劉艷秋，張洪偉，于慶奎，石文坤，梅博，李鵬偉，周嶸，曹爽

宇航用硅基高壓快恢復(fù)整流二極管單粒子燒毀效應(yīng)研究

劉艷秋1，張洪偉1，于慶奎1，石文坤2，梅博1，李鵬偉1，周嶸2，曹爽1

（1. 中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院，北京 100029；2. 中國振華集團(tuán)永光電子有限公司，貴陽 550000）

目的針對(duì)宇航用硅基高壓快恢復(fù)整流二極管開展單粒子效應(yīng)研究。方法針對(duì)型號(hào)常用的各種工藝結(jié)構(gòu)高壓快恢復(fù)整流二極管系統(tǒng)，研究地面單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法，包括粒子選擇及注量率、單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)、基于等效制樣的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)樣品匹配、試驗(yàn)流程，并選取三款典型器件進(jìn)行單粒子評(píng)估試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)硅基二極管單粒子燒毀失效的機(jī)理進(jìn)行初步分析。結(jié)果得出了三款典型器件在各偏置電壓下抗單粒子燒毀的LET閾值。結(jié)論形成了較為系統(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。

高壓二極管；硅基二極管；單粒子效應(yīng)

我國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，如新一代長壽命平臺(tái)衛(wèi)星將采用電推進(jìn)技術(shù)，需要使用1200 V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NASA以太陽能電源系統(tǒng)為例進(jìn)行推算，使用300 V電壓的太陽能電池陣，相比120 V電壓方案，可降低質(zhì)量2457 kg，實(shí)現(xiàn)越高的電壓就會(huì)節(jié)省越多的質(zhì)量[1]。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)[2]，因此，對(duì)航天器用電子器件有抗輻射指標(biāo)要求，如對(duì)于地球同步軌道長壽命衛(wèi)星，一般要求抗電離總劑量大于100 krad(Si)，抗單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）、單粒子鎖定（Single Event Latchup，SEL）線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）大于75 MeV·cm2/mg。同時(shí)，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(zhǔn)則，根據(jù)航天器一級(jí)降額準(zhǔn)則，1200 V高壓快恢復(fù)整流二極管安全工作區(qū)應(yīng)不低于720 V。

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)較少，因此文中展開了硅基高壓快恢復(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（中國原子能科學(xué)研究院），見表1?；匦铀倨鱄IRFL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(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)，但改變離子種類的時(shí)間較長，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和能量，最快只需30 min，但調(diào)整離子注量率時(shí)間較長（大約30 min），提供的離子能量相對(duì)較低，離子射程一般較短，滿足最小射程（大于30 μm）要求的離子，最大LET僅為37.2 MeV·cm2/mg左右。

表1 擬選取的重離子及其特性

Tab.1 Heavy ion to be selected and its characteristics

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、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)器件陰極至陽極的漏電流R。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[4]。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100 μm，直接試驗(yàn)無法確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。一旦將產(chǎn)品開封，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。

圖1 微信號(hào)采集原理

圖2 玻璃鈍化封裝二極管結(jié)構(gòu)尺寸

針對(duì)臺(tái)面工藝玻璃鈍化封裝高壓快恢復(fù)整流二極管無法通過外力進(jìn)行“開帽”或“磨剖”的問題，采用“等效制樣”的方案。通過玻璃內(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。

圖3 玻璃內(nèi)鈍化芯片結(jié)構(gòu)

1.4 單粒子評(píng)估試驗(yàn)流程

單粒子效應(yīng)檢測(cè)試驗(yàn)流程如圖5所示。開始輻照時(shí)，監(jiān)測(cè)并記錄輻照過程中器件陰極至陽極的漏電流R變化。當(dāng)R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R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R復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)R值大于一定值時(shí)，判定器件發(fā)生單粒子燒毀[9]。測(cè)試需滿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。

圖4 內(nèi)鈍化芯片封裝外形

圖5 單粒子評(píng)估試驗(yàn)流程

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1200 V快恢復(fù)整流二極管進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)器件信息見表2。

表2 試驗(yàn)器件信息

Tab.2 Information of test device

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

對(duì)A公司1200 V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)見表3。

表3 A公司1200 V器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

Tab.3 Single event effect test data results of 1200 V device developed by Company A

采用LET為81.35 MeV·cm2/mg的Ta離子輻照A公司1200 V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R=1200 V條件下，1#發(fā)生單粒子燒毀；在R=720 V條件下，輻照至1×107/cm2，2#、3#、4#均未發(fā)生單粒子燒毀；在R=1000 V條件下，2#發(fā)生單粒子燒毀；在R=820 V條件下，輻照至1× 107/cm2，3#、4#均未發(fā)生單粒子燒毀；在R=920 V條件下，3#發(fā)生單粒子燒毀。因此在R=820 V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)B公司研制的1200 V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)見表4。

表4 B公司1200 V器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

Tab.4 Single event effect test data results of 1200 V device developed by Company B

采用LET為81.35 MeV·cm2/mg的Ta離子輻照B公司1200 V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R為600、720、940 V條件下，器件未發(fā)生單粒子燒毀。因此在R=940 V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1200 V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)見表5。

采用LET為79.24 MeV·cm2/mg的Ta離子輻照C公司1200 V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R=840 V偏壓條件下，輻照至1×107/cm2，器件未發(fā)生單粒子燒毀；在R=960 V偏壓條件下，輻照至1.11×106/cm2注量的過程中，檢測(cè)到器件發(fā)生單粒子燒毀效應(yīng)。因此在R=840 V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840~960 V之間。

表5 C公司1200 V器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

Tab.5 Single event effect test data results of 1200 V device developed by Company C

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)[5-6]。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[7]。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[10]。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)致器件的局部過熱引起失效[8]。

圖6 器件結(jié)構(gòu)示意

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)將開展更為深入的失效機(jī)理研究。

圖7 輻照后電場(chǎng)分布

3 結(jié)語

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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Single Event Burnout Effect on Silicon-based High Voltage Fast Recovery Rectifier Diodes for Aerospace

LIU Yan-qiu1, ZHANG Hong-wei1, YU Qing-kui1, SHI Wen-kun2, MEI Bo1, LI Peng-wei1, ZHOU Rong2, CAO Shuang1

(1. China Academy of Space Technology, Beijing 100029, China; 2. China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co., Ltd., Guiyang 550000, China)

This paper aims to study the single event effect of silicon-based high voltage fast recovery rectifier diodes for aerospace applications. The ground single event test method was studied for the high voltage fast recovery rectifier diodes with various types of commonly used process structures, including ion selection and flux rate, single event effect detection system, sample matching based on equivalent sample preparation and test flow. Three typical devices were selected for single event evaluation test. The single event evaluation test was carried out for selected typical devices. The mechanism of single event burnout failure of silicon-based diodes was analyzed initially based on the test result. The single particle burned LET threshold of the three typical devices under different bias voltage resistance was obtained.Systematic test methods for singe event evaluation of high voltage diodes are developed and can be applied to engineering.

high voltage diodes; silicon-based diodes; single event effect.

2019-07-25；

2019-08-28

10.7643/ issn.1672-9242.2020.03.010

V416

A

1672-9242(2020)03-0059-06

2019-07-25；

2019-08-28

劉艷秋（1987—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉至⑵骷?yīng)用驗(yàn)證。

LIU Yan-qiu (1987—), Female, Master, Senior engineer, Research focus: discrete device application verification.