V Scuola Nazionale "Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie, Astrofisica,
Applicazioni Spaziali e Fisica Medica“
INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, 15-19 aprile 2013
Effetti da Evento Singolo
in componenti elettronici
di potenza
Giovanni Busatto,
Università di Cassino e del Lazio Meridionale
[email protected]
Sommario
Introduzione sui dispositivi di potenza a
semiconduttore
Introduzione alle problematiche di SEE nei
dispositivi di potenza
SEE nei diodi
SEE nei MOSFET di potenza
Conclusioni
Introduzione sui
dispositivi di potenza
Impiego dei Dispositivi di Potenza
nei Convertitori a Commutazione
Switch spento
acceso
Diodi di potenza
Il Diodo a giunzione PIN
Recupero diretto ed inverso
molto lento !!!!!!!!
50V – 10kV
Dispositivo
Bipolare
Basse cadute in
conduzione
Il Diodo Schottky: Unipolare
50V – 2kV
Dispositivo unipolare
Basse cadute in
conduzione
Recuperi molto rapidi
Funzionamento di una giunzione
metallo-semiconduttore (Schottky)
Funzionamento di una giunzione
metallo-semiconduttore (Schottky)
Tensione di Breakdown
di un diodo PIN
Semiconduttori adatti per i
dispositivi di potenza
Caratteristiche importanti:
- Alto campo critico ed alta tensione di breakdown: alta bandgap
- Alta conducibilità termica
Si
GaAs
InGaAs*
4H SiC
6H SiC
GaN
EG, eV
1.1
1.4
0.7
3.2
3
3.4
EBR, 105 V/cm
5.7
6.4
4
33
30
40
m0, cm2/Vs
710
4700
7000
610
340
680
vpeak, 107cm/s
1
2
2.5-3
2
2
2.5
vsat, 107cm/s
1
0.8
0.7
2
2
1.5-2
1.3
0.5
0.05
2.9
2.9
1.2**
k, W/cm-K
*In0.47Ga0.53As
** Saphir 0.43
Dati per materiali bulk di tipo n, ND = 1017 cm-3
EffettoTensione di Breakdown
Basso Spessore
Alto Drogaggio
Bassissima Resistenza
Interruttori a semiconduttore
di potenza
Il MOSFET
30V – 1000V in Si
1200V – 1700V in SiC
Dispositivo Unipolare
Controllato in tensione
Commutazioni rapide
Elevate cadute in
conduzione per
dispositivi di alta
tensione
L’IGBT
P+
N-
P+
0.600kV – 6.5kV in Si
8kV-15kV in SiC
Controllato in tensione
Dispositivo Bipolare
Bassa caduta in
conduzione
Buoni tempi di
commutazione
SEEs sui power supply
SEE dei Dispositivi di Potenza nei
Circuiti a Commutazione Forzata
Switch spento
acceso
Gli Effetti da Evento Singolo
I problemi derivanti dagli Effetti da Singolo Evento
sono particolarmente sentiti nelle applicazioni
spaziali…
…ma anche:
• nelle applicazioni della fisica nucleare
• nelle applicazioni aeronautiche
• al suolo, per i dispositivi di grossa area
Test relativi ai SEE
Le sperimentazioni sul campo sono molto
costose
Particelle leggere (neutroni e protoni)
inducono SEE per effetto della
spallazione
Ioni pesanti accelerati tipicamente da
acceleratori lineari o da ciclotroni
Irraggiamento con neutroni:
Spettri delle sorgenti utilizzate
LANSCE/WNR (Los Alamos Neutron Science Center/Weapons Neutron Research), USA
RCNP (Research Center for Nuclear and Physics), Japan
PHITS simulation spectrumfor RCNP
Irraggiamento con neutroni:
Circuito di test
MIL-STD-750E Method 1080:
Single event burnout and single event gate rupture test
Irraggiamento con neutroni:
Rotture da Single Event Burn-out
H. Asai, et Al. “Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiC Power Diodes”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 59, NO. 4, AUGUST 2012, pp. 880-885
Single Event Burn-out
indotti da neutroni
Diodi Schottky in SiC da 600V
H. Asai, et Al. “Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiC Power Diodes”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 59, NO. 4, AUGUST 2012, pp. 880-885
Single Event Burn-out
indotti da neutroni
Diodi Schottky in SiC da 600V
H. Asai, et Al. “Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiC Power Diodes”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 59, NO. 4, AUGUST 2012, pp. 880-885
dQ/dx (fC/ m)
dQ/dx (fC/ m)
Ionizzazione da
recoils e frammenti
Irraggiamenti con ioni pesanti
