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碳化硅MOSFET中由重离子辐照诱发的单粒子漏电流退化的分析
Analysis of Single-Event Leakage Current Degradation Induced by Heavy-Ion Irradiation in SiC MOSFETs
| 作者 | Lei Wu · Fengkai Liu · Shangli Dong · Yadong Wei · Xiaodong Xu · Zhongli Liu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 单粒子泄漏电流 重离子辐射 氧化层损伤 损伤机制 |
语言:
中文摘要
碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)在空间中的应用受到重离子引发的单粒子烧毁(SEB)和单粒子泄漏电流(SELC)的严重限制,但其损伤机制仍不明确。本研究在不同漏极偏置电压下对SiC MOSFET进行了氪离子辐照。观察到在辐照过程中漏极电流持续增加,表明器件中发生了SELC。通过分析辐照前后SiC MOSFET电气性能的变化,提出SELC的原因可能是器件氧化层受损。利用ERECAD仿真模拟了泄漏路径和损伤机制。通过发射显微镜(EMMI)和透射电子显微镜(TEM)分析对仿真结果进行了验证,揭示了重离子辐射引发SiC MOSFET中SELC的损伤机制。本研究为深入理解SiC MOSFET的SEB和SELC机制奠定了基础。
English Abstract
The application of silicon carbide MOSFETs (SiC MOSFETs) in space is severely restricted by single-event burnout (SEB) and single-event leakage current (SELC) induced by heavy ions, yet the damage mechanisms remain unclear. In this study, Kr ion irradiation was conducted on SiC MOSFETs under varying drain bias voltages. It was observed that the drain current continuously increased during the irradiation process, indicating the occurrence of SELC in the device. By analyzing the changes in the electrical performance of SiC MOSFETs before and after irradiation, it was proposed that the cause of SELC might be the damage to the oxide layer of the device. ERETCAD simulation was used to emulate the leakage path and damage mechanism. The simulation results were verified through analysis using emission microscopy (EMMI) and transmission electron microscopy (TEM), revealing the damage mechanism of heavy-ion radiation-induced SELC in SiC MOSFETs. This study lays a foundation for a deeper understanding of the SEB and SELC mechanisms in SiC MOSFETs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于碳化硅MOSFET单粒子泄漏电流退化机制的研究具有重要的战略参考价值。碳化硅功率器件是我们光伏逆变器和储能系统的核心组件,其可靠性直接影响产品性能和市场竞争力。
该研究揭示了重离子辐照导致的单粒子烧毁(SEB)和单粒子泄漏电流(SELC)机制,虽然聚焦于航天应用场景,但其发现的氧化层损伤机理对地面应用同样具有启示意义。在我们的大功率光伏逆变器和储能变流器中,碳化硅MOSFET工作在高电压、高频开关状态下,长期运行中可能面临类似的栅氧层退化风险。研究中采用的TCAD仿真结合发射显微镜和透射电镜的多维度分析方法,为我们建立更精确的器件失效预测模型提供了技术路径。
从应用价值看,理解SELC的损伤机制有助于我们优化器件选型标准和设计裕量。特别是在沙漠、高原等高辐射环境部署的光伏电站,以及需要25年以上寿命保证的储能系统中,碳化硅器件的长期可靠性至关重要。该研究提出的氧化层损伤理论可以指导我们与上游芯片供应商合作,推动开发抗辐照能力更强的碳化硅器件。
当前挑战在于将航天级的研究成果转化为工业级应用规范。建议我们的可靠性实验室建立针对性的加速老化测试方法,结合实际工况数据验证SELC效应在地面长期运行中的影响程度,为产品设计提供量化依据,同时这也是我们向高端市场展示技术实力的机会点。