宇航用硅基高壓快恢復(fù)二極管單粒子燒毀效應(yīng)

  我國(guó)在研制的新一代航天器，為了提高性能，降低質(zhì)量，需要使用高壓快恢復(fù)整流二極管，如新一代長(zhǎng)壽命平臺(tái)衛(wèi)星將采用電推進(jìn)技術(shù)，需要使用1200V高壓快恢復(fù)整流二極管。航天器電源系統(tǒng)減重對(duì)高壓功率器件提出了迫切的應(yīng)用需求。美國(guó)NASA以太陽(yáng)能電源系統(tǒng)為例進(jìn)行推算，使用300V電壓的太陽(yáng)能電池陣，相比120V電壓方案，可降低質(zhì)量2457kg，實(shí)現(xiàn)越高的電壓就會(huì)節(jié)省越多的質(zhì)量。高壓快恢復(fù)二極管是新一代航天器的關(guān)鍵元器件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
  航天器工作在空間輻射環(huán)境中，空間輻射效應(yīng)會(huì)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(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定性能。電子器件空間輻射效應(yīng)包括單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)，因此，對(duì)航天器用電子器件有抗輻射指標(biāo)要求，如對(duì)于地球同步軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)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(shí)，為了確保航天器的長(zhǎng)期可靠性，元器件使用必須滿(mǎn)足可靠性降額準(zhǔn)則，根據(jù)航天器一級(jí)降額準(zhǔn)則，1200V高壓快恢復(fù)整流二極管安全工作區(qū)應(yīng)不低于720V。
  早期型號(hào)應(yīng)用的二極管反向擊穿電壓不高，一般認(rèn)為二極管對(duì)單粒子不敏感。隨著新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)二極管反向電壓提出了更高要求，但是對(duì)于高壓二極管單粒子效應(yīng)研究相對(duì)減少，因此文中展開(kāi)了硅基高壓快恢復(fù)整流二極管的單粒子效應(yīng)的部分研究。
 
1. 試驗(yàn)方法
  有效的單粒子評(píng)估試驗(yàn)方法是評(píng)估器件抗單粒子能力的基礎(chǔ)，為器件在型號(hào)中的安全應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。高壓快恢復(fù)整流二極管由于耐壓高，器件本身的工藝結(jié)構(gòu)特殊，給單粒子評(píng)估試驗(yàn)帶來(lái)很大難度，亟需系統(tǒng)研究高壓二極管單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法。
 
1.1 粒子選擇及注量率
  目前，國(guó)內(nèi)常用的單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)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(guó)原子能科學(xué)研究院），見(jiàn)表1?；匦铀倨?HIRFL 可將離子加速到很高的能量，加速后離子的LET值可超過(guò)95 MeV·cm²/mg。加速離子的射程長(zhǎng)，可在大氣環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，注量率在1~10⁴/（cm²·s）區(qū)間快速連續(xù)可調(diào)，但改變離子種類(lèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要3~4天時(shí)間。串列靜電加速器HI-13可以相對(duì)快速地改變離子的種類(lèi)和能量，最快只需30min，但調(diào)整離子注量率時(shí)間較長(zhǎng)（大約30min），提供的離子能量相對(duì)較低，離子射程一般較短，滿(mǎn)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(jù)加速器現(xiàn)狀和各種離子調(diào)出的難易程度，綜合考慮離子種類(lèi)、能量、硅中的LET值及射程，選擇試驗(yàn)用離子。地面單粒子效應(yīng)試驗(yàn)通常用高注量率進(jìn)行，注量率一般在1~10⁴/（cm²·s）。
 
