Effetti da Evento Singolo in componenti elettronici di potenza 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 busatto@unicas.it

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 Switch acceso

Diodi di potenza

Il Diodo a giunzione PIN 50V – 10kV Dispositivo Bipolare Basse cadute in conduzione Recupero diretto ed inverso molto lento !!!!!!!!

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 2.5 vsat, 107cm/s 0.8 1.5-2 k, W/cm-K 1.3 0.5 0.05 2.9 1.2** *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 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 Switch 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

Ionizzazione da recoils e frammenti dQ/dx (fC/m) The linear energy transfer (ionization stopping power) and range as a function of energy. The top figure refers to a recoiling silicon nucleus. The bottom figure refers to an alpha particle. dQ/dx (fC/m) 25

Irraggiamenti con ioni pesanti

Scelta del tipo di particella da usare per l’irraggiamento 58Ni28, 139 MeV 79Br35, 250 MeV 127I53, 301 MeV Titus et al. – IEEE TNS - 1996

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 50W 50W line Ion beam

Istogrammi della Carica Generata Diodo da 1700V Il diodo si rompe a VSEB<BV

Amplificazione di Carica (Simulazione 2D) Diodo da 4kV Tensione di polar.: 1800V Particella simulata: 12C (17MeV) Picco di Energia Transfer: 1.2 MeV/mm 100ps 150ps 25ps 230ps 500ps T=0 1ns P+ 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

Simulazione di un impatto SEB Diodo da 4kV Tensione di polar.: 2200V Particella simulata: 12C (17MeV) Picco di Energy Transfer: 1.2 MeV/mm Range: 17mm

Il Fenomeno della Doppia Iniezione Elevata: Densità di Corrente Concentrazione Campo Elettrico 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”

Computer per l’Analisi Statistica Circuito di Test Computer per l’Analisi Statistica Oscilloscopio GPIB

Funzione distribuzione Analisi Statistica Forme d’onda nel tempo Scatter Plot INTEGRAZIONE NUMERICA Estrazione dei parametri della funzione distribuzione G Carica media vs VDS Funzione distribuzione

Carica Media Generata in un MOSFET da 200V e nel Diodo Derivato VGS=0 40 35 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

Attivazione del BJT Parassita

SEE nei MOSFET al crescere della VDS VGS=0 ☼ Single Event Burn-out 40 Danneggiamento Ossido di Gate 35 30 Carica [pC] 25 Il diodo non si rompe fino a 200V ☼ 20 La corrente di leakage di gate aumenta significativamente 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

Comportamento del MOSFET al Crescere della VDS VGS=-10 40 ☼ Single Event Gate Rupture 35 30 Carica [pC] 25 20 X 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

Simulazione 3D di un impatto 79Br35, 250 MeV

SEB nei MOSFET di Potenza

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 Corrente di Drain

Simulazione 3D di un Impatto distruttivo: SEB Campo elettrico (35ps)

La doppia iniezione nel MOSFET Ionizzazione da impatto

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 35 30 Carica [pC] 25 20 15 10 50 100 150 200 Single Event Gate Rupture 35 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

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 35 Il danneggiamento dell’ossi- do di Gate si manifesta con l’incremento della IGSS 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

Decadimento nel tempo della IGSS dopo l’irraggiamento VGS=0

The IGSS characteristic of a fresh device Caratteristca IGSS dell’ossido prima dell’irraggiamento The IGSS characteristic of a fresh device

Caratteristca IGSS dell’ossido dopo l’irraggiamento con bassissime fluenze 192Au @ 246MeV VDS=40V ~ 10 ions ~ 10 ions Subito dopo l’irraggiamento Dopo 45 giorni dall’irraggiamento

Caratteristca IGSS dell’ossido dopo l’irraggiamento con varie fluenze 79Br @ 223MeV VDS=40V 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

Simulated Values of EOX_HO 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)

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

SEB nell’IGBT

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: il moto delle cariche durante l’impatto fa crescere il campo sull’ossido e crea le premesse per il suo danneggiamento 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 Cross-Section = Impulsi SEB 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 di lacune 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 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 Campo elettrico Corrente di lacune Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

Amplificazione di Carica (Simulazione 2D) Diodo da 4kV Tensione di polar.: 1800V Particella simulata: 12C (17MeV)