功率器件单粒子硬损伤

三维物理仿真

功率器件在高电压状态，内部有强电场，如果高能粒子入射，局部电离效应在高电场中可能触发正反馈和雪崩效应，导致整个功率器件被烧毁。

在对功率器件做 TCAD 器件仿真时，较为常见的是二维仿真。然而对单粒子效应来说，二维仿真是不够的。这是因为，在 (x,z) 平面的二维仿真将粒子径迹在 y 方向无限延伸，使得单粒子效应被夸大，得到不实的仿真结果。

随着网格技术和并行技术的提升，辅以硬件性能的提升，功率器件的三维仿真得以实现。

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TCAD 仿真模拟单粒子电离导致的载流子在电场下的作用，可能发生正反馈激励和雪崩放大，导致局部电流过大，局部温度过高。当温度上升到某个值时，我们可以判断为单粒子烧毁。

优点

  • 真实地反应单粒子烧毁的过程
  • 找到单粒子烧毁的真实位置和触发条件
  • 验证加固设计思路

缺点

  • 需要高性能仿真服务器
  • 需要有经验的 TCAD 工程师

算例结果

下图是三维仿真的二维截面图。是被重离子轰击后 10ps、55ps、500ps 和 1.35ns 时的电子密度，电子最初是在重离子径迹处产生，后来蔓延至旁边的原胞，大电流导致高温烧毁。

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加固

基于丰富的仿真和对机理的认知，我们可以设计 SEB 加固 MOS 功率管。下图的设计，已经通过验证。

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飞行轨道可靠性预估

对于给定轨道，使用 CRad 软件可以得到“通量-LET”曲线。结合功率器件的仿真或测试结果，可以预估此器件在轨道的寿命。

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