Scelta del tipo di particella da
usare per l’irraggiamento
58Ni
28,
139 MeV
79Br
35,
250 MeV
127I ,
53
Titus et al. – IEEE TNS - 1996
301 MeV
Amplificazione di carica in
seguito all’impatto con una
particella energetica
e SEB nei DIODI
Amplificazione di carica nei DIODI
Tipico circuito di test
(Caratterizzazione statica)
1MW
IIon
on be
am
beam
DUT
Vbias
i(t)
C
50W line
v(t)
50W
Istogrammi della Carica Generata
Diodo da 1700V
Il diodo si
rompe a
VSEB<BV
Amplificazione di Carica
(Simulazione 2D)
18
Diodo da 4kV
Electrons-Density [cm-3]
10
400
Tensione di polar.:
1800V
Particella simulata:
12C (17MeV)
E-field[kV/cm]
17
10
300
100ps
25ps
200
16
150ps
10
230ps
15
T=0
10
500ps
1ns
100
14
10
Picco di Energia
Transfer: 1.2 MeV/mm
13
0
0
P+
10
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
N-
N+
G. Soelkner et al. “Charge Carrier Avalanche Multiplication …”, IEEE TRANSACTIONS
ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 47, NO. 6, DECEMBER 2000, pp. 2365 - 2372
La Corrente nel Diodo durante un
Impatto Distruttivo
Tensione di polarizzazione: 2200V
30
100ns
Current [A]
25
20
15
10
5
0
-5
-40
0
40
80 120
Time [ns]
160
200
240
Simulazione di un impatto SEB
Diodo da 4kV
Tensione di polar.:
2200V
E-field[kV/cm]
400
100ps 125ps
150ps
200
100
0
18
10
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
17
10
E-Density [cm-3]
Range: 17mm
300
75ps
0
Particella simulata:
12C (17MeV)
Picco di Energy
Transfer: 1.2 MeV/mm
50ps
25ps
300ps
16
10
150ps
15
10
125ps
25ps 50ps
14
10
75ps 100ps
13
10
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
Il Fenomeno della Doppia
Iniezione
18
10
400
300
E-Density [cm-3]
E-field[kV/cm]
17
10
16
Elevata:Densità di Corrente
Concentrazione
Campo Elettrico
200
100
10
15
10
14
10
13
0
0
10
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
Ionizzazione da impatto
Amplificazione di carica e
SEB nei DIODI Schottky
Amplificazione di carica generata
in un diodo Schottky in SiC
Kuboyama et. al, “Anomalous Charge ….”, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR
SCIENCE, VOL. 53, NO. 6, DECEMBER 2006, pp. 3343 - 3348
Carica generata in un diodo
Schottky in SiC vs LET
SEB in un diodo Schottky in SiC
dopo l’irraggiamento con protoni
Diodi Schottky in SiC da 600V – 6A
SEB indotto dallo
“Spallamento” di atomi
indotto dall’impatto di
protoni energetici
Specie incriminate:
Na
Al
Kuboyama et al. “Single-Event Burnout of Silicon Carbide ….”, IEEE TRANSACTIONS
ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 54, NO. 6, DECEMBER 2007, pp. 2379 - 2383
SEE nel MOSFET
SEE nei MOSFET di Potenza
SEGR
SEB
SEB nei MOSFET
Strutture Studiate
“DIODO”
MOSFET
Source
Anode
Gate
Gate
Body
Body
N+
P_
N+
P_
P+
P+
N_
N_
N+
N+
Drain
Kathode
Circuito di Test
GPIB
Oscilloscopio
Computer per
l’Analisi Statistica
Analisi Statistica
Forme d’onda nel tempo
Scatter Plot
INTEGRAZIONE
NUMERICA
Carica media vs VDS
Funzione distribuzione
Estrazione dei
parametri della
funzione
distribuzione G
Carica Media Generata in un MOSFET
da 200V e nel Diodo Derivato
VGS=0
40
Carica [pC]
35
30
25
20
15
MOSFET
DIODO
10
50
100
150
Vds,Vnp [V]
200
Attivazione del BJT Parassita
Source
Emitter
Gate
Body Base
N+
P_
RP+
P+
N_
N+
Drain
Collector
SEE nei MOSFET al
crescere della VDS
VGS=0
☼
40
Single Event Burn-out
Danneggiamento
Carica [pC]
35 Ossido di Gate
30
25
Il diodo non si
rompe fino a
200V
☼
20
La corrente di15
leakage di gate
aumenta 10
significativamente
MOSFET
DIODO
50
100
150
Vds,Vnp [V]
200
Comportamento del MOSFET al
Crescere della VDS
VGS=-10
40
Carica [pC]
35
30
25
X
20
☼
15
Single Event
Gate Rupture
MOSFET
DIODO
10
50
100
150
Vds,Vnp [V]
200
Simulazione 3D di un impatto
79Br
35,
250 MeV
SEB nei MOSFET di Potenza
SEB
Simulazione 3D di un Impatto
Distruttivo
MOSFET da 200V
VDS = 100V
VGS = 0V
Particella simulata:
79Br (236MeV)
Range: 34mm
