高压抗辐射横向扩散金属氧化物半导体的设计与研究

针对宇航级功率集成电路中横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件抗单粒子辐射性能低的问题,开展了高压LDMOS抗单粒子效应加固技术的研究,采用重掺杂P+well及漏区缓冲层结构设计了一种耐压为60 V的N型LDMOS器件。利用TCAD软件对重掺杂P+well及漏区缓冲层结构的加固机理进行仿真分析,并对回片器件利用Ta离子(线性能量转移,LET=79.2 MeV·cm^(2)/mg)进行辐照试验验证,结果表明,提高Pwell掺杂浓度和采用缓冲层结构可将高压LDMOS器件抗单粒子烧毁电压提升至60 V。

SOI高压LDMOS器件氧化层抗总电离剂量辐射效应研究

绝缘体上硅(SOI)高压横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件是高压集成电路的核心器件,对其进行了总电离剂量(TID)辐射效应研究。利用仿真软件研究了器件栅氧化层、场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷对电场和载流子分布的调制作用,栅氧化层辐射陷阱电荷主要作用于器件沟道区,而场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷则主要作用于器件漂移区;辐射陷阱电荷在器件内部感生出的镜像电荷改变了器件原有的电场和载流子分布,从而导致器件阈值电压、击穿电压和导通电阻等参数的退化。对80 V SOI高压LDMOS器件进行了总电离剂量辐射实验,结果表明在ON态和OFF态下随着辐射剂量的增加器件性能逐步衰退,当累积辐射剂量为200 krad(Si)时,器件的击穿电压大于80 V,阈值电压漂移为0.3 V,器件抗总电离剂量辐射能力大于200 krad(Si)。

LDMOS射频功率放大器电热记忆效应研究

以横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)场效应管射频功率放大器为例,介绍了LDMOS FET电热效应模型,理论推导了LDMOS FET的结温与其耗散功率的量化关系。

基于有限元方法的半导体器件电-热分析

随着微电子技术的迅猛发展,各种微电子设备获得了空前广泛的应用,电子系统对电磁干扰的敏感程度也随之增加。在电磁脉冲的影响下,电子系统中的晶体管会发生电、热击穿,因此,半导体器件的可靠性日益成为电磁兼容性领域的关键问题。为了研究半导体器件在常见电磁脉冲影响下的可靠性问题,本文采用了一种混合时域有限元方法,对半导体器件进行综合的电-热分析,通过计算机仿真数值求解半导体物理方程和热力学方程,获得在电磁脉冲下半导体器件内部的温度分布情况。从仿真结果可以看到,半导体器件在电磁脉冲作用下会产生严重的热效应,内部温度甚至能达到材料熔点。因而,在电子系统设计中必须采用相应的技术对半导体器件进行电磁防护。

高压LDMOS准饱和效应研究

借助于SILVACO TCAD仿真工具,研究了高压LDMOS电流准饱和效应(Quasi-saturation effect)的形成原因。通过分析不同栅极电压下漂移区的耗尽情况以及沟道与漂移区电势、电场和载流子漂移速度的分布变化,认为当栅压较低时,LDMOS的本征MOSFET工作在饱和区,栅压对源漏电流的钳制明显,此时沟道载流子速度饱和;而在大栅压下,随着沟道导电能力的增加以及漂移区两端承载的电压的增大,本征MOSFET两端压降迅速降低,器件不能稳定地工作在饱和区而进入线性工作区,此时沟道中的载流子速度不饱和。LDMOS器件的源漏电流的增大主要受漂移区影响,栅压逐渐失去对器件电流的控制,此时增大栅压LDMOS器件的源漏电流变化很少,形成源漏电流的准饱和效应。最后,从器件工作过程对电流与栅压的关系进行了理论分析,并从理论结果对电流准饱和效应进行了深入分析。

基于HTO的LDMOS器件结构及其热载流子注入退化研究

为满足中低压消费电子的市场需求,小尺寸高密度Bipolar-CMOS-DMOS技术得到了蓬勃发展,低损耗和高可靠成为Bipolar-CMOS-DMOS技术中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor,LDMOS)设计的重点和难点.本文介绍了一种基于高温氧化层(High Temperature Oxidation layer,HTO)结构的LDMOS,并对其热载流子注入退化机制进行了研究分析,利用高温氧化层结构改善了传统浅槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)结构中氧化物台阶嵌入半导体内部对器件热载流子注入造成的不利影响,提高器件可靠性,同时还缩短了器件导通情况下的电流路径长度,降低损耗.此外本文还提出了对P型体区的工艺优化方法,利用多晶硅作为高能量离子注入的掩蔽层,改善阱邻近效应对器件鲁棒性的影响,同时形成更深的冶金结,可以辅助漂移区杂质离子耗尽,降低漂移区表面电场,在不需要额外增加版次的情况下提高了器件击穿电压.最终得到的基于HTO结构的LDMOS击穿电压为43 V,比导通电阻为9.5 mΩ·mm^(2),线性区电流在10000 s之后的退化量仅为0.87%.

