《碳化硅的抗宇宙射線能力》
半導(dǎo)體器件在其整個(gè)生命周期中都會(huì)受到核粒子輻射。這種輻射源自于高能宇宙粒子撞擊大氣層外圍,并通過傳播與核反應(yīng)在低海拔處形成核粒子雨,參見圖16。
圖16.在之后由宇宙粒子引發(fā)的粒子雨示意圖
圖17.在高海拔處相對(duì)于海平面的中子通量
對(duì)于地球大氣層以上的空間應(yīng)用,宇宙輻射主要由質(zhì)子、離子和伽瑪射線組成。對(duì)于最高達(dá)到飛機(jī)飛行高度的地面應(yīng)用,大氣層能起到很大的屏蔽作用,輻射環(huán)境取決于地平面的通量密度約為20個(gè)中子/cm2/小時(shí)的中子。但如圖17所示,中子通量隨海拔高度呈指數(shù)增長(zhǎng),因此在考慮宇宙輻射導(dǎo)致的失效率時(shí)必須考慮到海拔高度。 盡管地面上的中子通量密度相當(dāng)?shù)停S多功率半導(dǎo)體應(yīng)用都要求單一器件失效率位于1-100FIT(失效/時(shí)間)或更低的范圍內(nèi)。(1FIT=109個(gè)運(yùn)行小時(shí)數(shù)內(nèi)有1個(gè)失效)因此有必要弄清楚并了解宇宙輻射導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件失效的機(jī)制,并根據(jù)器件和應(yīng)用參數(shù)推導(dǎo)出一個(gè)加速模型,另請(qǐng)參見。 圖18所示為在阻斷或反向偏壓條件下運(yùn)行的功率半導(dǎo)體器件的基本失效機(jī)制。該示意圖呈現(xiàn)了在阻斷p-i-n二極管結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布。入射宇宙粒子可能觸發(fā)與晶格原子的核反應(yīng),反沖離子可激發(fā)由電子和空穴組成的帶電等離子體。在正常的反向偏壓運(yùn)行條件下,電場(chǎng)呈三角形或梯形(藍(lán)色曲線)。當(dāng)存在由入射宇宙粒子誘發(fā)的帶電等離子體時(shí),電場(chǎng)在等離子體中被局部屏蔽。在等離子體區(qū)的邊緣甚至?xí)a(chǎn)生更強(qiáng)的電場(chǎng),這可能導(dǎo)致產(chǎn)生通過活躍區(qū)進(jìn)一步傳播開去的雪崩(紅色曲線),也就是所謂的“電子流”。
圖18. 在之后垂直功率器件中的宇宙輻射失效機(jī)制示意圖。為簡(jiǎn)單起見,只考慮被施加反向偏壓的一維p-i-n二極管結(jié)構(gòu)
等離子體通道和隨后的流光可使器件發(fā)生短路,然后再被耗散能摧毀。這就是所謂的“單粒子燒毀”(SEB)。在碳化硅和硅中,由宇宙輻射引起的失效率隨入射時(shí)器件中存在的電場(chǎng)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。具有相似電場(chǎng)的器件失效率也相似。在過去的幾十年中進(jìn)行了許多加速試驗(yàn),這些試驗(yàn)表明,當(dāng)施加的電壓被歸一化為實(shí)際雪崩擊穿電壓時(shí),由宇宙射線誘發(fā)的失效率相似,參見圖19。
圖19.對(duì)不同的SiC技術(shù)和電壓等級(jí)進(jìn)行大量試驗(yàn)后測(cè)得的FIT率。每項(xiàng)試驗(yàn)所施加的電壓被歸一化為測(cè)得的實(shí)際雪崩擊穿電壓VBR。中報(bào)道了類似的結(jié)果。由于在原則上試驗(yàn)中的失效概率很低而加速度很大,所以試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出位于1到2個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)的相當(dāng)大的分散性。為簡(jiǎn)單起見,該圖中沒有顯示源自于有限數(shù)量的被測(cè)器件的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)誤差線。
這些試驗(yàn)是用質(zhì)子加速器和散裂中子源進(jìn)行的,它們可通過高粒子通量密度實(shí)現(xiàn)108數(shù)量級(jí)的高加速因子。圖19所示為,失效率與施加的反向電壓或阻斷電壓存在明顯的指數(shù)級(jí)關(guān)系。由于每個(gè)器件在原則上的失效概率很低,且試驗(yàn)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限,所以試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出位于1到2個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)的分散性。除去這一分散性,還可通過這些結(jié)果推斷出一個(gè)平均指數(shù)電壓加速模型。為驗(yàn)證該加速模型,在進(jìn)行基于人工離子源的加速試驗(yàn)的同時(shí),還在高海拔和大氣中子的自然通量下進(jìn)行儲(chǔ)存試驗(yàn)。
憑借宇宙射線誘發(fā)的失效率與雪崩擊穿電壓的關(guān)系,就可以優(yōu)化功率器件的穩(wěn)健性。一般而言,垂直型功率器件可以設(shè)計(jì)更高的雪崩擊穿電壓,從而可以通過更大的厚度和更低的漂移層或基底層摻雜來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抗宇宙輻射能力。這又意味著正向?qū)〒p耗將在一定程度上降低,即,在抗輻射能力與通態(tài)損耗之間取得平衡。
為計(jì)算宇宙輻射導(dǎo)致的器件或模塊失效率,必須考慮到特定應(yīng)用的條件,即施加的電壓和海拔高度與相應(yīng)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)之間的關(guān)系。因此,不可能為某一技術(shù)或應(yīng)用提供一個(gè)宇宙輻射失效率的數(shù)字。相反,英飛凌支持客戶通過其遍布全球的、經(jīng)驗(yàn)豐富的、且經(jīng)過訓(xùn)練的應(yīng)用工程師網(wǎng)絡(luò),研究如何根據(jù)英飛凌試驗(yàn)數(shù)據(jù)、客戶應(yīng)用條件和應(yīng)用細(xì)節(jié)信息去計(jì)算總體失效率。
英飛凌永遠(yuǎn)支持開發(fā)宇宙輻射實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)和新產(chǎn)品,以便驗(yàn)證該模型,并確保在應(yīng)用和器件設(shè)計(jì)中達(dá)到實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)平衡所需的抗輻射能力。結(jié)果表明,就宇宙射線導(dǎo)致的基本失效機(jī)制及其與運(yùn)行條件的關(guān)系而言,硅IGBT技術(shù)與SiC功率器件之間只有相當(dāng)細(xì)微的差異。
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