直流輸電用特高壓晶閘管大氣中子失效率評估和損傷機理

彭 超,周 楊,陳中圓,雷志鋒,馬 騰,張戰剛,張 鴻,何玉娟

(1.工業和信息化部電子第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室,廣東 廣州 511370;2.國家電網有限公司,北京 100031)

特高壓直流輸電工程作為清潔能源傳輸的骨干網架,在“雙碳”和構建新型電力系統的背景下,越來越多換流站選擇建設在西部高海拔地區。作為高壓直流輸電技術核心的直流換流閥及其中的關鍵功率器件晶閘管,在高海拔地區運行時,面臨著地面宇宙射線導致的失效這一新的可靠性問題[1-2]。空間中的高能初級宇宙射線粒子在入射到地球大氣層時,會與空氣原子發生核反應產生大氣中子[3]。大氣中子入射到功率器件中,中子與原子核之間的核反應會產生帶電的核散裂碎片,從而在半導體材料內產生高密度電子-空穴對。高密度電子-空穴對通過碰撞電離可能引發大規模載流子倍增,最終導致功率器件的破壞性失效[4]。由于大氣中子的注量隨海拔高度的增加而增加。高海拔換流站用高壓功率器件面臨的大氣中子輻射環境比海平面更惡劣,這意味著器件發生失效的概率也會相應增加。因此需要對高海拔用功率器件的大氣中子失效率進行定量評估,保障功率器件在高海拔地區的安全可靠運行。

國外已對大氣中子導致的GTO[5]、IGBT[6]、MOSFET[7-8]、二極管[9-10]等功率器件的單粒子燒毀開展了試驗和失效機理研究。但目前國外尚未報道過8.5 kV電壓等級晶閘管器件的研究結果,其大氣中子單粒子效應失效特征尚不清楚。婁彥濤等針對晶閘管開展了高海拔失效率實測試驗[11]。但由于高海拔實測實驗的成本和試驗周期均較長,基于地面模擬輻射源開展加速輻照試驗是評估大氣中子失效率更有效的手段。基于此,本文以柔性直流換流閥用8.5 kV/5 kA特高壓晶閘管為對象,基于散裂中子源開展加速輻照試驗,探索其失效模式和失效率評估方法。同時,通過開展TCAD仿真進一步研究輻射導致晶閘管的失效機理。

1 實驗

試驗對象為8.5 kV/5 kA大功率晶閘管。試驗用晶閘管樣品不封裝,直接選用6 in(1 in=2.54 cm)晶閘管晶圓開展輻照試驗。試驗用晶閘管晶圓實物及縱切截面如圖1所示。選用晶閘管晶圓開展試驗,避免了完整器件外層的金屬封裝材料,可減少試驗后的輻射殘留。輻照前,對全部試驗樣品均進行了參數測試,保證樣品功能性能正常。

圖1 試驗用晶閘管器件(a)以及器件截面示意圖(b)Fig.1 Thyristor used in experiment (a) and schematic diagram of device cross-section (b)

輻照試驗在基于中國散裂中子源的大氣中子輻照譜儀試驗平臺上開展[12]。該試驗平臺提供的散裂中子來源于高能質子轟擊重金屬靶發生核散裂反應。由于中子產生的機制與大氣中子類似,因此該試驗平臺提供的中子能譜與自然大氣中子能譜近似,如圖2所示。在1 MeV～1 GeV的能量范圍內,大氣中子輻照譜儀試驗平臺樣品處的中子能譜形狀與JEDEC標準給出的自然大氣中子能譜形狀接近[13]。但是中子注量提高了1.65×108倍,因此可加速等效模擬自然大氣中子對晶閘管的影響。輻照試驗時,樣品處能量在10 MeV以上的中子注量率為4.2×105cm-2·s-1。中子輻照束斑面積可以覆蓋整個晶閘管晶圓。輻照試驗在不同的溫度(低溫5 ℃和室溫25 ℃)和反偏電壓條件下進行。每種溫度/電壓組合試驗條件下選取6只晶閘管晶圓開展試驗。

圖2 試驗平臺散裂中子源能譜與自然大氣中子能譜對比Fig.2 Comparisons of neutron spectra between spallation neutron and atmospheric neutron