高功率微波作用下半导体器件失效和防护分析

高功率微波(HPM)通过直接或间接耦合产生的电热效应会干扰电子通信设备的工作,甚至造成不可逆转的损伤或损毁。总结了在高功率微波作用下器件失效性分析和高功率微波防护的国内外研究进展;求解了横向扩散金属氧化物场效应管(LDMOSFET)、异质结双极型晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率脉冲注入下的电热应力场分布以及阈值功率;提出了用瞬态稳压抑制器(TVS)二极管设计微波防护电路的方法。最后分析了当前研究的局限性以及后续研究方向,为电路系统的设计和安全性评估提供参考。

薄硅膜SOI LDMOS器件的HCI劣变机理研究

由于薄硅膜——绝缘体上硅型横向扩散金属氧化物半导体(Silicon On Insulator Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,SOI LDMOS)制作在厚度仅有几十到几百纳米的硅膜上,器件在高电压、大电流的作用下,热载流子注入(Hot Carrier Injection,HCI)效应更为复杂,HCI可靠性受到极大的挑战。研究并探讨了两种结构的15 V SOI LDMOS的热载流子注入劣变机理。采用电荷泵(Charge Pumping)方法测试了界面缺陷产生的特点,当HCI效应发生在沟道区,最大沟道跨导退化明显,饱和驱动电流退化幅度较小,当HCI效应发生在多晶栅边缘,情况刚好相反。通过TCAD仿真研究了器件结构和碰撞电离率分布规律,发现了碰撞电离产生的负电荷对漂移区影响机制,揭示了HCI效应即碰撞电离率最大的位置对SOI LDMOS器件的损伤机理。为薄硅膜SOI LDMOS器件的HCI可靠性设计与优化提供了重要的经验参考。

高压LDMOS场极板的分析与设计

场板是高压LDMOS中普遍使用的一种结终端技术,对单阶梯LDMOS场板的长度、其下方氧化层厚度以及场氧侵蚀厚度等参数进行了模拟和分析,在此基础上设计了一种新型体硅双阶梯场板LDMOS,并对其具体参数进行了细致的模拟和分析。模拟结果表明,双阶梯场板LDMOS的击穿电压比单阶梯场板LDMOS提高了15.3%,导通电阻降低了17.1%,电流驱动能力也提高了8.5%。

LDMOS微波功率放大器分析与设计

在对晶体管绝对稳定性分析的基础上,根据负载牵引得到的晶体管的输入输出阻抗运用共轭匹配,成功设计出2级LDMOS微波功率放大器,P-1大于45 dBm,在1580-1650 MHz功率增益30 dB以上,PAE大于30％。同时,得到了最终的版图并且运用MOMENTUM对它进行了2．5D仿真,得到了理想的结果。

1.2~1.4GHz 600W硅LDMOS微波功率晶体管研制

针对雷达、通信、遥控遥测等领域对LDMOS大功率器件的迫切需求,基于南京电子器件研究所LDMOS技术平台,优化了版图布局、芯片结构,开发了50VL波段600 W硅LDMOS。该器件耐压大于115V,在50V工作电压、1.2~1.4GHz工作频率、300μs脉宽,10%占空比及15 W输入功率的工作条件下,输出功率大于630 W,增益大于16.3dB,漏极效率大于53.1%。所研制的芯片已进入相关工程应用。

高压功率LDMOS的场极板击穿电压分析

提高 LDMOS的一个关键步骤是加场极板以降低其表面击穿电压。文中分析了加场极板后的 LDMOS击穿电压模式 ,指出了场极板的分压作用和场极板边界的影响 。

新型的功率器件——射频LDMOS

射频LDMOS功率器件与普通双极型功率器件相比,结构合理、增益高、热稳定性好、性价比高,广泛应用于通信、广播、航空、军事电子等领域。文中对射频LDMOS功率器件的发展趋势、应用前景及主要性能作了较详细的分析,通过实验得出结论,LDMOS功率器件可用于固态发射机中。

