直流输电用特高压晶闸管大气中子失效率评估和损伤机理

彭 超,周 杨,陈中圆,雷志锋,马 腾,张战刚,张 鸿,何玉娟

(1.工业和信息化部电子第五研究所,电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东 广州 511370;2.国家电网有限公司,北京 100031)

特高压直流输电工程作为清洁能源传输的骨干网架,在“双碳”和构建新型电力系统的背景下,越来越多换流站选择建设在西部高海拔地区。作为高压直流输电技术核心的直流换流阀及其中的关键功率器件晶闸管,在高海拔地区运行时,面临着地面宇宙射线导致的失效这一新的可靠性问题[1-2]。空间中的高能初级宇宙射线粒子在入射到地球大气层时,会与空气原子发生核反应产生大气中子[3]。大气中子入射到功率器件中,中子与原子核之间的核反应会产生带电的核散裂碎片,从而在半导体材料内产生高密度电子-空穴对。高密度电子-空穴对通过碰撞电离可能引发大规模载流子倍增,最终导致功率器件的破坏性失效[4]。由于大气中子的注量随海拔高度的增加而增加。高海拔换流站用高压功率器件面临的大气中子辐射环境比海平面更恶劣,这意味着器件发生失效的概率也会相应增加。因此需要对高海拔用功率器件的大气中子失效率进行定量评估,保障功率器件在高海拔地区的安全可靠运行。

国外已对大气中子导致的GTO[5]、IGBT[6]、MOSFET[7-8]、二极管[9-10]等功率器件的单粒子烧毁开展了试验和失效机理研究。但目前国外尚未报道过8.5 kV电压等级晶闸管器件的研究结果,其大气中子单粒子效应失效特征尚不清楚。娄彦涛等针对晶闸管开展了高海拔失效率实测试验[11]。但由于高海拔实测实验的成本和试验周期均较长,基于地面模拟辐射源开展加速辐照试验是评估大气中子失效率更有效的手段。基于此,本文以柔性直流换流阀用8.5 kV/5 kA特高压晶闸管为对象,基于散裂中子源开展加速辐照试验,探索其失效模式和失效率评估方法。同时,通过开展TCAD仿真进一步研究辐射导致晶闸管的失效机理。

1 实验

试验对象为8.5 kV/5 kA大功率晶闸管。试验用晶闸管样品不封装,直接选用6 in(1 in=2.54 cm)晶闸管晶圆开展辐照试验。试验用晶闸管晶圆实物及纵切截面如图1所示。选用晶闸管晶圆开展试验,避免了完整器件外层的金属封装材料,可减少试验后的辐射残留。辐照前,对全部试验样品均进行了参数测试,保证样品功能性能正常。

图1 试验用晶闸管器件(a)以及器件截面示意图(b)Fig.1 Thyristor used in experiment (a) and schematic diagram of device cross-section (b)

辐照试验在基于中国散裂中子源的大气中子辐照谱仪试验平台上开展[12]。该试验平台提供的散裂中子来源于高能质子轰击重金属靶发生核散裂反应。由于中子产生的机制与大气中子类似,因此该试验平台提供的中子能谱与自然大气中子能谱近似,如图2所示。在1 MeV～1 GeV的能量范围内,大气中子辐照谱仪试验平台样品处的中子能谱形状与JEDEC标准给出的自然大气中子能谱形状接近[13]。但是中子注量提高了1.65×108倍,因此可加速等效模拟自然大气中子对晶闸管的影响。辐照试验时,样品处能量在10 MeV以上的中子注量率为4.2×105cm-2·s-1。中子辐照束斑面积可以覆盖整个晶闸管晶圆。辐照试验在不同的温度(低温5 ℃和室温25 ℃)和反偏电压条件下进行。每种温度/电压组合试验条件下选取6只晶闸管晶圆开展试验。

图2 试验平台散裂中子源能谱与自然大气中子能谱对比Fig.2 Comparisons of neutron spectra between spallation neutron and atmospheric neutron

