Coupled radiation and aging effects on wide bandgap power devices
Effet des radiations sur les composants de puissance grand gap
Résumé
Power electronic components operating in radiation environments are exposed to different types of radiation effects such as single event, ionizing dose and displacement damage effects, which affect the device functionality through device failure or degradation. On top of the radiative stress, electronic devices in operating mode are exposed to aging effects which can have an effect on the device reliability. The individual or coupled interaction of such effects may cause a failure of the device or the whole system. In order to ensure reliable operation of electronic systems, it is important to assess those effects through testing and simulations.Recently, wide bandgap (WBG) materials such as SiC and GaN have been introduced into commercial power semiconductor device technologies as a candidate for replacing Si as a semiconductor material. However, their physical failure and degradation mechanisms are still not fully known. On top of that, since the technologies have developed, the test standards used for power devices testing in radiation environments, have not been brought up to date to be used with emerging technologies.In this work, short- and long-term reliability of commercial off-the-shelf (COTS) WBG power technologies under radiation environment are investigated. Methodology for calculating reliability parameters and failure rates for SiC power technology in atmospheric radiation environment is proposed. Moreover, radiation sensitivity of SiC and GaN power technologies are assessed for single event effects and total ionizing dose supplemented by TCAD simulations.Coupled radiation and aging effects are studied through comparing radiation sensitivity of pristine and aged devices and through post-irradiation stressing in order to address the radiation induced reliability degradation. On top of that, power system radiation induced performance degradation is studied through experiment and SPICE simulation.
Les composants électroniques de puissance fonctionnant dans des environnements radiatifs sont exposés à différents types d'effets dus aux rayonnements tels que les effets de dommages par événement singuliers, par dose ionisante et par dommage déplacement, qui affectent le fonctionnement de l'appareil par le biais d'une défaillance ou d'une dégradation. En plus du stress radiatif, les appareils électroniques en mode de fonctionnement sont exposés à des effets de vieillissement qui peuvent avoir un effet sur la fiabilité de l'appareil. L'interaction individuelle ou couplée de ces effets peut provoquer une défaillance du dispositif ou du système tout entier. Afin de garantir un fonctionnement fiable des systèmes électroniques, il est important d'évaluer ces effets par des tests et des simulations.Récemment, des matériaux à grand gap (WBG) tels que le SiC et le GaN ont été introduits dans les technologies commerciales de dispositifs à semi-conducteurs de puissance comme candidats pour remplacer le Si en tant que matériau semi-conducteur. Toutefois, leurs mécanismes de défaillance physique et de dégradation ne sont pas encore totalement connus. De plus, depuis que ces technologies ont été développées, les normes d'essai utilisées pour tester les dispositifs de puissance dans des environnements de rayonnement n'ont pas été mises à jour pour être utilisées avec les technologies émergentes.Dans ce travail, la fiabilité à court et à long terme des technologies commerciales de production d'énergie WBG en environnement radiologique est étudiée. Une méthodologie est proposée pour calculer les paramètres de fiabilité et les taux de défaillance des technologies de production d'électricité à base de SiC dans un environnement de rayonnement atmosphérique. En outre, la sensibilité aux rayonnements des technologies de production d'électricité au SiC et au GaN est évaluée pour les effets d'un événement unique et la dose ionisante totale, complétée par des simulations de TCAD.Les effets couplés des rayonnements et du vieillissement sont étudiés en comparant la sensibilité aux rayonnements de dispositifs vierges et vieillis et en appliquant une contrainte post-irradiation afin de remédier à la dégradation de la fiabilité induite par les rayonnements. En outre, la dégradation des performances du système électrique induite par les rayonnements est étudiée par le biais d'expériences et de simulations SPICE.
Domaines
Electronique| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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