Modèle physique de prédiction des effets des événements singuliers destructifs dans les composants électroniques de puissance

The natural radiation environment has proved to be particularly harsh on power electronicsdevices. It is characterized by electrically charged particles such as heavy ions and protonsamong others. In particular, inside the atmosphere it has now become essential to estimate theeffects of these particles: power MOSFETs in fact are widely used because of their appealingelectrical characteristics and costs, thus making the prediction of destructive effects one of thefundamental parts of the project. This work focuses on the prediction of Single Event Burnout(SEB) inside power MOSFETs: based on physical analysis through TCAD simulations, theprediction model DELPHY is built in order to calculate occurrence rates of heavy ion andproton induced SEB.SEB consists of a charge generation inside the device, which evolves into a high andself-sustained current, whose main consequence is the thermal destruction of the component.SEB has been deeply studied in several aspects: it is now established that it depends onmultiple factors, such as component geometry, doping and bias; particle nature and LinearEnergy Transfer, impact location and angle. A power electronics designer does not havecontrol over all the cited parameters, and the trade-off between cost and functionality limitsthe application of hardness measures at circuit and device level. For this reason, a SEB rateprediction model is needed and represents the object of this work.DELPHY model moves from physical analysis of SEB, performed with TCAD 2D simulations,in order to control the aforementioned factors which are relevant for the phenomenon.Two different MOSFET topologies have been studied (HEXFET and STRIPFET). Startingfrom this analysis, an empirical triggering law has been calculated and a SEB criterion basedon electric field and charge deposition inside the epitaxial layer has been defined. SEB crosssections have then been calculated for heavy ion impacts. Taking into account the differentialprobability of secondary generation by proton impact, a SEB rate has been predicted alsofor proton induced SEB.All the calculated cross sections have been successfully compared to experimental data:firstly from a device characterization published by CNES; and secondly in the frame of a dedicatedjoint study ONERA-CERN to characterize next generation of Large Hadron Colliderpower converters. As a general conclusion, DELPHY model leads the way as a valid SEBprediction tool and opens new roads for enhancement of SEB rates estimation.L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniquesde puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment desions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimerles effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pourles caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du SingleEvent Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique àtravers des simulations TCAD, le modèle de prédiction DELPHY est construit pour calculerles taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons.Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via uncourant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant.Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieursfacteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la natureet le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous cesparamètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalitélimite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle deprédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude.Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à traversla simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant quisont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées(HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchementa été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans lacouche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injectionsd’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particulessecondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB générépar les protons.Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales: d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dansle cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochainegénération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY proposedonc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pourune amélioration de l’estimation des taux SEB