2000W硅LDMOS微波脉冲大功率晶体管

针对雷达、等离子体射频源、广播通信等领域对LDMOS大功率器件的迫切需求,通过热仿真优化了芯片版图布局,通过芯片级Load-pull仿真优化了芯片结构,成功开发了50V千瓦级硅LDMOS功率管。该器件耐压大于140V,在50V工作电压、230MHz工作频率、100μs脉宽、20%占空比、18W输入功率的测试条件下,输出功率大于2 000 W,增益大于20.4dB,漏极效率大于66.2%,抗失配通过10∶1。

微波功率LDMOS的工艺仿真及研制

利用工艺仿真软件Tsuprem 4,针对氧化、退火等工艺进行仿真及校准,并据此对LDMOSFET进行了设计及工艺仿真。结合Medici得到LDMOSFET的结构参数以及相应电学参数,与研制结果进行了比较,仿真结果与实际研制结果吻合较好,实现了在工作频率1 GHz,VDD=28 V条件下,输出功率Po=10 W,Gp=10 dB,η=55%的良好性能。

S波段200 W硅LDMOS功率管研制

研制了具有高频高增益特性的硅LDMOS芯片,采用0.35μm精细栅实现高频率性能,CoSi2/PolySi栅工艺技术降低电阻,Ti/W金属场板优化漂移区电场分布降低反馈电容,并采用等平面工艺技术提高芯片一致性。采取参数仿真优化内匹配设计,并通过多个LDMOS芯片合成实现大功率输出。最终实现的S波段大功率硅LDMOS器件性能为:在32 V工作电压,3.1~3.5 GHz频带内,300μs脉宽,15%占空比的工作条件下,输出功率大于200 W,增益大于9 dB,效率大于42%。

VHF频段宽带大功率LDMOS功放电路的设计与实现

介绍了一种VHF频段宽带大功率LDMOS功放的设计方法,使用ADS仿真软件对其大信号模型的阻抗参数进行了提取,通过宽带巴伦匹配技术实现了匹配电路的设计。利用谐波平衡法对功放电路的增益和效率指标进行仿真,并与实物测试数据对比,验证了设计方法的可行性。该功放电路在VHF频段100%相对带宽内,实现输出功率大于1 000 W,效率高于70%,带内波动优于1 dB的指标。文中为VHF频段宽带大功率LDMOS功放电路的设计提供了一种可行的设计方法,可应用于同类型功放电路的设计中,具有广阔的工程应用前景。

薄膜SOI上大于600 V LDMOS器件的研制

针对600 V以上SOI高压器件的研制需要,分析了SOI高压器件在纵向和横向上的耐压原理。通过比较提出薄膜SOI上实现高击穿电压方案,并通过仿真预言其可行性。在埋氧层为3μm,顶层硅为1.5μm的注氧键合(Simbond)SOI衬底上开发了与CMOS工艺兼容的制备流程。为实现均一的横向电场,设计了具有线性渐变掺杂60μm漂移区的LDMOS结构。为提高纵向耐压,利用场氧技术对硅膜进行了进一步减薄。流片实验的测试结果表明,器件关态击穿电压可达600 V以上(实测832 V),开态特性正常,阈值电压提取为1.9 V,计算开态电阻为50Ω.mm2。

高压LDMOS功耗的分析

利用二维半导体器件模拟软件MEDICI对LDMOS进行了模拟。采用分段模型计算了器件各部分电阻值和总电阻值,并讨论了电阻值随器件结构参数以及外加偏压变化的情况,给出了高压LDMOS主要的功耗区及其变化情况。

50～75MHz 1200W脉冲功率LDMOS器件的研制

分析了工作于甚高频(VHF)频段的千瓦级横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件的输出功率、漏极效率及功率增益等关键参数在设计时应考虑的因素,在此基础上,采用0.8μm LDMOS工艺成功研制了一款工作于VHF频段的脉冲大功率硅LDMOS场效应晶体管(LDMOSFET)。设计了用于50~75 MHz频带的宽带匹配电路。研制的器件击穿电压为130 V。在工作电压为50 V,工作脉宽为1 ms,占空比为30%的工作条件下测试得到,器件的带内输出功率大于1 200 W,功率增益大于20 dB,漏极效率大于65%,抗驻波比大于10∶1。