圖3示出了中子輻照試驗原理示意圖。輻照過程中,被測晶閘管晶圓置于輻照間,高壓直流電源、電流監測系統以及測試人員位于測試間。每種試驗條件下,將6只樣品前后疊放,保證多只樣品同時置于中子輻照下,以提高試驗效率。由靠近到遠離中子源的方向,6只樣品分別標記為#1～#6。基于Geant4[14]計算了散裂中子穿透樣品后的能譜情況,如圖4所示。可看到,可能導致晶閘管失效的能量在10 MeV以上的高能中子[15]的穿透性很強且晶圓厚度小,高能中子在穿透前面的晶圓后能譜幾乎不變,即可認為前后疊放的6只樣品所處的輻射環境相同。樣品安裝位置不會對試驗結果產生影響。輻照過程中,測試樣品均置于高低溫箱中,保證試驗所需的恒定溫度條件。高低溫箱正面留有40 cm×40 cm的玻璃觀察口,中子穿過觀察口垂直入射到待測樣品上。輻照過程中,樣品處于高壓反偏狀態(陰極接正電壓,陽極接地)。每只待測晶圓的連接線纜經過傳感器和繼電器后接到同一高壓電源上同時進行加電輻照。正常樣品的反偏漏電流為μA級,輻照過程中如果監測到樣品反偏漏電流突然激增到高壓電源的限流電流300 mA,樣品失去了高壓阻斷能力,則認為發生了失效。當有樣品失效后,傳感器探測到對應電流變化后,控制電路使繼電器斷開失效樣品和高壓電源的連接。

圖3 中子輻照試驗原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of neutron irradiation test

圖4 穿透不同層數晶閘管后的中子能譜數據Fig.4 Neutron spectra after penetrating different layers of thyristors

2 實驗結果及討論

2.1 大氣中子導致的晶閘管失效現象

圖5示出了中子輻照導致的晶閘管失效情況,柱形圖的高度代表了對應樣品失效時的輻照總時間。在5 ℃下分別選取了3 900、3 950、4 000、4 100、4 200 V和4 250 V 6個反偏電壓條件開展了輻照試驗。在3 900 V反偏電壓下,#4和#6兩片晶圓在輻照時間達到3 954 s和5 766 s時分別發生了失效,其余4只晶圓未失效(輻照總時間5 766 s);3 950 V反偏電壓下,共3片晶圓發生失效,失效時間分布在[3 632 s,4 005 s]之間,其余3片晶圓經過5 103 s輻照后未發生失效;4 000 V反偏電壓下,共5片晶圓發生失效,失效時間分布在[127 s,4 313 s]之間,最后1片晶圓經8 029 s輻照后未發生失效;4 100 V反偏電壓下6片晶圓全部發生失效,失效時間分布在[17 s,2 612 s]之間;4 200 V反偏電壓下6片晶圓發生失效,失效時間分布在[2 s,1 644 s]之間;4 250 V反偏電壓下6片晶圓發生失效,失效時間分布在[21 s,84 s]之間。

圖5 5 ℃(a)和25 ℃(b)下晶閘管失效情況統計Fig.5 Failure of thyristors at 5 ℃ (a) and 25 ℃ (b)

在25 ℃下分別選取了3 950、4 000、4 100、4 200、4 250、4 350 V 6個反偏電壓條件開展了輻照試驗。3 950 V反偏電壓下6片晶圓同時加電輻照了5 246 s,未發生失效;4 000 V下#2晶圓在238 s時發生失效,其余5片晶圓輻照時間均為50 min,未發生失效;4 100 V下共5片晶圓發生失效,失效時間分布在[165 s,2 658 s]之間,1片晶圓輻照時間達到50 min后未發生失效;4 200 V下6片晶圓均發生失效,失效時間分布在[19 s,747 s]之間;4 250 V下6片晶圓均發生失效,失效時間分布在[7 s,563 s]之間;4 350 V下6片晶圓均發生失效,失效時間分布在[10 s,64 s]之間。

可以看到,輻照過程中晶閘管的失效時間表現出較大的隨機性,相同條件下兩只樣品的失效時間能相差1～2個數量級。這說明中子輻照導致的晶閘管失效是一種隨機現象,而非累計損傷。這與前人的報道一致,大氣中子導致的功率器件失效來源于高能中子在器件內發生核反應生成的次級帶電粒子誘發的單粒子燒毀[16-17]。中子誘發的單粒子燒毀就是一種隨機失效現象。上述隨機性主要來自兩方面:中子撞擊硅原子核發生核反應的過程本身是一隨機事件,高能中子與硅核的核反應截面很低,這意味著核反應生成次級離子的概率很低,只有當核反應次級離子入射到晶閘管的敏感區域內時才會誘發器件失效,這會導致器件的失效表現出隨機性;不同樣品的抗中子輻射性能存在一定差異。

