功率半导体场效应器件中的辐射效应研究

发布时间：2020-02-13 12:27

【摘要】：功率半导体器件在辐射环境中会发生性能退化或者破坏性失效,这对使用这些器件的设备甚至整个系统都会造成威胁。功率半导体场效应器件为目前使用最为广泛的功率半导体器件类型,其又包括了功率金属半导体氧化物场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称MOSFET)和氮化镓高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor,简称GaN HEMT)等多种器件结构。辐射环境中的粒子在不同的器件中会造成不同的辐射效应,在功率半导体场效应器件中,比较重要的辐射效应包括:功率MOSFET器件中的总剂量效应、单粒子效应,氮化镓HEMT中的质子辐射效应等。本文综合利用实验、仿真、建模等多种手段对这些辐射效应展开了研究。对于功率MOSFET中的VDMOS结构,主要针对其总剂量效应和单粒子烧毁效应进行了加固方法的研究。经过器件仿真、版图设计、流片等环节,本文开发了一款具备一定抗总剂量能力的VDMOS原型器件,并进行了总剂量实验。实验结果表明,该器件具有200 krad(Si)以上的抗总剂量能力。针对VDMOS中的单粒子烧毁效应,提出了同时提高沟道掺杂和使用高k材料作为栅介质的抗单粒子烧毁加固方法,并利用经过实验校准过的仿真工具验证了该方法的有效性。对于槽栅型MOSFET中的单粒子微剂量效应,建立粒子在氧化层中沉积电荷的模型,并利用该模型结合Sentaurus仿真软件研究了槽栅型功率MOSFET单粒子微剂量效应的敏感参数。针对Ga N HEMT中的质子辐射效应,通过对一款增强型Ga N HEMT的质子辐射实验,研究了受质子辐射引起的破坏性失效和电性能退化。对于破坏性失效,分析实验结果后认为其主要原因是质子辐射引起的栅极漏电流异常增加导致的铝镓氮势垒层损坏造成的。而对于电性能退化,结合仿真结果和端子浮空电容测试,认为主要原因为质子辐射在铝镓氮势垒层和p型氮化镓帽层界面处引入了大量深能级陷阱。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

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本文编号：2579132