抗輻射功率器件：第 2 部分 WBG 器件和封裝選項(xiàng)

在關(guān)于抗輻射功率器件的第 2 部分中，我們將探討 WBG 半導(dǎo)體在該領(lǐng)域的一些優(yōu)勢(shì)，特別是 SiC MOSFET 和 GaN HEMT。還將總結(jié)一些包括低成本塑料產(chǎn)品的包裝選擇。

SiC 和GaN由于更高的電離能(即從輻射中形成電子-空穴載流子對(duì)的能力)，以及由于晶格中更強(qiáng)的原子鍵而具有更高的缺陷形成閾值能量，因此提供了優(yōu)于 Si 的固有輻射硬度優(yōu)勢(shì)。這些材料有其獨(dú)特的特性，總結(jié)如下。

SiC MOSFET：就總電離劑量 (TID) 效應(yīng)而言，據(jù)廣泛報(bào)道，SiC MOSFET 的性能優(yōu)于 Si 同類(lèi)產(chǎn)品。例如，Akturk 等人 [1] 報(bào)告說(shuō)，商用現(xiàn)貨 (COTS) SiC MOSFET 上 400krad TID 的 Vt 偏移約為 1V 或更小。TID 效應(yīng)通常與柵極氧化物中的電荷積累有關(guān)。在 SiC 中，與在 Si 中一樣，在柵極氧化物中形成空穴會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓偏移，影響器件電容并因此影響開(kāi)關(guān)行為，并根據(jù)偏置條件降低擊穿電壓。柵極氧化物氮化的類(lèi)型也會(huì)影響 TID 響應(yīng) 。

更大的挑戰(zhàn)是這些設(shè)備中重離子的單粒子降解(SEE 響應(yīng))。顯示了 SiC MOSFET 的響應(yīng)曲線，它是所施加漏極偏置的函數(shù)。

較低的偏壓潛在柵極損壞顯示為增加的柵極-源極泄漏，并且取決于離子的 LET，較高的 LET 較重的離子會(huì)產(chǎn)生更多泄漏。這種潛在的柵極損壞可能發(fā)生在 Vds 閾值電壓 V1 低至額定漏極電壓的 10% 時(shí)，這比 Si MOSFET 更糟糕。柵極氧化物上的高電場(chǎng)被認(rèn)為是造成這種情況的原因。下一個(gè)區(qū)域顯示稱(chēng)為單事件泄漏電流 (SELC) 的泄漏?？梢酝ㄟ^(guò)類(lèi)似于用于 Si MOSFET 中的 SEGR 改進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)(例如減小 JFET 寬度)來(lái)最小化在較低偏置下顯示的柵極到漏極泄漏。漏極到源極的泄漏在較高的偏置下占主導(dǎo)地位。這種泄漏與入射離子 LET 相對(duì)無(wú)關(guān)，是由漏-體結(jié)引起的。SEB，或倦怠，

用于 Si MOSFET SEB 改進(jìn)的相同技術(shù)可以應(yīng)用于 SiC，包括使用更厚的外延 。但是，這可能對(duì) SELC 沒(méi)有幫助。

GaN HEMT：emode GaN HEMT具有其他優(yōu)勢(shì)，使其成為空間應(yīng)用的首選：

1. emode HEMT 沒(méi)有柵極氧化物，因此它不會(huì)像 MOSFET 那樣容易因柵極氧化物中的電荷積累而發(fā)生參數(shù)偏移。因此 TID 響應(yīng)得到了很大改善

2. 缺少柵極氧化物也意味著它不容易出現(xiàn) MOSFET 中出現(xiàn)的 SEGR 柵極破裂故障。

3. 該器件沒(méi)有 MOSFET 中的源極/體/襯底結(jié)，無(wú)法產(chǎn)生寄生 BJT 雪崩效應(yīng)。

事實(shí)上，在 eGaN HEMT 上已經(jīng)報(bào)道了出色的 TID，即使在 500krads 以上 也幾乎沒(méi)有 Vt 偏移。Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 擁有一系列具有出色抗輻射性能的 eGaN HEMT 產(chǎn)品。例如，EPC7018G 100V FET [6] 的額定 TID 為 1000 krads，其 SEE 安全工作區(qū) (SOA) 涵蓋了 Au LET 的全電壓額定值。GaN HEMT 確實(shí)會(huì)遭受重離子的位移損壞，這會(huì)導(dǎo)致更高的漏源泄漏，這在更高額定電壓的器件中受到更多限制。也有報(bào)道稱(chēng)電容增加，這將影響開(kāi)關(guān)行為。認(rèn)為2DEG通道上方的AlGaN緩沖層在重離子轟擊下會(huì)產(chǎn)生缺陷并捕獲位移損傷。

封裝：傳統(tǒng)上，基于陶瓷和金屬的密封封裝已用于抗輻射功率半導(dǎo)體。然而，與塑料包裝相比，這些包裝又重又笨重。衛(wèi)星電子系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是 SWaP(尺寸重量和功率)，這導(dǎo)致公司提供耐輻射的塑料部件(較低的 TID 和 SEE 等級(jí))或?qū)嶋H上具有更小的 PCB 占位和優(yōu)勢(shì)的耐輻射塑料部件重量比陶瓷封裝。瑞薩電子(Intersil)現(xiàn)在提供可用于低地球(LEO)或中等和地球靜止軌道的抗輻射塑料部件。這些遵循嚴(yán)格的篩選測(cè)試，包括序列化、100% 老化和逐批封裝完整性測(cè)試，包括高加速溫度和濕度應(yīng)力測(cè)試 (HAST) 和溫度循環(huán)。ISL710011SLHM 是一款 100V GaN FET，在塑料 BGA 封裝中集成驅(qū)動(dòng)器，額定值為 75 krads (LDR)，GaN FET 的 SEE SOA 包含 Au 的完整 Vds 額定值。德州儀器 (TI) 還提供一系列用于 LEO 衛(wèi)星應(yīng)用的耐輻射空間增強(qiáng)塑料產(chǎn)品組合，其中一些 TID 等級(jí)在 30krads 范圍內(nèi)(ELDRS 為 10mrads/s)。很明顯，隨著商業(yè)空間應(yīng)用需求的增加，越來(lái)越多的公司將提供塑料輻射硬化部件的選擇。德州儀器 (TI) 還提供一系列用于 LEO 衛(wèi)星應(yīng)用的耐輻射空間增強(qiáng)塑料產(chǎn)品組合，其中一些 TID 等級(jí)在 30krads 范圍內(nèi)(ELDRS 為 10mrads/s)。很明顯，隨著商業(yè)空間應(yīng)用需求的增加，越來(lái)越多的公司將提供塑料輻射硬化部件的選擇。德州儀器 (TI) 還提供一系列用于 LEO 衛(wèi)星應(yīng)用的耐輻射空間增強(qiáng)塑料產(chǎn)品組合，其中一些 TID 等級(jí)在 30krads 范圍內(nèi)(ELDRS 為 10mrads/s)。很明顯，隨著商業(yè)空間應(yīng)用需求的增加，越來(lái)越多的公司將提供塑料輻射硬化部件的選擇。