碳化硅(SiC)功率器件作為一種潛在的優(yōu)越替代品，逐漸取代傳統(tǒng)的硅基組件，為航天器和電動(dòng)飛機(jī)的高功率應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，SiC技術(shù)的成功應(yīng)用必須克服一個(gè)關(guān)鍵障礙：在這些極端操作條件下遇到的嚴(yán)峻輻射環(huán)境。

本文基于最近在德國(guó)法蘭克福舉辦的PCIM Europe會(huì)議上的講座，分析了SiC技術(shù)在航天應(yīng)用中的潛在限制，并提出了CoolCAD Electronics為高空和太空環(huán)境開(kāi)發(fā)的解決方案。

航天電力應(yīng)用的挑戰(zhàn)

輻射耐受的高壓功率器件是實(shí)現(xiàn)航天任務(wù)和電動(dòng)飛機(jī)顯著減輕重量和體積的必要條件。這些器件能夠在電力轉(zhuǎn)換器和配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的電壓和頻率，這對(duì)于下一代航天電力系統(tǒng)至關(guān)重要。

國(guó)際空間站是目前航天器中功率容量最高的，約為100千瓦，體現(xiàn)了對(duì)先進(jìn)電力分配系統(tǒng)的需求，采用了八個(gè)交錯(cuò)微電網(wǎng)。未來(lái)的太空任務(wù)，例如月球軌道站Gateway和月球及火星基地，將需要低質(zhì)量、高效率的模塊化電力調(diào)節(jié)器。

SiC高壓功率器件通過(guò)提高電壓水平提供了一種可行的解決方案，從而提高效率并延長(zhǎng)任務(wù)壽命。這些器件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并減少了電力分配損耗，得益于更高的工作電壓和降低的冷卻需求。因此，SiC功率器件可以顯著降低系統(tǒng)重量和成本，為關(guān)鍵儀器載荷騰出空間和電力。

目前的航天電力分配技術(shù)由于半導(dǎo)體的限制，僅能支持200伏以下的電壓。實(shí)現(xiàn)超過(guò)300伏的工作電壓需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)。耐輻射的高壓組件額定電壓超過(guò)300伏，可以將電推進(jìn)系統(tǒng)的功率提升到當(dāng)前的5千瓦閾值之上，提升系統(tǒng)效率超過(guò)92%，并減少載荷重量。

輻射威脅：電子設(shè)備的敵對(duì)環(huán)境

地球大氣層為我們屏蔽了太空輻射，但宇宙射線和太陽(yáng)粒子的宇宙雨仍然會(huì)穿透它。這些宇宙雨產(chǎn)生的次級(jí)中子粒子對(duì)商業(yè)和軍事飛機(jī)以及地面車(chē)輛中的電子設(shè)備構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

主要的宇宙射線主要是質(zhì)子和α粒子，來(lái)源于外太空或被捕獲的質(zhì)子帶。當(dāng)它們與大氣氣體碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高能產(chǎn)物，如中子、π介子和μ子，形成宇宙雨。其中，中子因其質(zhì)量、大的俘獲截面和穿透能力，對(duì)電子設(shè)備特別危險(xiǎn)。

高能中子可以通過(guò)將原子從晶格位置擊出而對(duì)半導(dǎo)體器件(如功率MOSFET)造成嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致電離軌跡，從而導(dǎo)致器件失效。SiC器件以其在效率和高溫操作方面的優(yōu)勢(shì)而聞名。然而，還需進(jìn)一步研究以評(píng)估長(zhǎng)期可靠性，并確保其集成到節(jié)能系統(tǒng)中，從而減輕潛在的可靠性問(wèn)題。

輻射對(duì)功率電子的影響

用于航天應(yīng)用的功率器件需要耐受以下三種類(lèi)型的輻射。

總電離劑量

總電離劑量(TID)是指材料因高能電磁波或帶電粒子而發(fā)生的電離(電子和空穴對(duì)的形成)，以單位質(zhì)量吸收的能量來(lái)衡量。在半導(dǎo)體中，TID效應(yīng)通常使用單位rad來(lái)描述，其中1 rad等于每克材料吸收的100 erg能量。

對(duì)于功率MOSFET，TID主要影響n通道器件的閾值電壓。與硅基器件相比，SiC功率MOSFET對(duì)TID效應(yīng)表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受性，這得益于在SiC上生長(zhǎng)的二氧化硅中較低的空穴捕獲效率。

