功率UMOSFET高功率微波损伤效应及其加固方法研究

摘要

近年来，脉冲功率技术迅速发展。借助各种脉冲功率手段产生的高功率微波（High-Power Microwave，HPM）使得当前的电磁环境面临日益恶化的严重威胁。电磁环境的日益复杂也使得电子系统和电子设备之中的功率半导体器件更容易受到HPM的干扰和毁伤。因此开展功率器件的HPM损伤效应研究具有重要的实际应用意义。目前在抗辐射微纳电子学领域，功率UMOSFET的HPM损伤效应与机理、HPM损伤敏感参数以及抗HPM损伤效应的加固技术等方面的研究很少，因此亟待开展相关工作以应对新的挑战。
　　本文主要研究了分裂栅增强型功率UMOSFET(Split-Gate Enhanced UMOSFET，SGE-UMOSFET)的HPM损伤效应和抗辐射加固两个方面的问题。以典型的普通SGE-UMOSFET为研究对象，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，系统地研究了器件在HPM作用下的损伤效应和损伤机理，并且据此提出了基于P+源区扩展的抗HPM损伤效应器件加固新结构。与此同时，基于平衡器件基础电学特性和可靠性的考虑，提出了具有双层PN结的抗HPM损伤效应器件加固新结构。最后对新器件的结构参数进行了优化设计。本文的主要研究内容概括如下:
　　首先，建立了HPM感应电压的数学模型。对普通SGE-UMOSFET的HPM损伤效应与机理进行了系统地研究，揭示了功率UMOSFET在HPM作用下器件性能的改变及其物理根源，研究结果表明:在HPM作用下，器件永久性烧毁损伤是由器件内部寄生BJT触发形成大电流密度所造成的。为器件抗HPM辐射加固提供了理论研究基础和参考依据。
　　其次，根据普通SGE-UMOSFET的HPM损伤机理，提出了基于P+源区扩展的抗HPM损伤效应器件加固新结构，并且对比分析了两个器件抗HPM辐射的能力。研究结果表明，新器件可以有效地抑制器件内部寄生BJT的开启，大幅提升了器件抗HPM辐射的性能。
　　最后，基于平衡器件基础电学特性和可靠性的考虑，提出了具有双层PN结的抗HPM损伤效应器件加固新结构，并且对比分析了两个器件的基础电学性能和抗HPM辐射的能力。研究结果表明，由于分裂栅结构的改变，新器件的击穿电压和导通电阻都得到了改善。通过对比分析两个器件内部电场强度、电流密度和温度的分布，证明了新器件抗HPM辐射的性能更加优越。新器件不但大幅改善了器件的基础电学特性，还显著提升了器件抗HPM辐射的能力。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2功率UMOSFET发展历史和现状

1．3 HPM损伤效应研究进展

1．4研究内容与创新

1．5本文章节安排

第2章HPM损伤效应基础

2．1HPM概述

2．2HPM损伤效应

2．3电子系统的HPM损伤机理

2．3．1 HPM与电子系统相互作用的耦合方式

2．3．2 HPM对电子系统的干扰和损伤机制

2．4常见半导体器件的HPM损伤机理

2．5本章小结

第3章分裂栅功率UMOSFET的HPM损伤效应与机理

3．1 Silvaco TCAD软件简介

3．2 SGE-UMOSFET的结构和基本特性

3．2．1器件的工作原理

3．2．2器件的基本电学特性

3．3 HPM感应电压的数学建模

3．4 SGE-UMOSFET的HPM损伤效应模拟研究

3．4．1 HPM作用下器件的温度特性

3．4．2 HPM作用下器件的损伤机理

3．4．3 HPM频率参数对器件损伤效应的影响

3．5本章小结

第4章基于P+源区扩展的抗HPM损伤SGP-UMOSFET

4．1．2器件的基本电学特性

4．2 SGP-UMOSFET抗HPM损伤效应的加固原理

4．2．1影响寄生BJT开启的器件结构参数

4．2．2 HPM损伤效应的加固方法

4．3 SGP-UMOSFET的HPM损伤效应模拟研究

4．4 SGP-UMOSFET的结构参数优化设计

4．4．1 HPM作用下器件温度特性的优化

4．4．2器件击穿特性与输出特性的优化

4．5本章小结

第5章具有PNPN结构的抗HPM损伤SGPN-UMOSFET

5．1．1器件的结构参数

5．1．2器件的基本电学特性

5．2 SGPN-UMOSFET抗HPM损伤效应的加固原理

5．3 SGPN-UMOSFET的HPM损伤效应模拟研究

5．3．1 HPM作用下器件的温度特性

5．3．2 HPM作用下器件沟道处的电流密度分布

5．4 SGPN-UMOSFET的结构参数优化设计

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