基于锎源的N沟道VDMOS器件单粒子效应研究

分析了N沟道VDMOS器件的单粒子辐射损伤机理和损伤模式,讨论了VDMOS器件的单粒子辐射加固措施。使用锎源,对采取了加固措施的一款200 V高压N沟道VDMOS器件进行单粒子效应试验研究。对比分析了不同漏源电压和栅源电压以及不同真空度对VDMOS单粒子效应的影响,可为VDMOS器件的单粒子辐射加固、试验验证及应用提供参考。     

功率VDMOS器件抗SEB/SEGR技术研究进展

针对功率VDMOS器件抗单粒子辐射加固技术在空间辐射环境下的要求,从重粒子对VDMOS器件的辐射机理及作用过程出发,归纳出功率VDMOS器件抗单粒子辐射加固的三类技术:屏蔽技术、复合技术和增强技术。综述了国内外功率VDMOS器件这三类抗单粒子辐射加固技术的研究进展,为半导体器件抗单粒子辐射加固技术研究提供了参考。     

功率VDMOS器件的SEB致SEGR效应研究

功率VDMOS器件是航天器电源系统配套的核心元器件之一,在重粒子辐射下会发生单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅穿(SEGR)效应,严重影响航天器的在轨安全运行。本文在深入分析其单粒子损伤机制及微观过程的基础上,发现了功率VDMOS器件在重粒子辐射下存在SEBIGR效应,并在TCAD软件和¹⁸¹Ta粒子辐射试验中进行了验证。引起该效应的物理机制是,重粒子触发寄生三极管,产生瞬时大电流,使得硅晶格温度升高,高温引起栅介质层本征击穿电压降低,继而触发SEGR效应。SEBIGR效应的发现为深入分析功率MOSFET器件的单粒子辐射效应奠定了理论基础。     

评价功率VDMOS器件SEB效应的畸变NPN模型

构建了一个半径为0.05μm的圆柱体,用于模拟单粒子辐射功率VDMOS器件的粒子径迹,且圆柱体内新生电子和新生空穴的数目沿圆柱体的半径方向呈高斯分布。考虑到功率VDMOS器件的SEB效应与寄生NPN具有直接关系,提出了一种畸变NPN模型,并通过合理假设,推导出功率VDMOS器件在单粒子辐射下安全漏源偏置电压的解析式。结果表明,使用解析式计算得到的SEB阈值与TCAD仿真结果吻合较好。该模型可被广泛用于功率VDMOS器件SEB效应的分析和评价,为抗辐射功率VDMOS器件的选型及评价提供了一种简单和廉价的方法。     

TCAD结合SPICE的单粒子效应仿真方法

为解决传统集成电路抗单粒子加固设计中存在的不足,利用TCAD及SPICE软件,探索出一种单粒子效应仿真与电路抗辐射加固设计相结合的方法。该方法通过TCAD软件的器件建模、仿真单粒子效应对器件的影响,得出器件在单粒子辐射条件下的3个关键参数。利用SPICE软件将此参数转化为模拟单粒子效应的扰动源,进而指导电路抗单粒子效应的加固设计工作。通过对一款SRAM的加固设计及辐射试验对比,证明了该方法的正确性和有效性,同时也为以后单粒子效应设计加固提供了依据。     

p沟VDMOS的设计及抗辐照特性研究

借助半导体仿真工具Silvaco中所提供的工艺摸拟器(Athena)和器件摸拟器(Atlas),及L-Edit版图设计工具,设计了一款击穿电压高于-90 V、阈值电压为-4 V的p沟VDMOS器件。经实际流片测试,器件的导通电阻小于200 m!,跨导为5 S,栅-源泄漏电流和零栅电压时的漏-源泄漏电流均在纳安量级水平,二极管正向压降约为-1 V。采用2-D器件仿真方法以及相关物理模型对所设计的p沟VDMOS器件的单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅击穿(SEGR)效应进行了分析和研究,并通过对所获得的器件样片采用钴-60"射线源进行辐照实验,研究了在一定剂量率、不同总剂量水平条件下辐照对所研制的p沟VDMOS器件相关电学参数的影响情况。     