图3示出了中子辐照试验原理示意图。辐照过程中,被测晶闸管晶圆置于辐照间,高压直流电源、电流监测系统以及测试人员位于测试间。每种试验条件下,将6只样品前后叠放,保证多只样品同时置于中子辐照下,以提高试验效率。由靠近到远离中子源的方向,6只样品分别标记为#1～#6。基于Geant4[14]计算了散裂中子穿透样品后的能谱情况,如图4所示。可看到,可能导致晶闸管失效的能量在10 MeV以上的高能中子[15]的穿透性很强且晶圆厚度小,高能中子在穿透前面的晶圆后能谱几乎不变,即可认为前后叠放的6只样品所处的辐射环境相同。样品安装位置不会对试验结果产生影响。辐照过程中,测试样品均置于高低温箱中,保证试验所需的恒定温度条件。高低温箱正面留有40 cm×40 cm的玻璃观察口,中子穿过观察口垂直入射到待测样品上。辐照过程中,样品处于高压反偏状态(阴极接正电压,阳极接地)。每只待测晶圆的连接线缆经过传感器和继电器后接到同一高压电源上同时进行加电辐照。正常样品的反偏漏电流为μA级,辐照过程中如果监测到样品反偏漏电流突然激增到高压电源的限流电流300 mA,样品失去了高压阻断能力,则认为发生了失效。当有样品失效后,传感器探测到对应电流变化后,控制电路使继电器断开失效样品和高压电源的连接。

图3 中子辐照试验原理示意图Fig.3 Schematic diagram of neutron irradiation test

图4 穿透不同层数晶闸管后的中子能谱数据Fig.4 Neutron spectra after penetrating different layers of thyristors

2 实验结果及讨论

2.1 大气中子导致的晶闸管失效现象

图5示出了中子辐照导致的晶闸管失效情况,柱形图的高度代表了对应样品失效时的辐照总时间。在5 ℃下分别选取了3 900、3 950、4 000、4 100、4 200 V和4 250 V 6个反偏电压条件开展了辐照试验。在3 900 V反偏电压下,#4和#6两片晶圆在辐照时间达到3 954 s和5 766 s时分别发生了失效,其余4只晶圆未失效(辐照总时间5 766 s);3 950 V反偏电压下,共3片晶圆发生失效,失效时间分布在[3 632 s,4 005 s]之间,其余3片晶圆经过5 103 s辐照后未发生失效;4 000 V反偏电压下,共5片晶圆发生失效,失效时间分布在[127 s,4 313 s]之间,最后1片晶圆经8 029 s辐照后未发生失效;4 100 V反偏电压下6片晶圆全部发生失效,失效时间分布在[17 s,2 612 s]之间;4 200 V反偏电压下6片晶圆发生失效,失效时间分布在[2 s,1 644 s]之间;4 250 V反偏电压下6片晶圆发生失效,失效时间分布在[21 s,84 s]之间。

图5 5 ℃(a)和25 ℃(b)下晶闸管失效情况统计Fig.5 Failure of thyristors at 5 ℃ (a) and 25 ℃ (b)

在25 ℃下分别选取了3 950、4 000、4 100、4 200、4 250、4 350 V 6个反偏电压条件开展了辐照试验。3 950 V反偏电压下6片晶圆同时加电辐照了5 246 s,未发生失效;4 000 V下#2晶圆在238 s时发生失效,其余5片晶圆辐照时间均为50 min,未发生失效;4 100 V下共5片晶圆发生失效,失效时间分布在[165 s,2 658 s]之间,1片晶圆辐照时间达到50 min后未发生失效;4 200 V下6片晶圆均发生失效,失效时间分布在[19 s,747 s]之间;4 250 V下6片晶圆均发生失效,失效时间分布在[7 s,563 s]之间;4 350 V下6片晶圆均发生失效,失效时间分布在[10 s,64 s]之间。

可以看到,辐照过程中晶闸管的失效时间表现出较大的随机性,相同条件下两只样品的失效时间能相差1～2个数量级。这说明中子辐照导致的晶闸管失效是一种随机现象,而非累计损伤。这与前人的报道一致,大气中子导致的功率器件失效来源于高能中子在器件内发生核反应生成的次级带电粒子诱发的单粒子烧毁[16-17]。中子诱发的单粒子烧毁就是一种随机失效现象。上述随机性主要来自两方面:中子撞击硅原子核发生核反应的过程本身是一随机事件,高能中子与硅核的核反应截面很低,这意味着核反应生成次级离子的概率很低,只有当核反应次级离子入射到晶闸管的敏感区域内时才会诱发器件失效,这会导致器件的失效表现出随机性;不同样品的抗中子辐射性能存在一定差异。

