PDF《国产中高压抗辐照功率 MOSFET 单粒子效应》

0 V 到-15 V,漏压

400 V 时,器件均未发生单粒子效应.器件辐照时的数据见表 3. 器件的单粒子安全工作区如图

3 所示,从图中可以看出,栅压从

0 V 到-15 V,漏压为

400 V 时,器件均未发生 单粒子效应. 作为 DC-DC 母线电源的核心元器件,功率 MOSFET 芯片在 DC-DC 中使用时,要求的可靠性和抗辐照能力 远高于 DC-DC 本身.为更好地评估功率 MOSFET 在DC-DC 实际使用中的抗辐射能力,对功率 MOSFET 在栅压

0 V、漏压

400 V 的偏置条件下进行了总注量为 1*107 ions/cm2 单粒子辐照试验.实验结果表明,在此条件下(UGS=0 V, UDS=400 V,总注量=1*107 ions/cm2 )器件未发生单粒子效应. 在注量率 1*105 ions/(cm

2 ・s),总注量 1*106 ions/cm2 条件下对 KW2 抗辐射功率 MOSFET 进行单粒子辐照试 验时,器件在不同栅偏置条件时发生单粒子效应如下:在UGS=0 V, UDS=250 V 时,未发生单粒子效应;

在UGS=-5 V, UDS=25 V 时,未发生单粒子效应;

在UGS=-5 V, UDS=50 V 时,发生单粒子效应;

在UGS=-10 V, UDS=25 V 时,未 发生单粒子效应;

在UGS=-5 V, UDS=50 V 时,发生单粒子效应.器件辐照时的数据见表 4,器件的单粒子安全工 作区如图

4 所示.

3 结果讨论 功率 MOSFET 的单粒子效应主要是指单粒子栅穿和单粒子烧毁, 这2种效应都是器件致命的失效模式[12-13] . 表3KW5 型器件单粒子辐照数据 Table3 The single event effect irradiation data of samples KW5 No. UGS/V UDS/V Yes or No? 11# -15

100 No 11# -15

150 No 11# -15

200 No 11# -15

250 No 11# -15

300 No 11# -15

350 No 11# -15

400 No 11# -15

450 Yes 12# -15

420 Yes 13# -10

400 No 13# -10

420 Yes 14# -5

400 No 14# -5

420 Yes 15#

0 400 No 15#

0 420 Yes

0 -5 -10 -15 UGS/V

500 400

300 200

100 0 U DS /V Fig.3 Single event effect safe operating area of samples KW5 图3单粒子辐照试验时,KW5 抗辐照功率 MOSFET 安全工作区 表4KW2 型器件单粒子辐照数据 Table4 The single event effect irradiation data of samples KW2 No. UGS/V UDS/V Yes or No 1# -10

25 No 1# -10

50 Yes 2# -5

25 No 2# -5

50 Yes 3#

0 150 No 3#

0 175 No 3#

0 200 No 3#

0 225 No 3#

0 250 No

0 -5 -10 UGS/V

250 200

150 100

50 0 U DS /V Fig.4 Single event effect safe operating area of samples KW2 图4单粒子辐照试验时,KW2 抗辐照功率 MOSFET 安全工作区

146 太赫兹科学与电子信息学报 第14 卷 单粒子烧毁是单粒子辐照时功率 MOSFET 承压的耗尽区产 生大量电子空穴对,在漏极高压的作用下,形成大电流, 当横向流过 P 体区的电流足够大时,就会在寄生三极管的 基区电阻上产生可能超过 0.7 V 的压降,使寄生三极管开 启,形成电流放大效应.耗尽区内高的电场导致雪崩倍增 出现.在漏极高压维持一段时间后不断增大的电流促使寄 生三极管进入二次击穿,击穿电压下降.电流密度的局部 高度集中最终将导致 MOSFET 的烧毁. 功率 MOSFET 的单 粒子栅穿是高能粒子入射 MOS 器件的栅介质, 引起了栅介 质的击穿.粒子入射到 MOSFET 时,空穴会沿电场向器件 表面运动,瞬时产生的大量空穴无法导出,会在栅介质下 方的颈区堆积.这些空穴会在栅介质上增加一个瞬态电场, 导致氧化层内电场超过临界击穿电场,引起栅氧介质击穿, 栅极泄漏电流增加,功率 MOSFET 失去栅控能力. 国产抗辐射功率 MOSFET 进一步优化了器件结构与工 艺,实现抗单粒子性能的大幅提升.一是通过优化离子注入剂量、能量与掺杂分布,提高载流子复合效率,使重 离子入射后产生的电子空穴对尽快复合,降低载流子的倍增效应,提升了抗单粒子烧毁(Single Event Burnout, SEB)、单粒子栅穿(SEGR)能力.二是通过优化器件元胞结构及拓扑结构,改变重离子入射后产生的电子空穴对 抽取路径,提高载流子抽取效率,降低重离子对器件的影响,提升了抗 SEB,SEGR 能力.三是优化器件结构, 增加负反馈电阻,降低载流子抽取时发射极效率,降低器件内部寄生三极管对电流的放大作用,提升了抗 SEB 能力.图5是优化前 KW5 型抗辐照功率 MOSFET 的单粒子安全工作区,从图中看到优化前器件的单粒子安全工 作区较低.在UGS=0 V 时器件安全工作的漏压不到