宇航用硅基高壓快恢復二極管單粒子燒毀效應

  我國在研制的新一代航天器，為了提高性能，降低質量，需要使用高壓快恢復整流二極管，如新一代長壽命平臺衛星將采用電推進技術，需要使用1200V高壓快恢復整流二極管。航天器電源系統減重對高壓功率器件提出了迫切的應用需求。美國NASA以太陽能電源系統為例進行推算，使用300V電壓的太陽能電池陣，相比120V電壓方案，可降低質量2457kg，實現越高的電壓就會節省越多的質量。高壓快恢復二極管是新一代航天器的關鍵元器件，具有廣泛的應用前景。
  航天器工作在空間輻射環境中，空間輻射效應會引起電子器件的性能退化，甚至失效，危害航天器在軌工作的長期連續穩定性能。電子器件空間輻射效應包括單粒子效應、電離總劑量效應、位移損傷效應，因此，對航天器用電子器件有抗輻射指標要求，如對于地球同步軌道長壽命衛星，一般要求抗電離總劑量大于100krad(Si)，抗單粒子燒毀（SEB）、單粒子鎖定(SEL)線性能量傳輸(LET)大于75MeV·cm²/mg。同時，為了確保航天器的長期可靠性，元器件使用必須滿足可靠性降額準則，根據航天器一級降額準則，1200V高壓快恢復整流二極管安全工作區應不低于720V。
  早期型號應用的二極管反向擊穿電壓不高，一般認為二極管對單粒子不敏感。隨著新技術的發展，對二極管反向電壓提出了更高要求，但是對于高壓二極管單粒子效應研究相對減少，因此文中展開了硅基高壓快恢復整流二極管的單粒子效應的部分研究。
 
1. 試驗方法
  有效的單粒子評估試驗方法是評估器件抗單粒子能力的基礎，為器件在型號中的安全應用提供數據支撐。高壓快恢復整流二極管由于耐壓高，器件本身的工藝結構特殊，給單粒子評估試驗帶來很大難度，亟需系統研究高壓二極管單粒子效應試驗方法。
 
1.1 粒子選擇及注量率
  目前，國內常用的單粒子效應模擬試驗輻射源有回旋加速器HIRFL（中科院近代物理研究所）、串列靜電加速器HI-13（中國原子能科學研究院），見表1。回旋加速器 HIRFL 可將離子加速到很高的能量，加速后離子的LET值可超過95 MeV·cm²/mg。加速離子的射程長，可在大氣環境進行試驗，注量率在1~10⁴/（cm²·s）區間快速連續可調，但改變離子種類的時間較長，一般需要3~4天時間。串列靜電加速器HI-13可以相對快速地改變離子的種類和能量，最快只需30min，但調整離子注量率時間較長（大約30min），提供的離子能量相對較低，離子射程一般較短，滿足最小射程（大于30μm）要求的離子，最大LET僅為37.2MeV·cm²/mg左右。

  根據加速器現狀和各種離子調出的難易程度，綜合考慮離子種類、能量、硅中的LET值及射程，選擇試驗用離子。地面單粒子效應試驗通常用高注量率進行，注量率一般在1~10⁴/（cm²·s）。
 
1.2 單粒子效應檢測系統
  單粒子效應檢測系統需要實時監測被測器件發生單粒子燒毀，且能夠遠程控制，并能對陰極至陽極的漏電流實時檢測，并限制電流和調節反向電壓。單粒子效應檢測系統包括實驗室內和實驗室外兩部分：實驗室內主要完成單粒子效應試驗過程中的信號采集與分析，實驗室外主要是實現對檢測系統的遠程監測和控制。整個檢測系統包括：試驗子板、器件單粒子效應測試裝置、高壓程控電源、主控機箱和遠程監控PC。被測器件置于試驗子板上，放在加速器裝置中進行單粒子效應試驗，試驗子板與器件單粒子效應試驗測試裝置連接。單粒子效應檢測系統、路由器通過網線與PC相連。PC控制單粒子效應檢測系統啟動試驗電路板運行，自動采集并分析試驗電路板傳回的數據。
  單粒子效應試驗過程中，高壓二極管兩端加反向電壓，保持輻照偏置狀態，并實時監測器件陰極至陽極的漏電流IR。正常狀態下，漏電流很小，為nA級。為準確地提取和測量微小電流信號，采用高精度運算放大器的nA級電流放大和檢測電路。檢測電路根據反饋電流放大型測量原理設計，將電流轉換為電壓信號，微信號采集原理如圖1所示。
1.3 單粒子效應試驗樣品制備
  對于傳統臺面工藝的玻璃鈍化封裝二極管，玻璃鈍化對終端的耐壓和漏電特性具有重要的作用。器件結構外觀如圖2所示。玻璃鈍化層厚度達毫米級，目前地面試驗用重離子射程最大約為100µm，直接試驗無法確保試驗數據的有效性。一旦將產品開封，PN結表面將失去絡合及保護層，二極管的反向擊穿特性由體內擊穿變為表面電場擊穿，其擊穿電壓曲線將出現嚴重退化。在極短時間內，PN結表面形成大漏電溝道，導致產品失效。同時，臺面工藝二極管在未涂覆玻璃鈍化層的情況下，兩極接上正常的工作電壓必然會擊穿兩個鉬電極之間的空氣介質，形成電火花，使器件導通。因此使用臺面工藝玻璃鈍化封裝硅高壓快恢復整流二極管進行單粒子效應試驗存在一定難度。    針對臺面工藝玻璃鈍化封裝高壓快恢復整流二極管無法通過外力進行“開帽”或“磨剖”的問題，采用“等效制樣”的方案。通過玻璃內鈍化工藝（如圖3所示）對臺面深結結構的高壓二極管芯片實現芯片的鈍化保護，改成金屬封裝，有效開展臺面工藝高壓二極管的單粒子效應試驗。為了便于單粒子效應試驗，將采用如圖4所示的TO封裝外形。   單粒子效應檢測試驗流程如圖5所示。開始輻照時，監測并記錄輻照過程中器件陰極至陽極的漏電流IR變化。當IR明顯增大或達到規定值，且重新加電后器件導通，則判定發生單粒子燒毀效應；輻照至該反向電壓VR條件下器件出現失效或注量達到1×10⁷/cm²，停止輻照，并對輻照后樣品進行漏電流IR復測，復測IR值大于一定值時，判定器件發生單粒子燒毀。測試需滿足以下條件之一方可停止試驗：樣品在每一種偏置條件和LET下輻照累積注量達到1×10⁷/cm²;發生1次SEB。  
2. 結果及分析
2.1 試驗器件信息
  選取三款典型高壓快恢復整流二極管進行地面單粒子效應試驗，分別對三家公司1200V快恢復整流二極管進行了試驗，試驗器件信息見表2。
 