根据加速辐照试验结果,可根据下式计算晶闸管在实际海平面处的大气中子失效率λ:

(1)

Tsum=∑ni

(2)

其中:r为加速辐照试验中观察到的失效样品数;Tsum为辐照过程中全部样品的有效中子总注量;i为第i只试验样品;ni为第i只样品辐照的中子(能量在10 MeV以上的中子)注量;Φn为实际自然环境下能量在10 MeV以上的大气中子注量率,本文中海平面处大气中子注量率按14 cm-2·s-1计算。

图6显示了根据加速辐照试验计算得到的不同温度下晶闸管失效率随电压的变化关系。晶闸管的大气中子失效率与偏置电压和温度均相关。在特定温度下,大气中子导致的晶闸管失效率随着电压的增加而增加。失效率随着工作电压增加呈近似指数增加。室温下在海平面处,额定电压为8 500 V的晶闸管工作在4 350 V电压时的大气中子失效率会达到673 FIT;而当偏置电压降到4 100 V(下降了约5.7%)时,大气中子失效率能降低到11 FIT。此外,晶闸管的结温越低,大气中子失效率越高。考虑到失效率随电压的指数变化规律,本文采用以下指数关系对失效率数据进行拟合:

图6 大气中子导致的晶闸管失效率随电压和温度的变化Fig.6 Atmospheric neutron-induced failure rates as a function of voltages and temperatures for thyristor

λ(VDC)=exp(C1VDC+C2)

(3)

针对海平面的失效率数据,采用的拟合参数列于表1。拟合结果如图6实线所示。

表1 不同温度下的失效率拟合参数Table 1 Failure rate fitting parameters at different temperatures

2.2 基于仿真的晶闸管失效机理研究

为进一步研究辐射导致的晶闸管失效机理,本文基于Sentaurus TCAD工具开展了晶闸管的单粒子烧毁仿真[18],模拟辐射带电粒子入射晶闸管后诱发失效的过程。基于已公开发表的文献[19-20]生成器件仿真结构,如图7所示。仿真结构的关键参数列于表2。器件仿真过程中使用的模型包括载流子漂移-扩散模型、产生-复合模型(Shockley-Read-Hall模型和Auger模型)、载流子迁移率模型(DopingDependence模型和HighFieldSaturation模型)。此外,通过碰撞电离模型模拟晶闸管的雪崩击穿行为。

表2 晶闸管仿真结构的关键参数Table 2 Key parameters of simulated structures

由于辐照导致的晶闸管失效发生在阻断状态,因此基于仿真获取了晶闸管的阻断特性,如图8a所示。可看到,晶闸管的正向和反向阻断能力大致相等。对应反向阻断状态,当阴极电压增加到A点时,反向阻断电流急剧增加,器件发生了雪崩击穿。图8b显示了对应击穿点A处,沿着器件阴极到阳极方向的电场强度分布。对应发生雪崩击穿时,器件内部最大电场强度集中在N-漂移区/P+阳极结附近,约为1.64×105V/cm。于是可以定义雪崩击穿的临界电场Ec=1.64×105V/cm。当器件场强达到或超过Ec时,就会诱发雪崩击穿。

图8 晶闸管的正向和反向阻断特性(a)和对应击穿点A处的电场强度分布(b)Fig.8 Forward and reverse blocking characteristics of thyristor (a) and electric field intensity distribution in thyristor corresponding to point A (b)

辐射粒子入射仿真过程中,晶闸管处于反向偏置状态。TCAD仿真中可对辐射粒子的入射位置、入射方向、射程以及入射时间进行定义,从而在设定的时间引入一个特定性质的辐射粒子。本仿真中辐射粒子在10-10s时,由器件阴极面向下垂直入射。辐射粒子的线性能量传输(LET)值设置为0.2 pC/μm,粒子射程设置为100 μm。通过改变辐射粒子的入射位置和晶闸管反向偏置电压来研究影响器件失效的因素。

