抗辐射功率器件：第 2 部分 WBG 器件和封装选项

在关于抗辐射功率器件的第 2 部分中，我们将探讨 WBG 半导体在该领域的一些优势，特别是 SiC MOSFET 和 GaN HEMT。还将总结一些包括低成本塑料产品的包装选择。

SiC 和GaN由于更高的电离能(即从辐射中形成电子-空穴载流子对的能力)，以及由于晶格中更强的原子键而具有更高的缺陷形成阈值能量，因此提供了优于 Si 的固有辐射硬度优势。这些材料有其独特的特性，总结如下。

SiC MOSFET：就总电离剂量 (TID) 效应而言，据广泛报道，SiC MOSFET 的性能优于 Si 同类产品。例如，Akturk 等人 [1] 报告说，商用现货 (COTS) SiC MOSFET 上 400krad TID 的 Vt 偏移约为 1V 或更小。TID 效应通常与栅极氧化物中的电荷积累有关。在 SiC 中，与在 Si 中一样，在栅极氧化物中形成空穴会产生负电压偏移，影响器件电容并因此影响开关行为，并根据偏置条件降低击穿电压。栅极氧化物氮化的类型也会影响 TID 响应 。

更大的挑战是这些设备中重离子的单粒子降解(SEE 响应)。显示了 SiC MOSFET 的响应曲线，它是所施加漏极偏置的函数。

较低的偏压潜在栅极损坏显示为增加的栅极-源极泄漏，并且取决于离子的 LET，较高的 LET 较重的离子会产生更多泄漏。这种潜在的栅极损坏可能发生在 Vds 阈值电压 V1 低至额定漏极电压的 10% 时，这比 Si MOSFET 更糟糕。栅极氧化物上的高电场被认为是造成这种情况的原因。下一个区域显示称为单事件泄漏电流 (SELC) 的泄漏。可以通过类似于用于 Si MOSFET 中的 SEGR 改进的设计技术(例如减小 JFET 宽度)来最小化在较低偏置下显示的栅极到漏极泄漏。漏极到源极的泄漏在较高的偏置下占主导地位。这种泄漏与入射离子 LET 相对无关，是由漏-体结引起的。SEB，或倦怠，

用于 Si MOSFET SEB 改进的相同技术可以应用于 SiC，包括使用更厚的外延 。但是，这可能对 SELC 没有帮助。

GaN HEMT：emode GaN HEMT具有其他优势，使其成为空间应用的首选：

1. emode HEMT 没有栅极氧化物，因此它不会像 MOSFET 那样容易因栅极氧化物中的电荷积累而发生参数偏移。因此 TID 响应得到了很大改善

2. 缺少栅极氧化物也意味着它不容易出现 MOSFET 中出现的 SEGR 栅极破裂故障。

3. 该器件没有 MOSFET 中的源极/体/衬底结，无法产生寄生 BJT 雪崩效应。

事实上，在 eGaN HEMT 上已经报道了出色的 TID，即使在 500krads 以上 也几乎没有 Vt 偏移。Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 拥有一系列具有出色抗辐射性能的 eGaN HEMT 产品。例如，EPC7018G 100V FET [6] 的额定 TID 为 1000 krads，其 SEE 安全工作区 (SOA) 涵盖了 Au LET 的全电压额定值。GaN HEMT 确实会遭受重离子的位移损坏，这会导致更高的漏源泄漏，这在更高额定电压的器件中受到更多限制。也有报道称电容增加，这将影响开关行为。认为2DEG通道上方的AlGaN缓冲层在重离子轰击下会产生缺陷并捕获位移损伤。

封装：传统上，基于陶瓷和金属的密封封装已用于抗辐射功率半导体。然而，与塑料包装相比，这些包装又重又笨重。卫星电子系统的一个关键考虑因素是 SWaP(尺寸重量和功率)，这导致公司提供耐辐射的塑料部件(较低的 TID 和 SEE 等级)或实际上具有更小的 PCB 占位和优势的耐辐射塑料部件重量比陶瓷封装。瑞萨电子(Intersil)现在提供可用于低地球(LEO)或中等和地球静止轨道的抗辐射塑料部件。这些遵循严格的筛选测试，包括序列化、100% 老化和逐批封装完整性测试，包括高加速温度和湿度应力测试 (HAST) 和温度循环。ISL710011SLHM 是一款 100V GaN FET，在塑料 BGA 封装中集成驱动器，额定值为 75 krads (LDR)，GaN FET 的 SEE SOA 包含 Au 的完整 Vds 额定值。德州仪器 (TI) 还提供一系列用于 LEO 卫星应用的耐辐射空间增强塑料产品组合，其中一些 TID 等级在 30krads 范围内(ELDRS 为 10mrads/s)。很明显，随着商业空间应用需求的增加，越来越多的公司将提供塑料辐射硬化部件的选择。德州仪器 (TI) 还提供一系列用于 LEO 卫星应用的耐辐射空间增强塑料产品组合，其中一些 TID 等级在 30krads 范围内(ELDRS 为 10mrads/s)。很明显，随着商业空间应用需求的增加，越来越多的公司将提供塑料辐射硬化部件的选择。德州仪器 (TI) 还提供一系列用于 LEO 卫星应用的耐辐射空间增强塑料产品组合，其中一些 TID 等级在 30krads 范围内(ELDRS 为 10mrads/s)。很明显，随着商业空间应用需求的增加，越来越多的公司将提供塑料辐射硬化部件的选择。