2.2 試驗數據及結果
  對A公司1200V快恢復整流二極管按照前述試驗流程進行單粒子效應試驗，試驗數據見表3。   采用LET為81.35MeV·cm²/mg的Ta離子輻照A公司1200V硅快恢復整流二極管，施加反向偏置電壓進行測試。在VR=1200V條件下，1#發生單粒子燒毀；在VR=720V條件下，輻照至1×10⁷/cm²，2#、3#、4#均未發生單粒子燒毀；在VR=1000V條件下，2#發生單粒子燒毀；在VR=820V條件下，輻照至1×10⁷/cm²，3#、4#均未發生單粒子燒毀；在VR=920V條件下，3#發生單粒子燒毀。因此在VR=820V偏置電壓下，該器件抗單粒子燒毀的LET閾值大于81.35MeV·cm²/mg。
  對B公司研制的1200V快恢復整流二極管按照前述等效制樣方法進行單粒子效應試驗樣品制備，并按前述試驗流程進行單粒子效應試驗，試驗數據見表4。   采用LET為81.35 MeV·cm²/mg的Ta離子輻照B公司1200V硅快恢復整流二極管，施加反向偏置電壓進行測試。在V為600、720、940V條件下，器件未發生單粒子燒毀。因此在VR=940V偏置電壓下，該器件抗單粒子燒毀的LET閾值大于81.35 MeV·cm²/mg。
  對C公司研制的1200V快恢復整流二極管按照前述試驗流程進行單粒子效應試驗，試驗數據見表5。
  采用LET為79.24 MeV·cm²/mg的Ta離子輻照C公司1200V器件硅快恢復整流二極管，施加反向偏置電壓進行測試。在VR=840V偏壓條件下，輻照至1×10⁷/cm²，器件未發生單粒子燒毀；在VR=960V偏壓條件下，輻照至1.11×10⁶/cm²注量的過程中，檢測到器件發生單粒子燒毀效應。因此在VR=840V偏置電壓下，該器件抗單粒子燒毀的LET閾值大于79.24 MeV·cm²/mg；在79.24 MeV·cm²/mg下，抗單粒子燒毀的安全工作電壓范圍在840~960V之間。  
2.3 燒毀失效機理
  二極管發生單粒子燒毀的位置既可能位于器件的終端結構，也可能位于有源區結構。對于平面型高壓二極管器件，終端主要采用如圖6所示的場限環+場板結構。當高能粒子從終端區入射時，由于終端表面區域沒有空穴載流子的抽取路徑，入射產生的空穴不得不從終端等位環處流出。這易使該區域瞬態電流急劇增加，導致該區域的溫度急劇增加，產生擊穿點，從而引起器件產生SEB失效。   在有源區結構中，高能重粒子入射后，在高能粒子軌跡附近會產生大量的電子-空穴對，并在電場的作用下分別向陽極和陰極運動，形成電流。在該電流的作用下，耗盡層電場分布將發生改變。隨著電流的增大，耗盡層電場分布如圖7所示。局部電流會造成N-、N+結附近的電子密度增加，雪崩倍增效應顯著，發生雪崩擊穿。在高的工作電壓下，器件于單粒子的入射軌跡附近發生動態雪崩，在高壓和局部大電流的同時作用下，導致器件的局部過熱引起失效。
  以上為根據試驗結果對硅基二極管單粒子燒毀失效的初步分析，后續將開展更為深入的失效機理研究。  
3. 結語
  文中針對宇航型號用的硅基高壓快恢復整流二極管的單粒子效應展開了部分研究，形成了較為系統的高壓二極管單粒子評估的試驗方法，并可工程化應用。對典型高壓快恢復二極管進行了單粒子效應試驗評估，獲得了試驗數據，可以為宇航型號應用提供了數據支撐，同時也為國內外相關研究及研制單位加固設計提供了基本數據。



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