Успех такого материала, как SiC, в области космических аппаратов и авиационной техники зависит от его способности преодолевать суровые радиационные условия в этих областях
Энергоустройства из карбида кремния стали потенциально превосходной альтернативой традиционным компонентам на основе кремния, поскольку они предлагают существенные преимущества для применения в мощных космических аппаратах и электрических самолетах. Тем не менее, для успешного внедрения технологии устройств из SiC необходимо преодолеть критическое препятствие: сильную радиацию, с которой приходится сталкиваться в этих экстремальных условиях эксплуатации.
В данной статье, основанной на лекции, прочитанной на недавней международной выставке PCIM Europe во Франкфурте, Германия, анализируются потенциальные возможности технологии устройств из карбида кремния в аэрокосмической отрасли, предлагаются решения, разработанные компанией CoolCAD Electronics для использования в условиях высокогорья и космоса.
Проблемы применения устройств питания в аэрокосмической отрасли
Высоковольтные источники питания, устойчивые к излучению, необходимы для существенного снижения веса и объема различных агрегатов в электрических самолетах и при космических полетах. Эти устройства позволяют получать более высокие напряжения и частоты в преобразователях энергии и системах распределения, что имеет решающее значение для космических энергетических систем нового поколения.
Международная космическая станция (см. рис. 1), которая может похвастаться самой высокой энергетической мощностью среди космических аппаратов (около 100 кВт), демонстрирует потребность в передовых системах распределения электроэнергии, использующих 8 чередующихся микросеток. Для будущих космических проектов, таких как лунная орбитальная станция Gateway, а также для лунных и марсианских баз, потребуются маломассивные и высокоэффективные модульные регуляторы мощности.
Высоковольтные устройства питания из SiC представляют собой практически реализуемое решение, позволяющее повысить уровень напряжения, тем самым повышая эффективность и продлевая срок службы. Эти устройства упрощают конструкцию и снижают потери при распределении электроэнергии благодаря более высокому рабочему напряжению и сниженным требованиям к охлаждению. Следовательно, агрегаты питания из SiC позволяют значительно снизить вес и стоимость системы, высвобождая пространство и мощность для использования в основных приборах.
Современные технологии распределения питания для космических аппаратов сдержаны напряжением менее 200 В из-за ограничений, связанных с полупроводниками. Достижение рабочих напряжений, превышающих 300 В, потребует разработки новых технологий. Высоковольтные компоненты, рассчитанные на напряжение выше 300 В, могут увеличить мощность электрических силовых установок до 5 кВт, повысить эффективность системы более чем на 92% и снизить вес полезной нагрузки.
Рис. 1: Международная космическая станция
Радиационная угроза: неблагоприятная среда для электроники
Атмосфера Земли защищает нас от космической радиации, однако потоки космических лучей и солнечных частиц все равно проникают к ней. Эти потоки генерируют вторичные нейтронные частицы, представляющие опасность для электроники коммерческих и военных самолетов, а также наземных транспортных средств.
Первичное космическое излучение, состоящее в основном из протонов и альфа-частиц, исходит из космоса или из захваченного пояса протонов. При столкновении с атмосферными газами оно выделяет высокоэнергетические продукты, такие как нейтроны, пионы и мюоны, создавая космический дождь. Среди них нейтроны особенно опасны для электроники из-за их массы, большого сечения захвата и проникающей способности.
Нейтроны высокой энергии могут нанести значительный ущерб полупроводниковым приборам, например, силовым МОП-транзисторам, выбивая атомы из их кристаллической решетки и приводя к образованию ионизационных следов, которые приводят к выходу устройства из строя. Устройства на основе карбида кремния известны своими преимуществами в эффективности и работе при высоких температурах. Однако необходимы дальнейшие исследования для оценки долгосрочной надежности и обеспечения интеграции в энергоэффективные системы, что позволит снизить потенциальные проблемы с надежностью.
Воздействие радиации на силовую электронику
Агрегаты питания космического назначения должны быть устойчивы к трем типам излучения, описанным в следующих разделах.
Общая доза ионизации
Общая доза ионизации (ОДИ) означает ионизацию (образование пар электронов и дырок) материала под действием высокоэнергетических электромагнитных волн или заряженных частиц и измеряется как поглощенная энергия на единицу массы. В полупроводниках эффекты ОДИ обычно описываются с использованием единицы измерения рад, где один рад равен 100 эргам энергии, поглощаемой на грамм материала.
Что касается силовых МОП-транзисторов, то общая доза ионизации в основном влияет на пороговое напряжение n-канальных устройств. Силовые МОП-транзисторы из SiC обладают большей устойчивостью к воздействию ОДИ, чем их кремниевые аналоги, благодаря более низкой эффективности улавливания отверстий в диоксиде кремния, выращенном на SiC.
Исследования, проведенные на коммерческих МОП-транзисторах из карбида кремния, подвергнутых воздействию гамма-излучения кобальта-60, выявили незначительное изменение порогового напряжения. В МОП-транзисторах нового поколения эти изменения менее выражены из-за увеличения толщины оксидного слоя затвора. В МОП-транзисторах из SiC нового поколения компании CoolCAD сдвиг порогового напряжения в зависимости от ОДИ незначителен даже при максимальной дозе в 120 крад (Si).
Результаты экспериментов показывают, что, несмотря на увеличение общей дозы ионизации, сдвиги порогового напряжения остаются минимальными, что свидетельствует о превосходном отклике ОДИ. Пост-радиационный отжиг практически не приводит к восстановлению порогового напряжения, что подчеркивает устойчивость устройств из карбида кремния к воздействию радиации.
