Elektronisäteilyn vaikutus piikarbiditehotransistorien toimintavarmuuteen

Abstract

Piikarbiditehotransistorit (SiC Power MOSFET) ovat materiaaliominaisuuksiensa puolesta houkutteleva vaihtoehto piipohjaisten tehotransistorien korvaajiksi kriittisissä sovelluksissa, kuten satelliiteissa, ydinvoimaloissa ja sairaaloissa. Kaikissa näissä paikoissa esiintyy säteilyä, joka voi vaikuttaa tehotransistorin toimintavarmuuteen. Säteilyn aiheuttamia yksihiukkasvaurioita on tutkittu jo jonkin verran, mutta kokonaisionisaation aiheuttamat vauriot ovat vähemmän tutkittuja piikarbidikomponenteissa. Tässä pro gradu-tutkielmassa keskitytäänkin tutkimaan toimintavarmuutta tämän kaltaisten kumuloituvien vaurioiden kautta.

Piikarbiditehotransistorien toimintavarmuutta tutkittiin vertaamalla ei-säteilytettyjä ja säteilytettyjä tehotransistoreja keskenään. Säteilynä käytettiin 20 MeV elektroneita ja säteilyannoksena 100 krad (H_2O). Transistorien hajoamista kiihdytettiin käyttämällä transistorin hilalla ylijännitettä ja samalla mitattiin hajoamiseen tarvittava varaus (Charge-to-Breakdown, Q_{BD}). Ylijännitteinä käytettiin kahta eri hilajännitettä, jotka olivat 35,5 V ja 38,3 V. Hilajännitteen ollessa 35,5 V Q_{BD} ei-säteilytetylle transistoriryhmälle oli (0,287 \pm 0,015) C ja säteilytetylle (0,218 \pm 0,009) C. Kun hilajännite oli taas 38,3 V, niin Q_{BD} ei-säteilytetylle ryhmälle oli (0,025 \pm 0,005) C ja säteilytetty (0,017 \pm 0,004) C. Pienemmällä hilajännitteellä rasittaessa havaitaan säteilyn aiheuttama toimintavarmuuden aleneminen, mutta isommalla hilajännitteellä ei.

Toimintavarmuuden lisäksi tutkittiin säteilyn vaikutusta transistorien virta-jännite-käyttäytymiseen. Elektronisäteilyn vaikutuksesta kynnysjännitteen muutokset säteilytetyillä transistoriryhmillä olivat (0,141 \pm 0,006) V ja (0,174 \pm 0,009) V.

Material properties of silicon carbide power MOSFETs are an intriguing alternative to silicon based power MOSFETs in critical applications such as in satellites, nuclear powerplants and hospitals. In all of these examples radiation is present which can have an effect on MOSFET reliability. Radiation caused single-effect upsets have already been studied to some extent but total ionizing dose effects are less known in SiC components. In this Master's Thesis we study this total ionizing dose effect.

Reliability of silicon carbide power MOSFETs were studied by comparing not irradiated and irradiated transistors. During radiation, components were exposed to 20 MeV electron beam with a radiation dose of 100 krad (H_2O). Breakdown of transistors were accelerated by using overdrive voltage in transistor's gate and at the same time, charge-to-breakdown (Q_{BD}) was measured. As overdrive voltage we used two different gate voltages, 35,5 V and 38,3 V. When gate voltage was 35,5 V Q_{BD} for not irradiated transistor group was (0,287 \pm 0,015) C and for irradiated (0,218 \pm 0,009) C. On the other hand, when gate voltage was 38,3 V Q_{BD} for not irradiated group was (0,025 \pm 0,005) C and for irradiated (0,017 \pm 0,004) C. With the smaller gate voltage transistors groups can be differentiated from each other but with higher gate voltage this was not possible.

In addition to Q_{BD} measurements, threshold voltage of power transistors was also measured. It was noticed that threshold voltage changes by the effect of electron irradiation. Threshold voltages changed by (0,141 \pm 0,006) V and (0,174 \pm 0,009) V in irradiated transistor groups.