【摘 要】
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功率MOSFET和以其为核心的功率集成电路是电力电子系统实现电能转化、电压变换的关键,广泛用于消费、工业、汽车及航空航天、军事等重大需求,无论何种场景,功率MOSFET作为能源转换的“心脏”直接影响系统的整体性能,因此器件的结构设计至关重要。随着应用需求日益增长,在追求元胞尺寸、功率密度提升的同时,更高的设计容差、更优的动态特性成为设计中的关键,众多学者研究表明,元胞尺寸减小导致的设计窗口收缩为性
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功率MOSFET和以其为核心的功率集成电路是电力电子系统实现电能转化、电压变换的关键,广泛用于消费、工业、汽车及航空航天、军事等重大需求,无论何种场景,功率MOSFET作为能源转换的“心脏”直接影响系统的整体性能,因此器件的结构设计至关重要。随着应用需求日益增长,在追求元胞尺寸、功率密度提升的同时,更高的设计容差、更优的动态特性成为设计中的关键,众多学者研究表明,元胞尺寸减小导致的设计窗口收缩为性能优化和工艺控制带来了严峻挑战,同时,以栅电容为代表的动态特性在开关应用中尤为重要,密切关系到器件的易用和高效,成为先进低损耗器件结构的研究热点。与此同时,采用新结构的先进低损耗功率MOSFET已成为新一代航天与军事应用的趋势所选,新技术的应用带来性能突破的同时也面临着辐射环境的独特挑战,功率MOSFET在具备低损耗特性的同时必须在严苛辐射环境下稳定工作,亟需开展辐射效应及其机理的研究。本文重点对低损耗功率MOSFET器件展开研究,提出高容差超结MOSFET新结构、电容空间竞争机制及其工艺调制技术,开展流片实验,并进一步开展辐射效应研究,揭示低损耗器件的辐射退化机理,提出加固方案,主要创新点如下:1.开展超结MOSFET器件研究,提出紧凑元胞超结MOSFET新结构,元胞采用独特五阶梯非均匀浓度分布,削弱非平衡电荷导致的电势场退化,提出折叠形阻性场板终端,引入电场辅助耗尽机制解决终端横向连接层脆弱的电荷平衡,使终端超结设计窗口扩展至与元胞结构一致,有效缓解超结击穿电压和设计容差的矛盾。进一步,提出一种独特的漏源电容(CDS)与栅漏电容(CGD)竞争机制,基于该机制引入额外P型杂质注入工艺技术,实现了电容特性的灵活调制,在不显著影响器件电荷平衡条件的前提下,提升器件开关速度,降低开关功耗,且不会导致过冲退化。所研超结MOSFET实现低损耗的同时有良好的易用性,基于多外延工艺平台,先后实验获得击穿电压600 V、650 V、700 V级系列器件,比导通电阻小于12 mΩ·cm~2,达到国际先进水平。在此基础上开展紧凑元胞超结单粒子辐射效应研究,揭示了元胞缩小过程中栅源结构调整引起的寄生管增益和电荷导出能力变化,阐明紧凑元胞超结器件单粒子烧毁效应加剧的原因,为低损耗超结辐射加固设计提供指导。2.针对中低压应用场景,开展分离栅/屏蔽栅槽栅（Split/Shield Gate Trench,SGT）器件研究,实验发现并揭示了SGT MOSFET总剂量辐射导致的泄漏电流与击穿电压退化机理。设计并流片获得低损耗30 V SGT功率MOSFET,兼具优越的静态和动态性能,通过伽马辐射源开展总剂量辐射实验,提取氧化层空穴俘获率,实现槽栅氧化层质量的评估,进而开展不同介质环境的总剂量辐射仿真模拟。揭示了SGT MOSFET过渡区在泄漏电流中的主导作用,通过结构分析和分区计算,发现过渡区控制栅与屏蔽栅之间隔离厚氧化层俘获辐射电离空穴引入的泄漏电流通路。同时,揭示了总剂量辐射导致的击穿电压的复合退化机理,通过负栅压的特殊偏置实验,发现屏蔽栅氧化层俘获电荷对漂移区有效掺杂浓度的严重影响,击穿电压退化不仅由穿通效应所致,更与表面降场（Reduced Surface Field,RESURF）的退化密切相关。最后,在理论研究的基础上,针对不同退化类型分别提出制造工艺、版图结构和浓度设计三种加固方法。3.开展低损耗可集成MOSFET高注量中子辐射研究,建立位移损伤漂移区能带模型,提出漏阈值电压新概念,发现并揭示高注量中子辐射导致的可集成功率高压MOSFET输出电流截止效应。实验获得采用薄层绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator,SOI）技术的低损耗可集成横向MOSFET器件,通过脉冲反应堆开展注量1014 n/cm~2级中子辐射研究,引入多能级缺陷建立漂移区能带模型,结合模型分析和仿真阐明去除效应和电场增强共同作用引入的高空置率陷阱导致漏极侧导带抬升形成势垒的机理,电流通路截断,截止效应发生。进一步,揭示随偏置电压变化电流恢复和电流爬升机理,分析不同漏极偏置条件的漂移区导带形貌变化,开展多种漂移区长度、浓度设计的中子辐射仿真和实验。在此基础上,建立漏阈值电压定性计算公式,统一高、低注量下器件中子辐射退化机理,阐明低注量下无截止效应的原因以及不同结构参数对截止效应的影响,理论指导横向功率高压器件中子辐射加固设计。
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