面向空间应用功率VDMOS器件单粒子辐射损伤机理研究

Power VDMOS devices have extensive application in the field of aerospace because of its high input impedance, low drive power and fast switching speed. However, when power VDMOS devices are exposed to space radiation environment, the radiation damage can lead the devices' performance degradation even catastrophic failure. As power switch of the secondary power supply in the spacecraft, the degradation of power VDMOS devices performance directly affect the reliability of the DC-DC converter and in severe cases it may lead to the failure of space missions..The research of radiation damage mechanism and simulation technology of power VDMOS devices will be carried out, aiming at the problems due to power VDMOS devices radiation damage caused the reduction of satellites' lifetime, perfomence and reliability. Through the single event irradiation experiment of power VDMOS devices, the response law and the exprimental conditon of minimum safety threshold of radiation damage will be extracted, the sensitive area of SEB & SEGR and their correlation will be explored. Finally, combined with the experimental results and simulation technology, the single event radiation damage mechanisms will be revealed and the single particle radiation damage physical models will be established..The successful implementation of this project helps to understand the single particle radiation damage mechanisms and establish the theoretical foundation for the development of the power VDMOS devices hardened-radiation technology.

功率VDMOS器件由于具有输入阻抗高、驱动功率低、开关速度快等优点，在航空航天领域有着广泛的应用前景。然而，空间辐射环境作用于功率VDMOS器件时造成的辐射损伤会导致器件性能退化甚至失效，尤其作为航天器中的二次电源功率开关，器件性能退化直接影响DC-DC的可靠性，严重时可能导致航天任务的失败。.本项目针对空间辐射环境下由于功率VDMOS器件辐射损伤引起的卫星寿命、性能、可靠性降低等问题，开展功率VDMOS器件辐射损伤机理及模拟仿真技术的研究。通过对功率VDMOS器件进行单粒子辐照实验，获得器件辐射损伤的响应规律，提取器件辐射损伤时安全阈值的实验条件，探究器件发生SEB、SEGR时的敏感区域及相关性，结合实验结果和模拟仿真技术，揭示器件单粒子辐射损伤机理，建立单粒子辐射损伤物理模型。.本项目的成功实施有助于了解功率VDMOS器件单粒子辐射损伤机理，同时为发展器件的抗辐射加固技术奠定理论基础。

本项目围绕保障卫星空间长期、安全运行对功率VDMOS 器件单粒子辐射损伤效应及机理研究需求，针对空间辐射环境下功率 VDMOS器件辐射损伤引起的卫星寿命、性能和可靠性降低等问题，开展功率 VDMOS器件空间单粒子辐射损伤效应、机理等方面的研究，为国内研制高可靠、抗辐照性能好的功率 VDMOS器件提供理论基础，为国内开展抗辐照功率VDMOS器件的评估提供技术支持。.本项目制备了不同类型的功率VDMOS器件。搭建并优化了测试系统。通过监测功率VDMOS器件栅极漏电流（IGS）和漏极漏电流（IDS）可以判断器件是否发生单粒子辐射损伤。辐照时，如果IGS突然增大并超过规范要求值，则认为功率VDMOS器件发生了SEGR效应。如果IDS突然增大并超过规范要求值，则认为功率VDMOS器件发生了SEB效应。辐照时，在相同漏压下，栅压的绝对值越大，越容易发生单粒子辐射损伤；在相同栅压下，漏压越大，越容易发生单粒子辐射损伤，单粒子辐照时发生SEB、SEGR时的试验条件主要受到器件内部电场影响。单粒子辐照时，入射粒子的种类不同，对器件的辐射损伤不一样。LET值大的粒子，若入射深度小，对器件的辐射损伤可能小于LET值小但入射深度大的粒子。入射粒子的LET越大，入射深度越深，器件的单粒子辐射损伤越敏感。当入射粒子能够穿透外延层时，不同辐照源LET值相近的粒子辐射损伤相差不大。相同工艺、结构下，P沟道功率VDMOS器件的抗单粒子性能优于N沟道；六角元胞结构的功率VDMOS器件的抗单粒子性能优于条栅结构；相比四代工艺，五代工艺通过提高载流子复合效率，器件的抗单粒子水平显著提升；面积相同时，元胞越小器件抗单粒子能量越强。研究了温度对功率VDMOS器件单粒子性能的影响。研究了复合栅氧层的单粒子效应，发现一定厚度比的复合栅氧化层，在总剂量性能不降低的条件下抗单粒子能力显著提升。研究了脉冲激光模拟功率VDMOS器件的单粒子效应，试验中观察到了单粒子现象，后续需进一步进行研究。我们在研究功率VDMOS器件SEB和SEGR效应的基础，提出了一些针对性的加固措施，提升了器件的抗单粒子能力。