Simulazione 3D di un Impatto
distruttivo: SEB
Concentrazione di Lacune
Campo Elettrico
Elec tric Field [V/c m]
5
5.00x1 05
4.38x1 05
3.75x1 05
3.12x1 05
2.55x1 05
1.88x1 05
1.25x1 04
6.25x10
0
-3
Log (Hole Conc .) [c m ]
19.2
16.8
14.4
12.0
9.59
7.19
4.79
2.4
0
Corrente di Drain
Simulazione 3D di un Impatto
distruttivo: SEB
Campo elettrico (35ps)
La doppia iniezione nel MOSFET
Electric Field t=700ps x=9mm
5
2.5
x 10
Hole Concentration t=700ps x=9mm
17
2.5
x 10
Vds=100V
Vds=60V
VDS=60V
VDS=100V
Hole Concentration [cm-3 ]
Electric Field [ V/cm ]
2
1.5
1.5
1
0.5
0
0
2
1
0.5
5
10
15
20
Distance [ mm ]
25
30
Ionizzazione da impatto
35
0
0
5
10
15
20
Distance [ mm ]
25
30
35
Effetto dello spessore sull’insorgere
del SEB nei MOSFET
Nuove generazioni di
MOSFET da 200V
VGS = 0
SEE negli ossidi di Gate dei
MOSFET di Potenza
SEGR
Il SEGR
VGS=-10
40
Carica [pC]
35
30
25
20
☼
15
Single Event
Gate Rupture
MOSFET
DIODO
10
50
100
150
Vds,Vnp [V]
200
Tensioni di SEGR al variare dello
spessore dell’ossido e della LET
MOSFET da 60V
Tox=30nm
Tox=70nm
Tox=50nm
Tox=100nm
Tox=150nm
J. L. Titus, et. Al. “Exper. Studies of SEGR and SEB in Vert. Power MOSFET’s,”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 43, NO. 2, APRIL 1996
I° modello concettuale per il SEGR
J. R. Brews, et. Al. “A Conceptual model for SEGR in Power MOSFET’s,”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 40, NO. 6, DECEMBER 1993
II° modello concettuale per il SEGR
(sviluppato per le condensatori MOS)
N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate
Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp. 1917-1924, December 2001
Formazione di “danni latenti”
VGS=0
40
Carica [pC]
35
Il danneggiamento dell’ossido di Gate si manifesta con
l’incremento della IGSS
30
25
20
15
MOSFET
DIODO
10
50
100
150
Vds,Vnp [V]
200
Decadimento nel tempo della IGSS
dopo l’irraggiamento
VGS=0
Caratteristca IGSS dell’ossido prima
dell’irraggiamento
Gate
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-12
Body
+
P
N
IGSS (A)
P
_
_
N
+
Drain
0
5
10
VGSS (V)
15
20
The IGSS characteristic of a fresh device
Caratteristca IGSS dell’ossido dopo
l’irraggiamento con bassissime fluenze
192Au
10
-8
-9
10
-9
10
-10
10
-10
10
-11
10
-11
10
-12
10
-12
10
-13
10
-13
10
-8
10
0
c28 13 ions
c29 12 ions
c30 11 ions
c31 11 ions
c32 12 ions
c34 12 ions
c35 10 ions
c37 12 ions
c36 12 ions
~ 10 ions
5
10
VGSS (V)
15
Subito dopo l’irraggiamento
20
IGSS (A)
IGSS (A)
@ 246MeV
VDS=40V
0
c28 13 ions
c29 12 ions
c30 11 ions
c31 11 ions
c32 12 ions
c34 12 ions
c35 10 ions
c37 12 ions
c36 12 ions
2
4
~ 10 ions
6
8
VGSS (V)
10
12
14
16
Dopo 45 giorni dall’irraggiamento
Caratteristca IGSS dell’ossido dopo
l’irraggiamento con varie fluenze
79Br
10
@ 223MeV
-8
FRESH
VDS=40V
10
-9
10
-10
49 ions
52 ions
IGSS (A)
58 ions
60 ions
98 ions
10
-11
10
-12
147 ions
519 ions
1063 ions
2418 ions
3675 ions
10
-13
0
2
4
6
8
VGSS (V)
10
12
14
16
Latent damage
observed
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che
stazionano nell’ossido dopo l’impatto
Ione
DIOXIDE LAYER
N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate
Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp. 1917-1924, December 2001
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che
stazionano nell’ossido dopo l’impatto
DIOXIDE LAYER
N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate
Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp. 1917-1924, December 2001
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che
stazionano nell’ossido dopo l’impatto
DIOXIDE LAYER
N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate
Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp. 1917-1924, December 2001
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle lacune che
rimangono nell’ossido dopo l’impatto
Au @ 246 MeV
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle lacune che