1.2 單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)
  單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)器件發(fā)生單粒子燒毀，且能夠遠(yuǎn)程控制，并能對(duì)陰極至陽(yáng)極的漏電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，并限制電流和調(diào)節(jié)反向電壓。單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和實(shí)驗(yàn)室外兩部分：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要完成單粒子效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中的信號(hào)采集與分析，實(shí)驗(yàn)室外主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括：試驗(yàn)子板、器件單粒子效應(yīng)測(cè)試裝置、高壓程控電源、主控機(jī)箱和遠(yuǎn)程監(jiān)控PC。被測(cè)器件置于試驗(yàn)子板上，放在加速器裝置中進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)子板與器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試裝置連接。單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)、路由器通過(guò)網(wǎng)線與PC相連。PC控制單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)電路板運(yùn)行，自動(dòng)采集并分析試驗(yàn)電路板傳回的數(shù)據(jù)。
  單粒子效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中，高壓二極管兩端加反向電壓，保持輻照偏置狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件陰極至陽(yáng)極的漏電流IR。正常狀態(tài)下，漏電流很小，為nA級(jí)。為準(zhǔn)確地提取和測(cè)量微小電流信號(hào)，采用高精度運(yùn)算放大器的nA級(jí)電流放大和檢測(cè)電路。檢測(cè)電路根據(jù)反饋電流放大型測(cè)量原理設(shè)計(jì)，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，微信號(hào)采集原理如圖1所示。
1.3 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)樣品制備
  對(duì)于傳統(tǒng)臺(tái)面工藝的玻璃鈍化封裝二極管，玻璃鈍化對(duì)終端的耐壓和漏電特性具有重要的作用。器件結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。玻璃鈍化層厚度達(dá)毫米級(jí)，目前地面試驗(yàn)用重離子射程最大約為100µm，直接試驗(yàn)無(wú)法確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。一旦將產(chǎn)品開(kāi)封，PN結(jié)表面將失去絡(luò)合及保護(hù)層，二極管的反向擊穿特性由體內(nèi)擊穿變?yōu)楸砻骐妶?chǎng)擊穿，其擊穿電壓曲線將出現(xiàn)嚴(yán)重退化。在極短時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)表面形成大漏電溝道，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。同時(shí)，臺(tái)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(huì)擊穿兩個(gè)鉬電極之間的空氣介質(zhì)，形成電火花，使器件導(dǎo)通。因此使用臺(tái)面工藝玻璃鈍化封裝硅高壓快恢復(fù)整流二極管進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)存在一定難度。    針對(duì)臺(tái)面工藝玻璃鈍化封裝高壓快恢復(fù)整流二極管無(wú)法通過(guò)外力進(jìn)行“開(kāi)帽”或“磨剖”的問(wèn)題，采用“等效制樣”的方案。通過(guò)玻璃內(nèi)鈍化工藝（如圖3所示）對(duì)臺(tái)面深結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓二極管芯片實(shí)現(xiàn)芯片的鈍化保護(hù)，改成金屬封裝，有效開(kāi)展臺(tái)面工藝高壓二極管的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)。為了便于單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，將采用如圖4所示的TO封裝外形。   單粒子效應(yīng)檢測(cè)試驗(yàn)流程如圖5所示。開(kāi)始輻照時(shí)，監(jiān)測(cè)并記錄輻照過(guò)程中器件陰極至陽(yáng)極的漏電流IR變化。當(dāng)IR明顯增大或達(dá)到規(guī)定值，且重新加電后器件導(dǎo)通，則判定發(fā)生單粒子燒毀效應(yīng)；輻照至該反向電壓VR條件下器件出現(xiàn)失效或注量達(dá)到1×10⁷/cm²，停止輻照，并對(duì)輻照后樣品進(jìn)行漏電流IR復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)IR值大于一定值時(shí)，判定器件發(fā)生單粒子燒毀。測(cè)試需滿(mǎn)足以下條件之一方可停止試驗(yàn)：樣品在每一種偏置條件和LET下輻照累積注量達(dá)到1×10⁷/cm²;發(fā)生1次SEB。  
2. 結(jié)果及分析
2.1 試驗(yàn)器件信息
  選取三款典型高壓快恢復(fù)整流二極管進(jìn)行地面單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，分別對(duì)三家公司1200V快恢復(fù)整流二極管進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)器件信息見(jiàn)表2。
 
2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果
  對(duì)A公司1200V快恢復(fù)整流二極管按照前述試驗(yàn)流程進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。   采用LET為81.35MeV·cm²/mg的Ta離子輻照A公司1200V硅快恢復(fù)整流二極管，施加反向偏置電壓進(jìn)行測(cè)試。在VR=1200V條件下，1#發(fā)生單粒子燒毀；在VR=720V條件下，輻照至1×10⁷/cm²，2#、3#、4#均未發(fā)生單粒子燒毀；在VR=1000V條件下，2#發(fā)生單粒子燒毀；在VR=820V條件下，輻照至1×10⁷/cm²，3#、4#均未發(fā)生單粒子燒毀；在VR=920V條件下，3#發(fā)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(duì)B公司研制的1200V快恢復(fù)整流二極管按照前述等效制樣方法進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)樣品制備，并按前述試驗(yàn)流程進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(fù)整流二極管，施加反向偏置電壓進(jìn)行測(cè)試。在V為600、720、940V條件下，器件未發(fā)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(duì)C公司研制的1200V快恢復(fù)整流二極管按照前述試驗(yàn)流程進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(fù)整流二極管，施加反向偏置電壓進(jìn)行測(cè)試。在VR=840V偏壓條件下，輻照至1×10⁷/cm²，器件未發(fā)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(guò)程中，檢測(cè)到器件發(fā)生單粒子燒毀效應(yīng)。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(jī)理
  二極管發(fā)生單粒子燒毀的位置既可能位于器件的終端結(jié)構(gòu)，也可能位于有源區(qū)結(jié)構(gòu)。對(duì)于平面型高壓二極管器件，終端主要采用如圖6所示的場(chǎng)限環(huán)+場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。當(dāng)高能粒子從終端區(qū)入射時(shí)，由于終端表面區(qū)域沒(méi)有空穴載流子的抽取路徑，入射產(chǎn)生的空穴不得不從終端等位環(huán)處流出。這易使該區(qū)域瞬態(tài)電流急劇增加，導(dǎo)致該區(qū)域的溫度急劇增加，產(chǎn)生擊穿點(diǎn)，從而引起器件產(chǎn)生SEB失效。   在有源區(qū)結(jié)構(gòu)中，高能重粒子入射后，在高能粒子軌跡附近會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，并在電場(chǎng)的作用下分別向陽(yáng)極和陰極運(yùn)動(dòng)，形成電流。在該電流的作用下，耗盡層電場(chǎng)分布將發(fā)生改變。隨著電流的增大，耗盡層電場(chǎng)分布如圖7所示。局部電流會(huì)造成N-、N+結(jié)附近的電子密度增加，雪崩倍增效應(yīng)顯著，發(fā)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(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩，在高壓和局部大電流的同時(shí)作用下，導(dǎo)致器件的局部過(guò)熱引起失效。
  以上為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)硅基二極管單粒子燒毀失效的初步分析，后續(xù)將開(kāi)展更為深入的失效機(jī)理研究。  
3. 結(jié)語(yǔ)
  文中針對(duì)宇航型號(hào)用的硅基高壓快恢復(fù)整流二極管的單粒子效應(yīng)展開(kāi)了部分研究，形成了較為系統(tǒng)的高壓二極管單粒子評(píng)估的試驗(yàn)方法，并可工程化應(yīng)用。對(duì)典型高壓快恢復(fù)二極管進(jìn)行了單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估，獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以為宇航型號(hào)應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及研制單位加固設(shè)計(jì)提供了基本數(shù)據(jù)。



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