《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(guò)傳播與核反應(yīng)在低海拔處形成核粒子雨，參見(jiàn)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)?，但許多功率半導(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(jiàn)。 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(guò)活躍區(qū)進(jìn)一步傳播開(kāi)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(jiàn)，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(guò)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(jiàn)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(lèi)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(jiàn)，該圖中沒(méi)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(guò)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(guò)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?xún)?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(guò)更大的厚度和更低的漂移層或基底層摻雜來(lái)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(hù)通過(guò)其遍布全球的、經(jīng)驗(yàn)豐富的、且經(jīng)過(guò)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(hù)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(kāi)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。

原文標(biāo)題：碳化硅的抗宇宙射線能力

文章出處：【微信公眾號(hào)：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq