《碳化硅的抗宇宙射線能力》

半導體器件在其整個生命周期中都會受到核粒子輻射。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.在高海拔處相對于海平面的中子通量

對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。對于最高達到飛機飛行高度的地面應(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個中子/cm2/小時的中子。但如圖17所示，中子通量隨海拔高度呈指數(shù)增長，因此在考慮宇宙輻射導致的失效率時必須考慮到海拔高度。 盡管地面上的中子通量密度相當?shù)?，但許多功率半導體應(yīng)用都要求單一器件失效率位于1-100FIT（失效/時間）或更低的范圍內(nèi)。（1FIT=109個運行小時數(shù)內(nèi)有1個失效）因此有必要弄清楚并了解宇宙輻射導致功率半導體器件失效的機制，并根據(jù)器件和應(yīng)用參數(shù)推導出一個加速模型，另請參見。 圖18所示為在阻斷或反向偏壓條件下運行的功率半導體器件的基本失效機制。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行條件下，電場呈三角形或梯形（藍色曲線）。當存在由入射宇宙粒子誘發(fā)的帶電等離子體時，電場在等離子體中被局部屏蔽。在等離子體區(qū)的邊緣甚至會產(chǎn)生更強的電場，這可能導致產(chǎn)生通過活躍區(qū)進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制示意圖。為簡單起見，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器件中存在的電場呈指數(shù)級增長。具有相似電場的器件失效率也相似。在過去的幾十年中進行了許多加速試驗，這些試驗表明，當施加的電壓被歸一化為實際雪崩擊穿電壓時，由宇宙射線誘發(fā)的失效率相似，參見圖19。

圖19.對不同的SiC技術(shù)和電壓等級進行大量試驗后測得的FIT率。每項試驗所施加的電壓被歸一化為測得的實際雪崩擊穿電壓VBR。中報道了類似的結(jié)果。由于在原則上試驗中的失效概率很低而加速度很大，所以試驗結(jié)果呈現(xiàn)出位于1到2個數(shù)量級的范圍內(nèi)的相當大的分散性。為簡單起見，該圖中沒有顯示源自于有限數(shù)量的被測器件的每一個實驗的統(tǒng)計誤差線。

這些試驗是用質(zhì)子加速器和散裂中子源進行的，它們可通過高粒子通量密度實現(xiàn)108數(shù)量級的高加速因子。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)級關(guān)系。由于每個器件在原則上的失效概率很低，且試驗中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有限，所以試驗結(jié)果呈現(xiàn)出位于1到2個數(shù)量級的范圍內(nèi)的分散性。除去這一分散性，還可通過這些結(jié)果推斷出一個平均指數(shù)電壓加速模型。為驗證該加速模型，在進行基于人工離子源的加速試驗的同時，還在高海拔和大氣中子的自然通量下進行儲存試驗。

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現(xiàn)更強的抗宇宙輻射能力。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。

為計算宇宙輻射導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)的運行小時數(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)驗豐富的、且經(jīng)過訓練的應(yīng)用工程師網(wǎng)絡(luò)，研究如何根據(jù)英飛凌試驗數(shù)據(jù)、客戶應(yīng)用條件和應(yīng)用細節(jié)信息去計算總體失效率。

英飛凌永遠支持開發(fā)宇宙輻射實驗的新技術(shù)和新產(chǎn)品，以便驗證該模型，并確保在應(yīng)用和器件設(shè)計中達到實現(xiàn)恰當平衡所需的抗輻射能力。結(jié)果表明，就宇宙射線導致的基本失效機制及其與運行條件的關(guān)系而言，硅IGBT技術(shù)與SiC功率器件之間只有相當細微的差異。

原文標題：碳化硅的抗宇宙射線能力

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