关于碳化硅的抗宇宙射线能力

《碳化硅的抗宇宙射线能力》

半导体器件在其整个生命周期中都会受到核粒子辐射。这种辐射源自于高能宇宙粒子撞击大气层外围，并通过传播与核反应在低海拔处形成核粒子雨，参见图16。

图16.在之后由宇宙粒子引发的粒子雨示意图

图17.在高海拔处相对于海平面的中子通量

对于地球大气层以上的空间应用，宇宙辐射主要由质子、离子和伽玛射线组成。对于最高达到飞机飞行高度的地面应用，大气层能起到很大的屏蔽作用，辐射环境取决于地平面的通量密度约为20个中子/cm²/小时的中子。但如图17所示，中子通量随海拔高度呈指数增长，因此在考虑宇宙辐射导致的失效率时必须考虑到海拔高度。 尽管地面上的中子通量密度相当低，但许多功率半导体应用都要求单一器件失效率位于1-100FIT（失效/时间）或更低的范围内。（1FIT=109个运行小时数内有1个失效）因此有必要弄清楚并了解宇宙辐射导致功率半导体器件失效的机制，并根据器件和应用参数推导出一个加速模型，另请参见。 图18所示为在阻断或反向偏压条件下运行的功率半导体器件的基本失效机制。该示意图呈现了在阻断p-i-n二极管结构中的电场分布。入射宇宙粒子可能触发与晶格原子的核反应，反冲离子可激发由电子和空穴组成的带电等离子体。在正常的反向偏压运行条件下，电场呈三角形或梯形（蓝色曲线）。当存在由入射宇宙粒子诱发的带电等离子体时，电场在等离子体中被局部屏蔽。在等离子体区的边缘甚至会产生更强的电场，这可能导致产生通过活跃区进一步传播开去的雪崩（红色曲线），也就是所谓的“电子流”。

图18. 在之后垂直功率器件中的宇宙辐射失效机制示意图。为简单起见，只考虑被施加反向偏压的一维p-i-n二极管结构

等离子体通道和随后的流光可使器件发生短路，然后再被耗散能摧毁。这就是所谓的“单粒子烧毁”（SEB）。在碳化硅和硅中，由宇宙辐射引起的失效率随入射时器件中存在的电场呈指数级增长。具有相似电场的器件失效率也相似。在过去的几十年中进行了许多加速试验，这些试验表明，当施加的电压被归一化为实际雪崩击穿电压时，由宇宙射线诱发的失效率相似，参见图19。

图19.对不同的SiC技术和电压等级进行大量试验后测得的FIT率。每项试验所施加的电压被归一化为测得的实际雪崩击穿电压VBR。中报道了类似的结果。由于在原则上试验中的失效概率很低而加速度很大，所以试验结果呈现出位于1到2个数量级的范围内的相当大的分散性。为简单起见，该图中没有显示源自于有限数量的被测器件的每一个实验的统计误差线。

这些试验是用质子加速器和散裂中子源进行的，它们可通过高粒子通量密度实现108数量级的高加速因子。图19所示为，失效率与施加的反向电压或阻断电压存在明显的指数级关系。由于每个器件在原则上的失效概率很低，且试验中的统计数据有限，所以试验结果呈现出位于1到2个数量级的范围内的分散性。除去这一分散性，还可通过这些结果推断出一个平均指数电压加速模型。为验证该加速模型，在进行基于人工离子源的加速试验的同时，还在高海拔和大气中子的自然通量下进行储存试验。

凭借宇宙射线诱发的失效率与雪崩击穿电压的关系，就可以优化功率器件的稳健性。一般而言，垂直型功率器件可以设计更高的雪崩击穿电压，从而可以通过更大的厚度和更低的漂移层或基底层掺杂来实现更强的抗宇宙辐射能力。这又意味着正向导通损耗将在一定程度上降低，即，在抗辐射能力与通态损耗之间取得平衡。

为计算宇宙辐射导致的器件或模块失效率，必须考虑到特定应用的条件，即施加的电压和海拔高度与相应的运行小时数之间的关系。因此，不可能为某一技术或应用提供一个宇宙辐射失效率的数字。相反，英飞凌支持客户通过其遍布全球的、经验丰富的、且经过训练的应用工程师网络，研究如何根据英飞凌试验数据、客户应用条件和应用细节信息去计算总体失效率。

英飞凌永远支持开发宇宙辐射实验的新技术和新产品，以便验证该模型，并确保在应用和器件设计中达到实现恰当平衡所需的抗辐射能力。结果表明，就宇宙射线导致的基本失效机制及其与运行条件的关系而言，硅IGBT技术与SiC功率器件之间只有相当细微的差异。

原文标题：碳化硅的抗宇宙射线能力

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责任编辑：haq