例如，用于寿命较短的低地球轨道星座的系统可能使用耐辐射部件，其资格要求低于设计寿命更长的地球静止和深空任务。下面，我们总结了一些通常在功率器件上进行的辐射测试，并重点介绍了 CoolCAD Electronics 在其 SiC 器件上展示的结果。
总电离剂量 (TID) 测试
TID 表示部件所受的累积剂量，以千拉德为单位。在测试实验室中，通常使用 Co 60源来生成用于此测试的伽马射线。辐射产生的电子-空穴对可以在氧化物或氧化物/半导体界面处积累。
典型的反应是相对不动的空穴产生正电荷，从而导致 NMOS 功率器件的阈值电压 (V th ) 降低。SiC 的电离能较高，而生长在 SiC 上的氧化物的空穴捕获效率较低，使得 SiC 器件对 TID 的耐受性更强。图 1(a) 比较了SiC 和硅MOSFET在相同栅极氧化物厚度 50 nm 的情况下的 V th偏移。
SiC 数据基于实际测量，而硅数据是模拟的。图 1(b) 展示了 CoolCAD 最新 SiC MOSFET 的出色性能。TID 性能的改进归因于更薄的栅极氧化物，同时仍然满足所有的可靠性和最大栅极电压规格。
图 1：(a) SiC 和硅 MOSFET 的 Vth 偏移与 TID 的比较； (b) CoolCAD 最新 SiC MOSFET 的 Vth 偏移（来源：CoolCAD Electronics）
例如，商用 1,200 V SiC 功率器件的烧毁阈值约为 500 V。保守的 50% 降额意味着最大安全工作偏置仅为 250 V。美国宇航局最近的太空电力和储能技术路线图指出，目前最先进的太空抗辐射配电组件限制在 <200 V。3因此，上一节中概述的对更高总线电压的需求推动了将此抗辐射安全区提高到 >300 V。CoolCAD 致力于实现重离子 LET 耐受性至少为 40 MeV-cm 2 /mg，通量至少为 10 5离子/cm 2，最高偏压水平为 300-V。图 2 显示 CoolCAD 的设备在 LET 为 20 MeV-cm 2 /mg 和通量为 10 5离子/ cm 2时可实现大于 1 kV 的电压，且不会造成灾难性损坏。在更高的 LET 下，烧毁阈值略低于 1 kV。
图 2：受 SEE 影响的 SiC MOSFET 的漏极漏电特性。 此处使用的 LET 为 20 MeV-cm2/mg，通量为 105 离子/cm2。 对于所示的运行次数，这些 1,200-V 器件的漏极偏压以 100-V 为增量从 700 V 增加到 1 kV。（来源：CoolCAD Electronics）
中子辐射损伤
中子对电子设备的威胁最大，因为它们相对较重，具有较大的捕获截面和很强的穿透性。与重离子类似的烧毁效应是其故障机制。在硅功率器件中，寄生双极器件被激活。然而，在 SiC 中，碳的存在会产生额外的故障机制。较轻的碳原子的较大空间连锁效应会在较低的漏极偏压下产生故障尾部，如图 3(a) 所示。CoolCAD 已通过工艺和设计变更展示了其设备在这种故障模式中的改进。这在图 3(b) 中显示，其中改进后的设备的蓝点表现出较低的 FIT 率。由于在 750-V 偏压下没有发生故障，因此所示的三角形代表故障的上限。
图 3：(a) 硅和 SiC 器件中子辐射故障 FIT 率比较； (b) 通过工艺和设计变更提高中子辐射硬度，以蓝点表示（来源：CoolCAD Electronics）
位移损坏
SiC 中原子键更强，这使其在入射粒子（如质子）对晶格原子的位移方面比硅更具优势。SiC 中的位移阈值超过每平方厘米 10 12个质子或中子，高于硅，因此粒子通量泄漏的增加较少。SiC 器件表现出良好的 TID 和位移损伤耐受性。它们的 SEE 阈值相对较低，因此需要显著的电压降额。虽然 SiC 功率器件对大气中子表现出极好的故障率，但它们的尾部分布延伸到较低的偏压。SiC 功率器件的器件设计和工艺改进可以改善这些辐射硬度指标，有可能使它们用于未来太空和飞机应用所需的更高功率和更高电压的电源转换模块。
参考
1 Akturk 等人（2024 年）。“碳化硅功率器件在航天器和飞机中的应用。”PCIM Europe。2 Lauenstein 等人（2021 年）。“空间辐射对 SiC 功率器件可靠性的影响。”IEEE 国际可靠性物理学研讨会 (IRPS)，第 1-8 页。 3美国国家研究委员会。（2012 年）。“ NASA 空间技术路线图和优先事项：恢复 NASA 的技术优势并为太空新时代铺平道路。”华盛顿特区：美国国家科学院出版社。
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