抗SEB加固功率VDMOS的温度特性研究

仿真研究了300 V抗辐射功率VDMOS器件在不同缓冲层浓度、不同LET值下单粒子烧毁(SEB)效应的温度特性。结果表明,SEB的温度特性与LET值相关,LET值较小时(0.1 pC/μm),SEB电压呈正温度系数特性;LET值较大时(1 pC/μm),SEB电压呈负温度系数特性。重点分析了1 pC/μm LET时离化强度大的条件下SEB电压的碰撞电离分布和晶格温度分布,分析发现,功率VDMOS颈区JFET/P阱的pn结是SEB效应薄弱点,这得到了实验结果的验证。本模型计算的结果表明,当LET值大、器件工作温度高时,功率VDMOS器件的单粒子烧毁风险最大。该项研究结果为抗辐射加固功率VDMOS器件的应用提供技术参考。     

65 nm体硅工艺NMOS中单粒子多瞬态效应的研究

针对NMOS场效应晶体管由重离子辐射诱导发生的单粒子多瞬态现象,参考65 nm体硅CMOS的单粒子瞬态效应的试验数据,采用TCAD仿真手段,搭建了65 nm体硅NMOS晶体管的TCAD模型,并进一步对无加固结构、保护环结构、保护漏结构以及保护环加保护漏结构的抗单粒子瞬态效应的机理和能力进行仿真分析。结果表明,NMOS器件的源结和保护环结构的抗单粒子多瞬态效应的效果更加明显。     

无结器件的单粒子辐射效应

介绍了一种新型沟道非均匀掺杂的双栅无结金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。采用Sentaurus TCAD仿真软件对不同沟道掺杂浓度(NSC)的沟道非均匀掺杂双栅无结MOSFET和传统双栅无结MOSFET进行了电特性与单粒子辐射效应对比研究,并分析了不同源端沟道掺杂与源端沟道长度(LSC)下新型双栅无结MOSFET的单粒子辐射特性。仿真结果表明,新型双栅无结MOSFET的电学特性与传统双栅无结MOSFET相差不大,但在抗单粒子辐射方面具有优良的性能,在受到单粒子辐射时,可有效降低沟道内电子-空穴对的产生概率,漏极电流与收集电荷都低于传统无结器件,同时还可以降低寄生三极管效应对器件的影响。     

埋栅型SIT和VDMOS的单粒子烧毁效应对比研究

对埋栅型静电感应晶体管(SIT)和垂直双扩散MOSFET(VDMOS)的抗单粒子烧毁(SEB)能力进行了仿真对比研究。利用Medici软件,仿真得到两种器件发生SEB效应前后的漏极电流响应和发生单粒子烧毁效应的临界漏极偏压。仿真结果表明,SIT与VDMOS两种器件常态击穿分别为580 V和660 V,在栅极关断电压为-10 V下,SIT的单粒子烧毁效应临界漏极电压为440 V,远高于VDMOS关断时230 V的临界漏极电压;SIT发生SEB效应时的漏极电流数量级为10-3 A/μm,而VDMOS发生SEB效应时的漏极电流数量级为10-4 A/μm,SIT在抗SEB效应方面比VDMOS具有更大的优势。同类研究少见文献报道。对埋栅SIT样品进行了试制,样品击穿电压为530 V。     