图9示出了仿真得到的辐射粒子入射到晶闸管不同位置10 ps后,导致器件内部电场强度的变化。仿真中器件反向偏置在5 000 V。辐射粒子分别入射到器件内6个不同位置,如图7所示。入射位置1～6处于一条竖直线上,分别位于器件的N+阴极/P基区结、P基区/N漂移区结、中性N漂移区、N漂移区/P+衬底结耗尽区上边界、N漂移区/P+衬底结耗尽区内、N漂移区/P+衬底结附近。不同位置处入射的粒子在其射程范围内是不重叠的,因此某一位置处入射的粒子不会对其他位置区域产生影响。图中电场强度为沿着辐射粒子入射径迹方向的分布,其中位置0 μm对应晶闸管阴极处,位置2 010 μm对应晶闸管阳极处。对于入射位置1～4,辐射粒子未引起晶闸管内部场强的变化。对于入射位置5,辐射粒子会导致入射位置附近电场的集中,出现了两个额外的电场尖峰,峰值电场强度为1.71×105V/cm。对于入射位置6,辐射粒子入射位置附近的峰值电场甚至能达到2.83×105V/cm。该电场超过了临界电场Ec,表明会诱发雪崩击穿。雪崩击穿诱发的高压反偏大电流状态最终导致了晶闸管的失效。可以得到结论,对于辐射导致的晶闸管单粒子烧毁失效,其敏感区域为N漂移区/P+衬底结耗尽区(对应晶闸管反偏下的电场集中区)。只有当辐射粒子入射到N漂移区/P+衬底结耗尽区,才可能诱发雪崩击穿,最终导致晶闸管的失效。

图9 辐射粒子入射到晶闸管不同位置后导致器件电场强度的变化Fig.9 Changes of electric field intensity in thyristor caused by radiation particle incident at different positions

图10示出了不同反向偏压下,辐射粒子入射到位置5处10 ps后,沿着粒子径迹方向的场强分布。仿真结果表明辐射粒子诱生的器件内部峰值电场也与电压相关。当器件偏置在5 000 V时,辐射粒子入射导致的峰值电场超过了Ec,从而诱发雪崩击穿。当器件偏置在4 000 V及以下时,辐射粒子入射导致的峰值电场小于1.4×105V/cm,低于Ec不会诱发雪崩击穿。由于晶闸管单粒子烧毁失效的起因是辐射粒子入射诱发的雪崩击穿效应。在高反向偏压下,器件内部电场强度更大,更易诱发雪崩倍增效应,因此更容易发生单粒子烧毁失效。这与3.1节中的试验结果一致,中子导致的晶闸管失效率随着反向偏压的增加而增加。此外,雪崩击穿过程中碰撞电离效应电离率是负温度系数的,即电离率随温度的升高而下降。也就是说,在高温下雪崩倍增效应会减弱,因而发生单粒子烧毁的概率也会降低;反之,在低温下,发生单粒子烧毁的概率会增加。因此,大气中子导致的晶闸管单粒子烧毁失效率会随着温度的增加而降低。

图10 不同反向偏压下辐射粒子入射导致晶闸管内部场强的变化Fig.10 Changes of electric field intensity in thyristor caused by incident radiation particle at device reversed biased for different voltages

3 结论

本文针对直流输电用特高压晶闸管开展了散裂中子辐照试验。试验观察到了中子导致的晶闸管的随机失效现象。在高压反偏状态下,中子入射会导致器件的单粒子烧毁,表现为器件在辐照过程中反偏漏电流突然激增,同时器件失去高压阻断能力。根据加速辐照试验结果计算得到了晶闸管工作在实际自然大气中子环境下的失效率。大气中子导致的晶闸管失效率受反向偏置电压的影响最大。失效率随电压的降低显著降低,当电压下降约5.7%时,大气中子失效率能降低一个数量级。器件结温也会影响失效率,结温越高,失效率越小。TCAD仿真结果表明,对于反向偏置下的晶闸管,其辐射敏感区域为N漂移区/P阳极结耗尽区。当器件的反向偏置电压足够大时,如果辐射粒子入射到N漂移区/P阳极结耗尽区,会导致入射位置附近电场集中。当电场强度超过了临界击穿电场,就可能诱发雪崩击穿,最终导致晶闸管的失效。

感谢中国散裂中子源为本研究开展提供的试验条件和帮助。