The Innovation | 氧化钒奇异温度特性的特殊用途：新型开关实现高可靠集成芯片的安全防护
2026-9-9Mario
金属-绝缘体相变材料氧化钒的奇异电学特性被用来构造新型半导体器件-温度阈值二极管/开关，解决了安流防护等问题，为高可靠性集成芯片如弹药引信等新一代MEMS火工品核心部件提供严苛环境的安全性保障。
导读
弹药引信、航天器点火装置等高端集成芯片要求极端环境下的高安全性和可靠性，造成新一代MEMS技术推进其小型化、智能化的困难，金属-绝缘体相变材料氧化钒奇异特性提供了此类芯片如SCB电路高度集成化问题的新“钥匙”。
图1 图文摘要
相变材料新用途：半导体阈值开关新维度
传统电压阈值二极管（VTD）会在电压超过临界值时由高阻态快速切换到低阻态，从而实现限压、分流或能量泄放；而传统负温度系数（NTC）热敏电阻的阻值随温度升高连续、平滑下降，触发边界并不清晰。如果把“温度”也变成半导体器件的主动触发信号，能否构建一种具有明确温度阈值、并能够自主响应热失控的开关器件？关注到二氧化钒（VO2）在特定温度附近具有突变式相变特征，可在不到5 ℃的窄温区内实现2–3个数量级的电阻突降，为异常电流提供旁路。基于这一思路，作者利用VO2的金属—绝缘体相变特性，构建出一种新型双端温度阈值二极管（TTD）。该器件将温度直接引入半导体器件的“触发—状态转换—导通”机制，利用金属材料相变的高度非线性奇异特性实现热触发式快速开关（图2）。
图2 NTC电阻器和VO2温度阈值二极管（TTD）的电阻–温度特性及分流原理示意图
SCB：验证温度阈值器件主动保护能力的典型场景
火工品MEMS器件SCB（半导体桥）作为这一新型器件的典型应用场景。如何在不影响正常点火的前提下实现快速分流，是SCB安全设计的关键问题。然而，TTD的意义远不止于火工品安全，它为集成电路片上热管理、过温保护等更广泛的半导体系统，提供了一种全新的“温度阈值”主动防护思路。
平面蛇形结构：让相变后的VO2真正“分得走”电流
VO2进入金属态后仍需具有足够低的电阻，才能与低阻SCB形成有效分流。为此，研究采用左右平面集成方案，并将VO2设计成高宽长比的蛇形结构，通过增大宽长比降低薄膜电阻。研究还分析了VO2与SCB中心距离、热弛豫时间之间的关系，并结合有限元仿真和安全电流测试优化材料布置。随着VO2有效面积增大，相变后的等效电阻下降，总焦耳热降低，同时更大的薄膜区域增强热扩散，使热场呈现“范围更宽、峰值更低”的特征（图3）。这一结构设计不仅服务于火工品分流需求，更从器件物理层面验证了TTD在导通电阻和热管理上的可调控性，为其作为通用温控开关奠定了基础。
图3 VO2与SCB平面集成结构示意图与实验结果。（a）平面集成与蛇形结构示意图；（b）宽长比不同蛇形结构高电阻变化；（c-d）平面集成仿真结果
三维集成：从“温度开关”走向片上功能器件
在平面结构的基础上，研究进一步从器件架构层面实现突破——利用硅通孔构建垂直集成结构，将芯片背面温度开关与正面多晶硅桥并联连接，使热触发路径与主回路在三维空间上解耦（图4）。这一垂直集成架构不仅解决了SCB的过温保护难题，更展示了兼容于标准半导体工艺的片上温控开关方案。这标志着从“电压阈值”到“温度阈值”的器件理念已从概念走向可行，为未来集成芯片安全防护提供了全新的基础元件选择。
图4 VO2与SCB三维集成结构示意图。（a）垂直集成结构；（b）晶圆/封装器件（中心部分）实物图
总结与展望
本工作创新利用二氧化钒（VO2）发生金属—绝缘体相变所呈现的特定温度点相变响应和极端电学特性（在小于5℃的极窄温区内，电阻骤降2-3个数量级、电导率发生剧烈跃变），将VO2的本征相变行为转化为器件的温度阈值响应功能，构建温度阈值二极管（TTD），并进一步应用于SCB的过温保护。研究从平面蛇形结构进一步发展到3D打印叉指电极与TSV垂直集成，实现了低阻匹配、快速分流和芯片级热管理，并显著提高安全电流能力。未来可继续通过材料改性和结构优化调控相变温度、降低金属态电阻并提升极端环境适应性，推动VO2温度阈值器件向高安全、小型化、智能化火工品系统的工程应用发展。
作者简介
骆建军，杭州电子科技大学微电子研究院院长、教授，亦为华澜微电子股份有限公司创始人。他的研究成果主要在微电子器件和集成电路方面，尤其是，他开发了完整系列的数据存储和数据安全芯片，获得了中国国家科技进步二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖。他分别在浙江大学获得半导体材料博士学位、杭州电子科技大学获得微电子专业硕士学位和上海交通大学电子工程专业学士学位。