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由于SOI技术可显著降低减器件的寄生电容和衬底射频功率损耗,有效的避免短沟道效应并获得更高的跨导,消除衬底带来的串扰和闩锁效应,并且在SOI衬底上制造LDMOS功率器件可以获得更高的增益和带宽,同时基于SOI衬底可以更容易的实现高阻衬底,从而制造出具有高品质因子的无源器件,其广泛应用于高集成度、高性能、低功耗射频领域。另外,SOI器件和电路对高能粒子入射引起的单粒子翻转效应和高剂量率瞬态辐照效应具有天然的免疫力。但由于其本身存在的固有缺陷,如易受到浮体效应、自加热效应以及电离总剂量辐照的影响,限制了SOI技术在射频领域内更广泛的应用。本文研究了部分耗尽SOIMOS器件的射频特性及其电离辐照加固技术,取得的主要研究成果如下:
1)研究了PDSOI MOSFET的电离总剂量辐照效应机理。结果表明,电离辐照可在PDSOI MOSFET的氧化物中产生显正电性的氧化物陷阱电荷和在Si/SiO2界面产生显正电性或负电性的界面态陷阱电荷及边缘陷阱电荷,这些缺陷的引入会使MOSFET的电学性能明显退化,主要包括:阈值电压漂移、跨导降低、亚阈值泄漏电流增大以及1/f噪声增大等;此外,还从材料、制造工艺、器件结构及电路设计等方面探讨了针对PDSOI MOSFET的电离总剂量加固技术;
2)针对PDSOI RF MOS器件在电离辐照环境内的应用,研究了不同结构的PDSOI RF NMOS和PDSOI N型LDMOS器件的电离总剂量辐照特性,试验结果表明各种器件的在经历总剂量为1Mrad(Si)的γ射线辐照后,器件的静态和射频特性均表现出不同程度的衰退,其中以LBBC型体接触结构器件受电离总剂量辐照影响最小;
3)利用ISE TCAD软件对PDSOI RF LDMOS的关键工艺条件和器件特性进行了仿真和优化,设计出与0.35μm PDSOI CMOS工艺兼容的PDSOI RFLDMOS器件版图及工艺流程,并分析了主要结构和工艺参数对器件性能的影响;
4)基于抗辐照加固0.35μm PDSOI CMOS工艺具体实现了RF NMOSFET和RFN型LDMOS功率器件,研究了不同体接触结构、不同沟道长度的PDSOI RFNMOS器件的电离总剂量辐照和退火后的静态和射频特性。试验结果表明各类型器件均表现出优异的抗辐照性能,其中以LBBC和LTS型体接触器件受电离总剂量辐照影响最小,并且可获得22.39GHz的截止频率和29.9GHz的最高振荡频率;
5)研究了半导体电离辐照探测基本原理和物理机制,探讨了利用SOI背栅作为电离辐照剂量计的可行性,并设计了一种基于SOI技术的可完成不同量级范围测量的新型双探头PMOS电离辐照剂量计,开发出与之相配套的远程在线实时监测系统,经验证可满足空间电离辐照探测需求。此外还探讨了针对此类剂量计的可调整量程的堆叠测量电路结构,及通过对PMOS剂量计的退火过程及偏置条件、退火温度和时间调节的控制,可保证该剂量计的再生利用。
6)研制了一种基于2μm PDSOI CMOS工艺的电离总剂量辐照加固的3线-8线译码器电路,并对其辐照和退火及追加辐照剂量后的电学特性如晶体管的阈值电压漂移、电路的静态电源泄漏电流、传输延迟以及电流电压特性曲线进行了研究。试验表明,该译码器的抗电离辐照总剂量能力达3x105rad(Si),NMOS管和PMOS管的最坏情况下前栅沟道阈值漂移分别小于20mV和70mV,并且在辐照、退火以及后续追加辐照过程中没发现明显的泄漏电流和传输延迟增加,电路的功能并未退化。