硅基N沟道VDMOS不同偏置下总剂量效应研究

通过⁶⁰Co γ射线辐照试验,研究了不同栅极和漏极偏置下硅基N沟道VDMOS器件的总剂量效应,获得了器件的电学特性与低频噪声特性随辐射总剂量的变化规律。试验结果表明：受辐射诱生的氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷的影响,在栅极偏置为+20 V时,器件的电学特性随累积剂量的增大而退化明显。通过退火试验发现,相比于导通电阻和正向压降,阈值电压、漏电流、亚阈值摆幅和输出电容对于总剂量辐射更加敏感。而在低频噪声特性方面,辐照后器件的沟道电流归一化噪声功率谱密度与正栅极偏置呈现正相关性,与负栅极偏置呈现负相关性。在不同漏极偏置条件下,辐照后器件的沟道电流归一化噪声功率谱密度降低,且基本重合。依据噪声模型,认为N沟道VDMOS内部局域电场分布对辐射感生陷阱电荷的形成影响显著,导致器件Si/SiO₂界面或者附近的载流子与陷阱交换引起的沟道电流波动不同,成为低频噪声主要来源。研究结果可为N沟道VDMOS器件的辐射效应评估、筛选和抗辐射加固设计提供参考。     

功率VDMOSFET单粒子效应研究

阐述了空间辐射环境下n沟功率VDMOSFET发生单粒子栅穿(SEGR)和单粒子烧毁(SEB)的物理机理。研究了多层缓冲局部屏蔽抗单粒子辐射的功率VDMOSFET新结构及相应硅栅制作新工艺。通过对所研制的漏源击穿电压分别为65V和112V两种n沟功率VDMOS-FET器件样品进行锎源252Cf单粒子模拟辐射实验,研究了新技术VDMOSFET的单粒子辐射敏感性。实验结果表明,两种器件样品在锎源单粒子模拟辐射实验中的漏源安全电压分别达到61V和110V,验证了新结构和新工艺在提高功率VDMOSFET抗单粒子效应方面的有效性。     

国产中高压抗辐照功率MOSFET单粒子效应

功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)空间使用时易遭受重离子轰击产生单粒子效应(单粒子烧毁和单粒子栅穿)。本文对国产新型中、高压(额定电压250 V,500 V)抗辐照功率MOSFET的单粒子辐射效应进行了研究,并采取了有针对性的加固措施,使器件的抗单粒子能力显著提升。结果表明：对250 V KW2型功率MOSFET器件进行Bi粒子辐照,在栅压等于0 V时,安全工作的漏极电压达到250 V;对500 V KW5型功率MOSFET器件进行Xe粒子辐照,在栅压等于0 V时,安全工作的漏极电压达到400 V,并且当栅压为-15 V时,安全工作的漏极电压也达到400 V,说明国产中、高压功率MOSFET器件有较好的抗单粒子能力。     

单粒子辐射导致的VDMOS体二极管反向I-V曲线蠕变现象研究北大核心CSCD

单粒子辐射后,VDMOS器件体二极管反向I-V曲线发生蠕变的特殊失效现象被首次观察到。室温下,当VDMOS的栅极浮空,漏极电压加到一定值时(远低于VDMOS击穿电压),漏电流增大,体二极管I-V曲线开始漂移并最终稳定,形成电阻型曲线。通过测试VDMOS器件及其体二极管辐射后的电参数,分析漏电流的产生原因,研究体二极管反向I-V曲线发生蠕变现象的失效机制,并提出基于界面态、中性空穴陷阱,包括空穴激发、多级空穴俘获和能带隧穿机制的空穴迁移模型。基于该模型给出了单粒子辐射导致的VDMOS体二极管漏电流的表达式。此外,通过温度实验和漏极应力实验来验证空穴迁移模型。     

SRAM激光微束单粒子效应实验研究

结合器件版图,通过对2 k SRAM存储单元和外围电路进行单粒子效应激光微束辐照,获得SRAM器件的单粒子翻转敏感区域,测定了不同敏感区域单粒子翻转的激光能量阈值和等效LET阈值,并对SRAM器件的单粒子闭锁敏感度进行测试.结果表明,存储单元中截止N管漏区、截止P管漏区、对应门控管漏区是单粒子翻转的敏感区域;实验中没有测到该器件发生单粒子闭锁现象,表明采用外延工艺以及源漏接触、版图布局调整等设计对器件抗单粒子闭锁加固是十分有效的.     