根據加速輻照試驗結果,可根據下式計算晶閘管在實際海平面處的大氣中子失效率λ:

(1)

Tsum=∑ni

(2)

其中:r為加速輻照試驗中觀察到的失效樣品數;Tsum為輻照過程中全部樣品的有效中子總注量;i為第i只試驗樣品;ni為第i只樣品輻照的中子(能量在10 MeV以上的中子)注量;Φn為實際自然環境下能量在10 MeV以上的大氣中子注量率,本文中海平面處大氣中子注量率按14 cm-2·s-1計算。

圖6顯示了根據加速輻照試驗計算得到的不同溫度下晶閘管失效率隨電壓的變化關系。晶閘管的大氣中子失效率與偏置電壓和溫度均相關。在特定溫度下,大氣中子導致的晶閘管失效率隨著電壓的增加而增加。失效率隨著工作電壓增加呈近似指數增加。室溫下在海平面處,額定電壓為8 500 V的晶閘管工作在4 350 V電壓時的大氣中子失效率會達到673 FIT;而當偏置電壓降到4 100 V(下降了約5.7%)時,大氣中子失效率能降低到11 FIT。此外,晶閘管的結溫越低,大氣中子失效率越高。考慮到失效率隨電壓的指數變化規律,本文采用以下指數關系對失效率數據進行擬合:

圖6 大氣中子導致的晶閘管失效率隨電壓和溫度的變化Fig.6 Atmospheric neutron-induced failure rates as a function of voltages and temperatures for thyristor

λ(VDC)=exp(C1VDC+C2)

(3)

針對海平面的失效率數據,采用的擬合參數列于表1。擬合結果如圖6實線所示。

表1 不同溫度下的失效率擬合參數Table 1 Failure rate fitting parameters at different temperatures

2.2 基于仿真的晶閘管失效機理研究

為進一步研究輻射導致的晶閘管失效機理,本文基于Sentaurus TCAD工具開展了晶閘管的單粒子燒毀仿真[18],模擬輻射帶電粒子入射晶閘管后誘發失效的過程。基于已公開發表的文獻[19-20]生成器件仿真結構,如圖7所示。仿真結構的關鍵參數列于表2。器件仿真過程中使用的模型包括載流子漂移-擴散模型、產生-復合模型(Shockley-Read-Hall模型和Auger模型)、載流子遷移率模型(DopingDependence模型和HighFieldSaturation模型)。此外,通過碰撞電離模型模擬晶閘管的雪崩擊穿行為。

表2 晶閘管仿真結構的關鍵參數Table 2 Key parameters of simulated structures

由于輻照導致的晶閘管失效發生在阻斷狀態,因此基于仿真獲取了晶閘管的阻斷特性,如圖8a所示。可看到,晶閘管的正向和反向阻斷能力大致相等。對應反向阻斷狀態,當陰極電壓增加到A點時,反向阻斷電流急劇增加,器件發生了雪崩擊穿。圖8b顯示了對應擊穿點A處,沿著器件陰極到陽極方向的電場強度分布。對應發生雪崩擊穿時,器件內部最大電場強度集中在N-漂移區/P+陽極結附近,約為1.64×105V/cm。于是可以定義雪崩擊穿的臨界電場Ec=1.64×105V/cm。當器件場強達到或超過Ec時,就會誘發雪崩擊穿。

圖8 晶閘管的正向和反向阻斷特性(a)和對應擊穿點A處的電場強度分布(b)Fig.8 Forward and reverse blocking characteristics of thyristor (a) and electric field intensity distribution in thyristor corresponding to point A (b)

輻射粒子入射仿真過程中,晶閘管處于反向偏置狀態。TCAD仿真中可對輻射粒子的入射位置、入射方向、射程以及入射時間進行定義,從而在設定的時間引入一個特定性質的輻射粒子。本仿真中輻射粒子在10-10s時,由器件陰極面向下垂直入射。輻射粒子的線性能量傳輸(LET)值設置為0.2 pC/μm,粒子射程設置為100 μm。通過改變輻射粒子的入射位置和晶閘管反向偏置電壓來研究影響器件失效的因素。

