SiC技术能否满足航天器和飞机的高功率需求！

碳化硅(SiC)功率器件作为一种潜在的优越替代品，逐渐取代传统的硅基组件，为航天器和电动飞机的高功率应用提供了显著的优势。然而，SiC技术的成功应用必须克服一个关键障碍：在这些极端操作条件下遇到的严峻辐射环境。

本文基于最近在德国法兰克福举办的PCIM Europe会议上的讲座，分析了SiC技术在航天应用中的潜在限制，并提出了CoolCAD Electronics为高空和太空环境开发的解决方案。

航天电力应用的挑战

辐射耐受的高压功率器件是实现航天任务和电动飞机显著减轻重量和体积的必要条件。这些器件能够在电力转换器和配电系统中实现更高的电压和频率，这对于下一代航天电力系统至关重要。

国际空间站是目前航天器中功率容量最高的，约为100千瓦，体现了对先进电力分配系统的需求，采用了八个交错微电网。未来的太空任务，例如月球轨道站Gateway和月球及火星基地，将需要低质量、高效率的模块化电力调节器。

SiC高压功率器件通过提高电压水平提供了一种可行的解决方案，从而提高效率并延长任务寿命。这些器件简化了设计复杂性，并减少了电力分配损耗，得益于更高的工作电压和降低的冷却需求。因此，SiC功率器件可以显著降低系统重量和成本，为关键仪器载荷腾出空间和电力。

目前的航天电力分配技术由于半导体的限制，仅能支持200伏以下的电压。实现超过300伏的工作电压需要开发新技术。耐辐射的高压组件额定电压超过300伏，可以将电推进系统的功率提升到当前的5千瓦阈值之上，提升系统效率超过92%，并减少载荷重量。

辐射威胁：电子设备的敌对环境

地球大气层为我们屏蔽了太空辐射，但宇宙射线和太阳粒子的宇宙雨仍然会穿透它。这些宇宙雨产生的次级中子粒子对商业和军事飞机以及地面车辆中的电子设备构成风险。

主要的宇宙射线主要是质子和α粒子，来源于外太空或被捕获的质子带。当它们与大气气体碰撞时，会产生高能产物，如中子、π介子和μ子，形成宇宙雨。其中，中子因其质量、大的俘获截面和穿透能力，对电子设备特别危险。

高能中子可以通过将原子从晶格位置击出而对半导体器件(如功率MOSFET)造成严重损害，导致电离轨迹，从而导致器件失效。SiC器件以其在效率和高温操作方面的优势而闻名。然而，还需进一步研究以评估长期可靠性，并确保其集成到节能系统中，从而减轻潜在的可靠性问题。

辐射对功率电子的影响

用于航天应用的功率器件需要耐受以下三种类型的辐射。

总电离剂量

总电离剂量(TID)是指材料因高能电磁波或带电粒子而发生的电离(电子和空穴对的形成)，以单位质量吸收的能量来衡量。在半导体中，TID效应通常使用单位rad来描述，其中1 rad等于每克材料吸收的100 erg能量。

对于功率MOSFET，TID主要影响n通道器件的阈值电压。与硅基器件相比，SiC功率MOSFET对TID效应表现出更强的耐受性，这得益于在SiC上生长的二氧化硅中较低的空穴捕获效率。

在商用SiC功率MOSFET中，经过钴-60伽马辐射的研究显示出阈值电压的轻微偏移。由于新一代MOSFET的栅氧化层厚度有所改进，偏移在新一代器件中不太明显。在CoolCAD的新一代SiC MOSFET中，阈值电压随TID变化而变化不大，即使在最高剂量120 krad(Si)下也是如此。

实验结果表明，尽管TID增加，阈值电压的偏移仍然非常小，表明对TID的良好响应。辐射后退火显示阈值电压恢复很小或没有恢复，突显了SiC器件对辐射效应的抗干扰能力。

位移损伤

位移损伤发生在材料中的晶格原子被入射粒子(如质子)位移时，导致缺陷和捕获位点的形成。这种位移使原子变为间隙原子，同时留下空位。随着时间的推移，这些缺陷可能显著改变材料特性并降低器件的电性能。

对于SiC，位移损伤的阈值超过每平方厘米10^12个质子或中子，这一值高于硅。因此，SiC在粒子通量增加时漏电流的增加幅度较小。

一项在德克萨斯农工大学圆形加速器设施进行的重离子辐照实验显示，商用SiC功率设备因离子击打而导致端子电流降级，在相对较低的电压下受到影响(见图2a)。在更高电压下，SiC功率器件会经历意外失效。重离子造成的损害在图2b的左上角可见。

图2

重离子单效应

SiC功率MOSFET对重离子的损伤非常敏感，其特征在于其线性能量转移(LET)。LET以MeV·cm²/mg为单位，量化重离子向材料的能量转移速率。更重的离子和更密集的材料增加LET，从而由于快速能量损失而减少粒子的范围。

单事件烧毁和单事件门极击穿是由辐射引发的高电流状态导致的SiC器件的灾难性失效机制。这些失效发生在重离子电离轨迹诱导自持高电流状态时，导致器件失效。在高偏置下，从大约三分之一的击穿电压开始，单个高LET离子击打会造成不可逆的损害。在中等偏置下，漏电流和栅电流的变化与重离子通量相关，并在辐照后持续存在。在低偏置下(低于额定电压的20%)，辐照后没有可测量的影响，从而限制了SiC MOSFET在太空环境中的安全工作电压。

SiC功率二极管表现出类似的降解机制，灾难性故障发生在更高的偏置下。研究表明，存在一个阈值电场，超过该电场会发生灾难性损害，主要由电热效应驱动。在较低电压下，由于局部热过程也可能造成永久性损伤。MOSFET中的栅损坏与氧化层电场增加和随之而来的物理损伤有关，导致栅漏电流增加。

图3

由于烧毁和门极击穿造成的灾难性失效在功率器件中是不可接受的，会导致端子电压短路。典型的1.2 kV SiC功率器件的烧毁阈值约为500 V，在高电压额定器件中也有类似的阈值。为了提高辐射耐受性和烧毁阈值，研究人员的努力集中在实现至少40 MeV·cm²/mg的LET耐受性和105离子/cm²的通量，直至300 V偏置。初步结果(见图3)显示重离子烧毁阈值超过1 kV，LET高达20 MeV·cm²/mg，而对于更高LET值则稍低于1 kV。

飞机的要求

组件的高空适应性由其对大气中中子的耐受性决定，这些中子会通过位移晶格原子而损坏器件。这种位移类似于低LET离子击打。大气中的中子在海平面及更高海拔处会导致SiC功率器件的失效。这种失效是由于中子与晶格原子碰撞引发的小丝快速加热。这些碰撞在器件内沉积电荷;如果电荷超过特定偏置的临界值，就会导致失效。

图4

图4a显示了SiC MOSFET与硅MOSFET的失效率比较。在图4b中，CoolCAD的设计在较低电压下表现出更好的失效率。圆圈代表失效，而每个三角形显示失效的上限。