rimangono nell’ossido dopo l’impatto
Au @ 246 MeV
TABLE IV
Simulated Values of EOX_HO
Ion
Energy Loss
in the oxide
[MeV]
Generated
charge
in gate oxide
[fC]
EOX_HO
[MV/cm]
Br
223 MeV
0.275
2.3
6.2
Au
246 MeV
0.471
3.2
8.9
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche generate nel
silicio dopo l’impatto (simulazione TCAD)
Ion track
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche generate nel
silicio dopo l’impatto (simulazione TCAD)
3
Br 223MeV @ Vds=40V
Au 246MeV @ Vds=20V
Electric Field (MV/cm)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
10
20
Time (ps)
30
40
50
Modello concettuale per la
formazione di danni latenti
Valori simulati dei due contributi del campo elettrico
nella condizioni di polarizzazione in cui in cui
comincia a manifestarsi la formazione di danni latenti
Ion
Energy Loss
in the oxide
[MeV]
Vds
[V]
EOX_HO
[MV/cm]
Maximum EOX_SI
[MV/cm]
Maximum ETOTAL
[MV/cm]
Br 223 MeV
0.275
40
6.2
3.0
9.2
Au 246 MeV
0.471
20
8.9
1.5
10.4
SEE nell’IGBT
SEB nell’IGBT
Emettitore
N+
Gate
P_
P+
N_
P+
Collettore
SEB nell’IGBT
Emettitore
Kathode
Gate
Gate
N+
P
+
P_
RP+
N_
P+
Collettore
Anode
SEB nell’IGBT (Simulazione 2D)
W. Kaindl, et. Al. “Cosmic Radiation-Induced Failure Mechanism of High Voltage
IGBT,” Proc. of the 17th ISPSD, May 23-26, 2005, Santa Barbara, CA
Conclusioni
I fenomeni da singolo evento (SEEs) sono molto diversi tra diversi
componenti di potenza
Nei fenomeni di SEB l’interazione campo-carica (doppia iniezione)
gioca un ruolo fondamentale nell’innesco delle instabilità elettriche
Nel power diode si manifesta l’effetto base rigenerativo
Nel MOSFET, gli effetti sono amplificati dall’attivazione del BJT
parassita
Nell’IGBT, la presenza di due transistori rende il dispositivo ancora più
sensibile al SEB
Sono stati proposti due modelli per descrivere i fenomeni di SEGR
nei dispositivi di potenza MOSFET:
1. il moto delle cariche durante l’impatto fa crescere il campo
sull’ossido e crea le premesse per il suo danneggiamento
2. le lacune che rimangono nell’ossido per molto tempo dopo
l’impatto contribuiscono a far nascere in esso una componente
di campo elettrico che si somma alle altre componenti
causando la rottura dell’ossido o il suo danneggiamento.
Grazie per l’attenzione
Campo elettrico nell’ossido al SEGR per
vari spessori dell’ossido e varie LET
J. L. Titus, et. Al. “Exper. Studies of SEGR and SEB in Vert. Power MOSFET’s,”
IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 43, NO. 2, APRIL 1996
Circuiti di test per il SEB/SEGR
Circuito STAMTIL
Circuito usato per
le prove di qualificazione
Impulsi SEB
Cross-Section =
Fluenza
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Corrente
di lacune
Campo elettrico
Concentrazione
di lacune
MOSFET da 200V
VDS = 60V
VGS = 0V
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Corrente
Campo di
elettrico
lacune
Concentrazione
di lacune
MOSFET da 200V
VDS = 60V
VGS = 0V
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Concentrazione
di lacune
Campo elettrico
MOSFET da 200V
VDS = 60V
VGS = 0V
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Campo elettrico
Concentrazione
di lacune
MOSFET da 200V
VDS = 60V
VGS = 0V
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Campo elettrico
Concentrazione
di lacune
Simulazione 3D di un Impatto
con Danno di Gate
Corrente
Campo elettrico
di lacune
Concentrazione
di lacune
MOSFET da 200V
VDS = 60V
VGS = 0V
Amplificazione di Carica
(Simulazione 2D)
Diodo da 4kV
Tensione di polar.:
1800V
E-field[kV/cm]
400
Particella simulata:
12C (17MeV)
100ps
300
25ps
150ps
230ps
200
500ps
1ns
100
3ns
0
0
18
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
10
17
E-Density [cm-3]
10
16
10
25ps
15
10
100ps
150ps
14
10
1ns
230ps
500ps
13
10
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Depth [mm]