圖9示出了仿真得到的輻射粒子入射到晶閘管不同位置10 ps后,導致器件內部電場強度的變化。仿真中器件反向偏置在5 000 V。輻射粒子分別入射到器件內6個不同位置,如圖7所示。入射位置1～6處于一條豎直線上,分別位于器件的N+陰極/P基區結、P基區/N漂移區結、中性N漂移區、N漂移區/P+襯底結耗盡區上邊界、N漂移區/P+襯底結耗盡區內、N漂移區/P+襯底結附近。不同位置處入射的粒子在其射程范圍內是不重疊的,因此某一位置處入射的粒子不會對其他位置區域產生影響。圖中電場強度為沿著輻射粒子入射徑跡方向的分布,其中位置0 μm對應晶閘管陰極處,位置2 010 μm對應晶閘管陽極處。對于入射位置1～4,輻射粒子未引起晶閘管內部場強的變化。對于入射位置5,輻射粒子會導致入射位置附近電場的集中,出現了兩個額外的電場尖峰,峰值電場強度為1.71×105V/cm。對于入射位置6,輻射粒子入射位置附近的峰值電場甚至能達到2.83×105V/cm。該電場超過了臨界電場Ec,表明會誘發雪崩擊穿。雪崩擊穿誘發的高壓反偏大電流狀態最終導致了晶閘管的失效。可以得到結論,對于輻射導致的晶閘管單粒子燒毀失效,其敏感區域為N漂移區/P+襯底結耗盡區(對應晶閘管反偏下的電場集中區)。只有當輻射粒子入射到N漂移區/P+襯底結耗盡區,才可能誘發雪崩擊穿,最終導致晶閘管的失效。

圖9 輻射粒子入射到晶閘管不同位置后導致器件電場強度的變化Fig.9 Changes of electric field intensity in thyristor caused by radiation particle incident at different positions

圖10示出了不同反向偏壓下,輻射粒子入射到位置5處10 ps后,沿著粒子徑跡方向的場強分布。仿真結果表明輻射粒子誘生的器件內部峰值電場也與電壓相關。當器件偏置在5 000 V時,輻射粒子入射導致的峰值電場超過了Ec,從而誘發雪崩擊穿。當器件偏置在4 000 V及以下時,輻射粒子入射導致的峰值電場小于1.4×105V/cm,低于Ec不會誘發雪崩擊穿。由于晶閘管單粒子燒毀失效的起因是輻射粒子入射誘發的雪崩擊穿效應。在高反向偏壓下,器件內部電場強度更大,更易誘發雪崩倍增效應,因此更容易發生單粒子燒毀失效。這與3.1節中的試驗結果一致,中子導致的晶閘管失效率隨著反向偏壓的增加而增加。此外,雪崩擊穿過程中碰撞電離效應電離率是負溫度系數的,即電離率隨溫度的升高而下降。也就是說,在高溫下雪崩倍增效應會減弱,因而發生單粒子燒毀的概率也會降低;反之,在低溫下,發生單粒子燒毀的概率會增加。因此,大氣中子導致的晶閘管單粒子燒毀失效率會隨著溫度的增加而降低。

圖10 不同反向偏壓下輻射粒子入射導致晶閘管內部場強的變化Fig.10 Changes of electric field intensity in thyristor caused by incident radiation particle at device reversed biased for different voltages

3 結論

本文針對直流輸電用特高壓晶閘管開展了散裂中子輻照試驗。試驗觀察到了中子導致的晶閘管的隨機失效現象。在高壓反偏狀態下,中子入射會導致器件的單粒子燒毀,表現為器件在輻照過程中反偏漏電流突然激增,同時器件失去高壓阻斷能力。根據加速輻照試驗結果計算得到了晶閘管工作在實際自然大氣中子環境下的失效率。大氣中子導致的晶閘管失效率受反向偏置電壓的影響最大。失效率隨電壓的降低顯著降低,當電壓下降約5.7%時,大氣中子失效率能降低一個數量級。器件結溫也會影響失效率,結溫越高,失效率越小。TCAD仿真結果表明,對于反向偏置下的晶閘管,其輻射敏感區域為N漂移區/P陽極結耗盡區。當器件的反向偏置電壓足夠大時,如果輻射粒子入射到N漂移區/P陽極結耗盡區,會導致入射位置附近電場集中。當電場強度超過了臨界擊穿電場,就可能誘發雪崩擊穿,最終導致晶閘管的失效。

感謝中國散裂中子源為本研究開展提供的試驗條件和幫助。