Повреждение кристаллической решетки в результате смещения атомов
Повреждение при смещении происходит, когда атомы кристаллической решетки в материале смещаются под действием поступающих частиц, таких как протоны, что приводит к образованию дефектов и мест захвата. Это смещение приводит к тому, что атомы становятся междоузлиями, оставляя после себя дырки. Со временем эти дефекты могут существенно изменить свойства материала и ухудшить электрические характеристики устройств.
Для SiC порог повреждения при смещении превышает 1012 протонов или нейтронов на квадратный сантиметр, что выше, чем для кремния. Следовательно, при увеличении плотности частиц в карбиде кремния ток утечки уменьшается.
Испытание на облучение тяжелыми ионами, проведенное авторами статьи на циклотронной установке Техасского университета A&M, показало, что имеющиеся в продаже силовые агрегаты из карбида кремния подвержены снижению тока на выходе из-за воздействия ионов при относительно низких напряжениях (рис. 2а). При более высоком напряжении устройства питания из SiC могут неожиданно выходить из строя. Повреждения, вызванные тяжелыми ионами, видны в верхнем левом углу рис. 2b.
Рисунок 2: (а) Результаты испытания на облучение тяжелыми ионами; (b) повреждения полупроводника, вызванные тяжелыми ионами
Одиночный эффект тяжелых ионов
Силовые МОП-транзисторы из SiC очень чувствительны к повреждениям от тяжелых ионов, что обусловлено их линейной передачей энергии (ЛПЭ). ЛПЭ, измеряемая в МэВ•см2/мг, количественно определяет скорость передачи энергии от тяжелых ионов к материалу. Более тяжелые ионы и более плотные материалы увеличивают ЛПЭ, что сокращает радиус действия частиц из-за быстрой потери энергии.
Однократное выгорание и разрыв затвора являются механизмами катастрофических отказов в устройствах из карбида кремния, вызванных состояниями высоких токов, которые появляются вследствие излучения. Это происходит, когда ионизационный след от тяжелого иона вызывает самоподдерживающееся состояние высоких токов, приводящее к отказу устройства. При больших отклонениях, начиная примерно с одной трети напряжения пробоя, однократный удар ионов с высокой пропускной способностью может привести к непоправимому повреждению. При средних отклонениях изменения токов стока и затвора коррелируют с интенсивным потоком ионов и сохраняются после облучения. Низкие значения смещения, менее 20% от номинального напряжения, не оказывают заметного воздействия после облучения, что ограничивает безопасное рабочее напряжение полупроводниковых МОП-транзисторов в космической среде.
Силовые диоды из SiC демонстрируют сходные механизмы деградации, при этом при больших смещениях происходит катастрофический отказ. Исследования показывают, что при превышении порогового значения электрического поля происходит катастрофическое повреждение, вызванное электротермическими эффектами. Необратимые повреждения при более низких напряжениях также возможны из-за локализованных тепловых процессов. Повреждение затвора в МОП-транзисторах связано с усилением оксидных полей и, как следствие, с физическими повреждениями, приводящими к увеличению токов утечки затвора.
Катастрофические сбои, связанные с перегоранием и разрывом затвора, недопустимы в силовых устройствах, что приводит к короткому замыканию напряжения на клеммах. Типичный агрегат питания из карбида кремния напряжением 1,2 кВ имеет порог перегорания около 500 В, аналогичные пороговые значения имеют устройства с более высоким номинальным напряжением. Чтобы повысить устойчивость к радиации и пороговые значения выгорания, работа исследователей сосредоточена на достижении допустимого значения ЛПЭ не менее 40 МэВ•см2/мг и плотности потока 105 ионов/см2 при смещении до 300 В. Предварительные результаты (рис. 3) показывают, что пороговые значения выгорания превышают 1 кВ для тяжелых ионов, при ЛПЭ до 20 МэВ•см2/мг и немного ниже 1 кВ для более высоких значений ЛПЭ.
Рис. 3: (а) Во время каждого запуска напряжение смещения увеличивается с 700 В до 1 кВ с шагом в 100 В; (b) Во время каждого запуска напряжение смещения увеличивается с 800 В до 1,1 кВ с шагом в 100 В.
Требования авиации
Готовность компонента к работе на большой высоте определяется его устойчивостью к атмосферным нейтронам, которые могут повреждать устройства, смещая атомы кристаллической решетки. Это смещение аналогично удару с малой степенью повреждения. Атмосферные нейтроны могут вызывать отказы в устройствах питания из SiC на уровне моря и больших высотах. Такие сбои возникают в результате быстрого нагрева небольшой нити накала, вызванного столкновением нейтронов с атомами решетки. Эти столкновения приводят к накоплению заряда внутри устройства: если заряд превышает критическое значение для заданного смещения, это приводит к отказу.
Сравнение частоты отказов МОП-транзистора из SiC (SiC MOSFET) и кремния (Si IGBT) показано на рисунке 4a. На рисунке 4b конструкция от CoolCAD демонстрирует улучшение показателей частоты отказов при более низких напряжениях. Кружки обозначают отказы, в то время как каждый треугольник показывает верхний предел отказов.
Рис. 4: (а) Сравнение частоты отказов между МОП-тразистором из SiC и кремния; (b) Конструкция от CoolCAD обеспечивает уменьшение частоты отказов при более низких напряжениях.