在商用SiC功率MOSFET中，經(jīng)過(guò)鈷-60伽馬輻射的研究顯示出閾值電壓的輕微偏移。由于新一代MOSFET的柵氧化層厚度有所改進(jìn)，偏移在新一代器件中不太明顯。在CoolCAD的新一代SiC MOSFET中，閾值電壓隨TID變化而變化不大，即使在最高劑量120 krad(Si)下也是如此。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管TID增加，閾值電壓的偏移仍然非常小，表明對(duì)TID的良好響應(yīng)。輻射后退火顯示閾值電壓恢復(fù)很小或沒(méi)有恢復(fù)，突顯了SiC器件對(duì)輻射效應(yīng)的抗干擾能力。

位移損傷

位移損傷發(fā)生在材料中的晶格原子被入射粒子(如質(zhì)子)位移時(shí)，導(dǎo)致缺陷和捕獲位點(diǎn)的形成。這種位移使原子變?yōu)殚g隙原子，同時(shí)留下空位。隨著時(shí)間的推移，這些缺陷可能顯著改變材料特性并降低器件的電性能。

對(duì)于SiC，位移損傷的閾值超過(guò)每平方厘米10^12個(gè)質(zhì)子或中子，這一值高于硅。因此，SiC在粒子通量增加時(shí)漏電流的增加幅度較小。

一項(xiàng)在德克薩斯農(nóng)工大學(xué)圓形加速器設(shè)施進(jìn)行的重離子輻照實(shí)驗(yàn)顯示，商用SiC功率設(shè)備因離子擊打而導(dǎo)致端子電流降級(jí)，在相對(duì)較低的電壓下受到影響(見(jiàn)圖2a)。在更高電壓下，SiC功率器件會(huì)經(jīng)歷意外失效。重離子造成的損害在圖2b的左上角可見(jiàn)。

重離子單效應(yīng)

SiC功率MOSFET對(duì)重離子的損傷非常敏感，其特征在于其線性能量轉(zhuǎn)移(LET)。LET以MeV·cm2/mg為單位，量化重離子向材料的能量轉(zhuǎn)移速率。更重的離子和更密集的材料增加LET，從而由于快速能量損失而減少粒子的范圍。

單事件燒毀和單事件門(mén)極擊穿是由輻射引發(fā)的高電流狀態(tài)導(dǎo)致的SiC器件的災(zāi)難性失效機(jī)制。這些失效發(fā)生在重離子電離軌跡誘導(dǎo)自持高電流狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)致器件失效。在高偏置下，從大約三分之一的擊穿電壓開(kāi)始，單個(gè)高LET離子擊打會(huì)造成不可逆的損害。在中等偏置下，漏電流和柵電流的變化與重離子通量相關(guān)，并在輻照后持續(xù)存在。在低偏置下(低于額定電壓的20%)，輻照后沒(méi)有可測(cè)量的影響，從而限制了SiC MOSFET在太空環(huán)境中的安全工作電壓。

SiC功率二極管表現(xiàn)出類(lèi)似的降解機(jī)制，災(zāi)難性故障發(fā)生在更高的偏置下。研究表明，存在一個(gè)閾值電場(chǎng)，超過(guò)該電場(chǎng)會(huì)發(fā)生災(zāi)難性損害，主要由電熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。在較低電壓下，由于局部熱過(guò)程也可能造成永久性損傷。MOSFET中的柵損壞與氧化層電場(chǎng)增加和隨之而來(lái)的物理?yè)p傷有關(guān)，導(dǎo)致柵漏電流增加。

由于燒毀和門(mén)極擊穿造成的災(zāi)難性失效在功率器件中是不可接受的，會(huì)導(dǎo)致端子電壓短路。典型的1.2 kV SiC功率器件的燒毀閾值約為500 V，在高電壓額定器件中也有類(lèi)似的閾值。為了提高輻射耐受性和燒毀閾值，研究人員的努力集中在實(shí)現(xiàn)至少40 MeV·cm2/mg的LET耐受性和105離子/cm2的通量，直至300 V偏置。初步結(jié)果(見(jiàn)圖3)顯示重離子燒毀閾值超過(guò)1 kV，LET高達(dá)20 MeV·cm2/mg，而對(duì)于更高LET值則稍低于1 kV。

飛機(jī)的要求

組件的高空適應(yīng)性由其對(duì)大氣中中子的耐受性決定，這些中子會(huì)通過(guò)位移晶格原子而損壞器件。這種位移類(lèi)似于低LET離子擊打。大氣中的中子在海平面及更高海拔處會(huì)導(dǎo)致SiC功率器件的失效。這種失效是由于中子與晶格原子碰撞引發(fā)的小絲快速加熱。這些碰撞在器件內(nèi)沉積電荷;如果電荷超過(guò)特定偏置的臨界值，就會(huì)導(dǎo)致失效。

圖4a顯示了SiC MOSFET與硅MOSFET的失效率比較。在圖4b中，CoolCAD的設(shè)計(jì)在較低電壓下表現(xiàn)出更好的失效率。圓圈代表失效，而每個(gè)三角形顯示失效的上限。