CNTFET器件及电路辐射效应研究进展

简述了碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)中作为沟道材料的碳纳米管的基本辐射效应原理及其在抗辐射领域的优势,总结了近年来CNTFET在辐射效应机理和加固领域的研究进展。介绍了不同辐射条件在碳纳米管材料和不同结构的CNTFET中诱发的位移损伤效应机理,重点介绍了电介质是影响器件总剂量效应的主要因素,辐射环境也是影响器件辐照后性能变化的重要因素,并针对这两点总结了加固方法及器件和电路的设计,对国内外研究中不同结构的电路的抗辐射能力进行评述。最后介绍了器件受单粒子效应影响的机理,对比了碳基晶体管器件和硅基晶体管器件的抗辐射能力,并展望了CNTFET及其电路的未来太空应用发展。     

高k栅介质增强型β-Ga2O3 VDMOS器件的单粒子栅穿效应研究

以增强型β-Ga₂O₃ VDMOS器件作为研究对象,利用TCAD选择不同的栅介质材料作为研究变量,观察不同器件的单粒子栅穿效应敏感性。高k介质材料Al₂O₃和HfO₂栅介质器件在源漏电压200 V、栅源电压-10 V的偏置条件下能有效抵御线性能量转移为98 MeV·cm²/mg的重离子攻击,SiO₂栅介质器件则发生了单粒子栅穿效应(Single event gate rupture, SEGR)。采用HfO₂作为栅介质时源漏电流和栅源电流分别下降92%和94%,峰值电场从1.5×10⁷ V/cm下降至2×10⁵ V/cm,避免了SEGR的发生。SEGR发生的原因是沟道处累积了大量的空穴,栅介质中的临界电场超过临界值导致了击穿,而高k栅介质可以有效降低器件敏感区域的碰撞发生率,抑制器件内电子空穴对的进一步生成,降低空穴累积的概率。     

空间辐射效应对SRAM型FPGA的影响

以Xilinx的FPGA为例，结合相关试验数据，分析了空间总剂量效应、单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子瞬态脉冲和位移损伤等辐射效应对SRAMFPGA器件的漏极电流、阚值电压、逻辑功能等影响。分析了辐射效应的机理以及FPGA的失效模式。文章可以为SRAM型FPGA在航天领域中的应用提供参考。     

P沟道VDMOS器件抗辐射加固技术研究

针对功率器件的抗辐射加固技术,从入射粒子对半导体材料的辐射损伤机理出发,设计了一种-150 V抗辐射P沟道VDMOS器件。该器件采取的抗辐射加固措施有:在颈区的上方形成局部厚场氧化层结构;在N体区进行高剂量离子注入掺杂;在850 ℃低温条件下生长栅氧化层。通过仿真分析和试验进行了验证,该器件在最劣漏偏置条件下抗总剂量达到3 kGy,抗单粒子烧毁和单粒子栅穿的LET值为99.1 MeV·cm²/mg。该器件适用于星用抗辐射DC-DC电源系统。     

新型独立三栅FinFET单粒子瞬态效应TCAD分析

针对独立三栅FinFET器件及其反相器的单粒子瞬态效应展开了深入研究。首先分析了N型独立三栅器件中最敏感区域的位置以及不同工作电压对器件敏感性的影响。然后,基于独立三栅器件独特的电流控制方式搭建五种不同工作模式的反相器单元,对重离子撞击NMOS下拉管最敏感区域的单粒子瞬态效应(SET)敏感性进行了比较。三维数值TCAD仿真结果表明,脉冲峰值电流与重离子在沟道中的路径体积成正比,且最敏感区域为漏与沟道之间的空间电荷区,工作电压会影响沟道势垒,从而影响器件的SET。另外,不同工作模式的反相器对改善抗辐照能力具有参考意义。