Seit etwa 10 Jahren ist bekannt, daß elektronische Halbleiterleistungsbauelemente aus Silizium durch kosmische Strahlung zerstört werden können. Betroffen sind davon Bauelemente von 500V bis hin zu den höchsten Spannungsklassen. Der Ausfallmechanismus wird auf Meeresniveau hauptsächlich durch Neutronen initiiert, die aus der Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit den Atomen der Erdatmosphäre entstanden sind. Durch eine inelastische Kernreaktion zwischen einem eindringenden Neutron und einem Siliziumatomkern des Substratmaterials wird ein leichtes Ion erzeugt. Dieses Rückstoßion generiert durch seinen Energieverlust ein hochlokalisiertes Elektron/Loch-Plasma, welches in der Hochfeldzone eines in Sperrichtung gepolten Leistungsbauelements verstärkt wird. Letztendlich kann dies zur Zerstörung des Bauelements durch ein lokalisiertes Aufschmelzen führen. Das Auftreten höhenstrahlungsinduzierter Ausfälle ist mitentscheidend für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Halbleiterleistungsbauelementen. Die experimentelle Bestimmung der Ausfallraten von Bauelementen ist jedoch sehr langwierig und teuer. Aus diesem Grund ist ein Simulationsmodell zur Bestimmung der Empfindlichkeit von Bauelementen sehr hilfreich. Wertvolle Erkenntnisse zum Ausfallmechanismus können durch Ionenbestrahlungsexperimente gewonnen werden. Die Bestrahlungen mit Ionen haben den Vorteil, daß die statistische Verteilung der Reaktionskanäle der Kernreaktion hier nicht berücksichtigt werden muß. Daher sind sie zur Validierung von Simulationsmodellen auch besser geeignet. Basierend auf einer Berechnung des Energieverlustes von verschiedenen Ionen in Silizium wurde in dieser Arbeit zunächst ein Modell zur Beschreibung der initialen örtlichen und zeitlichen Verteilung des ioneninduzierten Ladungsplasmas entwickelt und in den Bauelementsimulator TeSCA implementiert. Damit kann der Multiplikationseffekt, den ionisierende Teilchen im Innern eines sperrgepolten Bauelements auslösen, erstmalig erklärt und visualisiert werden. Durch die sehr gute Übereinstimmung von Messung und Simulation wird die Genauigkeit und Anwendbarkeit der entwickelten Modelle demonstriert. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, daß die Schwellspannung für das Auftreten der Ereignisse mit einer massiven Multiplikation von Ladung bei den Ionenbestrahlungsexperimenten auch ein Maß für die Robustheit von Bauelementen gegen Höhenstrahlung ist. Diese Spannung kann sowohl durch nicht-zerstörende Bestrahlung mit Ionen gemessen als auch durch numerische Simulation berechnet werden. Damit ist es möglich, die relative Höhenstrahlungsempfindlichkeit von Leistungsbauelementen mit Hilfe eines physikalischen Modells zu ermitteln.     «

Seit etwa 10 Jahren ist bekannt, daß elektronische Halbleiterleistungsbauelemente aus Silizium durch kosmische Strahlung zerstört werden können. Betroffen sind davon Bauelemente von 500V bis hin zu den höchsten Spannungsklassen. Der Ausfallmechanismus wird auf Meeresniveau hauptsächlich durch Neutronen initiiert, die aus der Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit den Atomen der Erdatmosphäre entstanden sind. Durch eine inelastische Kernreaktion zwischen einem eindringenden Neutron und einem...     »

About 10 years ago, it has become well-known fact that electronic semiconductor power devices can be destroyed by the interaction with cosmic radiation. Devices ranging from 500V reverse blocking voltage up to several thousands of volts are vulnerable. The failure mechanism at sea level is mainly triggered by neutrons which are produced by the interaction of primary cosmic radiation with atoms in the atmosphere of the earth. Light ions are produced by an inelastic nuclear reaction between an intruding neutron and a silicon nucleus of the semiconductor substrate material. The loss of kinetic energy of the recoil ions generates a highly localized electron/hole-plasma that can be amplified in the high field region of a reverse biased power device. Eventually, this can lead to the thermal breakdown of the device. The occurrence of cosmic radiation-induced failures is a decisive factor for the life-time and the reliability of modern semiconductor power devices. As the experimental evaluation of the failure rates is very time-consuming and expensive, a model for a predictive simulation is highly desireable. Ion-irradiation experiments have proven to provide valuable insights, since in this case the inherently statistical nature of the nuclear reaction process has not to be taken into account. Therefore, they are more suitable for the validation of a simulation model. In this work, a physical model has been developed which allows for calculating the spatial and temporal distribution of charge generated by the energy loss of a variety of ions in silicon. After implementation in the device simulator TeSCA, the multiplication effect induced by ionizing particles in the interior of reverse biased power devices could be visualized and explained for the first time. The good agreement between experimental results and simulation demonstrates the validity and the accuracy of the model. It shows that the threshold voltage for the onset of ion-induced events with a massive multiplication of charge is a measure of the robustness of power devices against cosmic radiation. On the one hand, this threshold voltage can be measured by means of non-destructive irradiation experiments with light ions, and, on the other hand, it can be calculated using numerical simulation. Employing the model as proposed, the relative robustness of different variants of power devices against cosmic radiation can be determined.     «

About 10 years ago, it has become well-known fact that electronic semiconductor power devices can be destroyed by the interaction with cosmic radiation. Devices ranging from 500V reverse blocking voltage up to several thousands of volts are vulnerable. The failure mechanism at sea level is mainly triggered by neutrons which are produced by the interaction of primary cosmic radiation with atoms in the atmosphere of the earth. Light ions are produced by an inelastic nuclear reaction between an int...     »