槽栅功率MOSFET单粒子效应模拟研究

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功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)在空间辐射环境中极易受到高能质子、重离子的影响发生单粒子效应(single-event effect,简称SEE),主要包括单粒子烧毁效应(Single-event Burnout,简称SEB)和单粒子栅穿效应(Single-event gate rupture,简称SEGR),单粒子效应的发生会导致器件无法正常工作甚至烧毁失效。近些年来,功率器件一直广泛应用于空间辐射环境中,对抗辐射性能以及加固技术的研究很有必要。本文主要是针对槽栅功率MOSFET(power trench-gateMOSFET,简称Power UMOSFET)的单粒子效应进行模拟研究。本文的主要思路是从普通的槽栅功率MOSFET入手,模拟仿真其基本特性和单粒子效应,分析仿真结果并提出抗单粒子效应的加固结构,力求在不影响器件其他电学参数的基础上提高其抗单粒子效应的性能。发生单粒子烧毁效应的实质原因是器件内部寄生双极晶体管的作用,本文一直围绕如何降低寄生双极晶体管的作用来提高器件的抗单粒子效应的性能。对单粒子烧毁效应的研究主要是确定发生烧毁效应的阈值电压,同时也模拟仿真了单粒子栅穿效应并和单粒子烧毁效应进行对比。本文首先模拟仿真了普通槽栅功率MOSFET器件的基本特性和单粒子效应,确定了发生单粒子烧毁以及栅穿效应的阈值电压,并讨论了少子寿命、源区掺杂浓度和P~+扩展对单粒子烧毁效应的影响。然后给出了抗单粒子效应的两种加固结构,一种是在原来结构基础上扩展P~+体区和增加缓冲层,另一种是将源区变成肖特基接触,这两种加固结构都能够有效的改善器件抗单粒子效应的性能。针对P~+体区扩展和增加缓冲层的加固结构,在基本电学参数不变的情况下仿真了单粒子烧毁和栅穿效应,该结构对单粒子栅穿效应也有一定的改善,此外还对该加固器件在不同栅偏压和不同温度的单粒子效应进行了讨论和对比。针对源区肖特基接触的加固结构,在模拟仿真了单粒子效应之后,为了使器件可以正常工作,我们分别改变器件的某些设计参数来优化正向电流和阈值电压,并结合增加缓冲层的加固方法设计了优化后的器件结构,讨论的结果可以给今后抗辐射功率器件的设计提供一些参考。
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