбид кремния политипов 4H-SiC и 6H-SiC. Использование нитрида галлия GaN в качестве материала для кристаллов позволяет расширить температурный диапазон работы полупроводниковых приборов до 600 ºС. Указанные материалы имеют большую ширину запрещенной зоны, высокую скорость насыщения носителей заряда и низкую концентрацию собственных носителей заряда. Одним из основных факторов, сдерживающих темпы роста производства изделий высокотемпературной электроники, является сложность корпусирования. Показано, что особое внимание исследователей в настоящее время уделяется выбору материалов корпуса, материалов для крепления кристаллов и материалов проводников, соединяющих контактную площадку кристаллов с траверсами корпуса, согласованию коэффициента теплового расширения кристалла, материала для крепления кристалла и посадочного места корпуса, на котором размещают кристалл.

For citation

Frolov I.V., Bugakova A.V., Dvornikov O.V., Kleimenkin D.V. Design and technological features of high temperature integrated circuits // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.8

References

  1. Скупов А. Технологические материалы для высокотемпературных микросхем // Вектор высоких технологий. - 2017. - №6 (35).
  2. Wei R. et al. Thermal conductivity of 4H-SiC single crystals //Journal of Applied Physics. - 2013. - V. 113. - №. 5. https://doi.org/10.1063/1.4790134
  3. Qian X., Jiang P., Yang R. Anisotropic thermal conductivity of 4H and 6H silicon carbide measured using time-domain thermoreflectance // Materials Today Physics. - 2017. - V. 3. - P. 70-75. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2017.12.005
  4. Lien W. C. et al. 4H-SiC N-channel JFET for operation in high-temperature environments //IEEE Journal of the Electron Devices Society. - 2014. - V. 2. - №. 6. - P. 164-167. https://doi.org/10.1109/JEDS.2014.2355132
  5. Neudeck P. G., Spry D. J., Chen L. Y. Experimental and theoretical study of 4H-SiC JFET threshold voltage body bias effect from 25° C to 500° C // Materials Science Forum. - Trans Tech Publications Ltd, 2016. - V. 858. - P. 903-907. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.858.903
  6. Alexandrov P. et al. Analog and logic high temperature integrated circuits based on SiC JFETs // Additional Papers and Presentations. - 2014. - V. 2014. - №. HITEC. - P. 000061-000065. https://doi.org/10.4071/HITEC-TP12
  7. Elgabra H., Siddiqui A., Singh S. 4H-SiC bipolar SRAM cell for high temperature applications // Extended Abstracts of the 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tsukuba. - 2016. - P. 1013-1014. https://doi.org/10.7567/SSDM.2016.PS-14-18L
  8. Elgabra H., Siddiqui A., Singh S. Simulation of conventional bipolar logic technologies in 4H-SiC for harsh environment applications //Japanese Journal of Applied Physics. - 2016. - V. 55. - №. 4S. - С. 04ER08. https://doi.org/10.7567/JJAP.55.04ER08
  9. Xiaoyan T. et al. 4H-SiC integrated circuits for high-temperature applications //Journal of Crystal Growth. - 2023. - V. 605. - P. 127060. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2022.127060
  10. Чаплыгин Ю. А. и др. Исследование электрических характеристик КМОП-КНИ-структур с проектными нормами 0.5 мкм для высокотемпературной электроники // Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - №. 4. - С. 10-15.
  11. High Temperature SOI CMOS Technology (H035) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ims.fraunhofer.de/en/Business_Units_and_Core_Competencies/High-Temperature-Electronics/Technologies/HT-SOI-CMOS.html (дата обращения: 07.08.2024).
  12. Grella K. et al. High temperature characterization up to 450 C of MOSFETs and basic circuits realized in a silicon-on-insulator (SOI) CMOS technology //Journal of microelectronics and electronic packaging. - 2013. - V. 10. - №. 2. - P. 67-72. https://doi.org/10.4071/imaps.374
  13. Huque M. A. et al. Silicon-on-insulator based high-temperature electronics for automotive applications //2008 IEEE international symposium on industrial electronics. - IEEE, 2008. - P. 2538-2543. https://doi.org/10.1109/ISIE.2008.4677170
  14. Лебедев А. А., Челноков В. Е. Широкозонные полупроводники для силовой электроники //Физика и техника полупроводников. - 1999. - Т. 33. - №. 9. - С. 1096-1099.
  15. Shibata H. et al. High thermal conductivity of gallium nitride (GaN) crystals grown by HVPE process //Materials Transactions. - 2007. - V. 48. - №. 10. - P. 2782-2786. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRP2007109
  16. Hassan A. et al. Circuit techniques in GaN technology for high-temperature environments // Electronics. - 2021. - V. 11. - №. 1. - P. 42. https://doi.org/10.3390/electronics11010042
  17. Hassan A. et al. Towards GaN500-based high temperature ICs: Characterization and modeling up to 600° C // 2020 18th IEEE International New Circuits and Systems Conference (NEWCAS). - IEEE, 2020. - P. 275-278. https://doi.org/10.1109/NEWCAS49341.2020.9159796
  18. Li S. et al. High-temperature electrical performances and physics-based analysis of p-GaN HEMT device //IET Power Electronics. - 2020. - V. 13. - №. 3. - P. 420-425. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0510
  19. Hassan A., Savaria Y., Sawan M. Electronics and packaging intended for emerging harsh environment applications: A review //IEEE transactions on very large scale integration (VLSI) systems. - 2018. - V. 26. - №. 10. - P. 2085-2098. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2018.2834499
  20. Watson J., Castro G. A review of high-temperature electronics technology and applications //Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2015. - V. 26. - P. 9226-9235. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3459-4
  21. Salem J. M., Ha D. S. A high temperature active GaN-HEMT downconversion mixer for downhole communications //2016 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). - IEEE, 2016. - P. 946-949. https://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7527398
  22. Neudeck P. G. et al. Extreme temperature 6H-SiC JFET integrated circuit technology //physica status solidi (a). - 2009. - V. 206. - №. 10. - P. 2329-2345. https://doi.org/10.1002/pssa.200925188
  23. Neudeck P. G. et al. Stable Electrical Operation of 6H-SiC JFETs and ICs for Thousands of Hours at 500 °C // IEEE Electron Device Letters. - 2008. - V. 29. - №. 5. - P. 456-459. https://doi.org/10.1109/LED.2008.919787
  24. Chen L. Y. et al. Packaging of High Temperature SiC Based Electronics // NASA, USA. - 2015.