20 MeV elektronisäteilyn vaikutus piikarbiditehotransistoreihin

Abstract

Piikarbidi (SiC) on verrattain uusi puolijohdemateriaali, josta voidaan valmistaa kestäviä tehotransistoreja. Piikarbiditehotransistorien säteilynkestoa ei ole vielä kattavasti tutkittu, mutta raskasionitesteissä ne ovat osoittautuneet yllättävän herkiksi vaurioitumaan. Tässä opinnäytetyössä tutkin kahden eri piikarbidipohjaisen tehotransistorin säteilynkestävyyttä 20 MeV elektroneilla säteilyannoksen ollessa 1000 rad(H2O)/min. Tutkimuksessa selvitetään, kuinka voimakkaassa säteilyssä transistorit pysyvät vielä toimintakuntoisena ja miten transistorin kynnysjännite muuttuu säteilytyksessä. Kaikki tutkitut transistorit säilyivät toimintakuntoisena testausolosuhteissa. Wolfspeed:in C2M0080120D 1200-V SiC tehotransitorin kynnysjännite muuttui säteilytettäessä (−2,0 ± 0,2) mV/krad ja saman valmistajan C2M1000170D 1700-V SiC tehotransistorin kynnysjännitteen muutos oli (−1,33 ± 0,06) mV/krad. Kynnysjännitteiden muutos voidaan selittää säteilytyksessä hilaoksidiin kertyneen varauksen avulla. Sen sijaan kynnysjännitteen lämpötilariippuvuus ei muuttunut säteilytyksen vaikutuksesta. Lisäksi tässä opinnäytetyössä tehdään lyhyt katsaus maapallon ja avaruuden säteily-ympäristöön sekä esitellään, missä energeettisiä elektroneita esiintyy luonnostaan.

Silicon carbide (SiC) is a relatively new semiconductor material which can be used to produce durable power devices. Their irradiation durability has not yet been extensively studied but they have been suprisingly sensitive to damage in heavy ion tests. In this thesis I investigate the irradiation durability of two different silicon carbide power MOSFETs with 20 MeV electron irradiation and dose rate of 1000 rad(H2O)/min. The study shows how well MOSFETs remain in operation in intense electron irradiation and how the threshold voltage of MOSFETs changes during irradiation. All investigated MOSFETs remained operational under test conditions. The threshold voltage of the Wolfspeed C2M0080120D 1200-V SiC power MOSFET changed (−2.0 ± 0.2) mV/krad during irradiation. The threshold voltage change of the same manufacture’s C2M1000170D 1700-V SiC power MOSFET was (−1.33 ± 0.06) mV/krad. The change in the threshold voltages can be explained by the charge accumulated in the gate oxide during irradiation. The temperature dependency of the threshold voltage did not change due to irradiation. In addition this thesis provides a brief overview to the radiation environment on Earth and in space and presents where high energy electrons occur naturally.