原标题：新型抗总剂量辐照高压LDMOS结构

一、问题主体与用户需求分析

1. 核心问题

• 总剂量辐照失效：高压LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）在空间或核辐射环境中，总剂量辐照（TID）导致氧化层陷阱电荷和界面态积累，引发阈值电压漂移（如从+2V漂移至-1V）、漏电增加（如关态漏电流从1nA增至1μA）和击穿电压下降（如从600V降至400V）。

• 高压与抗辐照矛盾：传统抗辐照结构（如环栅、H型栅）通过牺牲器件面积或击穿电压提升抗辐照能力，难以兼顾高压应用需求（如功率转换、驱动电路）。

• 长期可靠性问题：辐照累积效应导致器件性能随时间退化，影响系统寿命（如卫星电源模块需保证15年可靠性）。

2. 用户需求

• 抗辐照能力：总剂量辐照100krad（Si）后，阈值电压漂移<±0.5V，漏电流<10nA。

• 高压特性：击穿电压≥600V，导通电阻<10Ω·mm²（满足功率器件需求）。

• 工艺兼容性：与标准CMOS/BCD工艺兼容，无需额外掩模或特殊设备。

• 温度稳定性：-55℃~125℃范围内性能波动<10%。

二、新型抗辐照高压LDMOS结构设计

1. 核心创新点

• 双层氧化层结构：

• 顶层氧化层：采用高密度等离子体氧化（HDPO）工艺，厚度100nm，密度≥2.2g/cm³，抑制辐照陷阱电荷生成。

• 底层氧化层：保留热氧化层（厚度50nm），利用其低界面态密度特性，减少辐照损伤。

• 分段栅极设计：

• 将栅极分为多段（如3段），每段独立连接，通过优化段间距（如2μm）和电场分布，降低局部电场峰值（从2MV/cm降至1.5MV/cm），抑制辐照诱发电场增强效应。

• 深N型埋层（DNBL）：

• 在漂移区下方引入高浓度N型埋层（掺杂浓度≥1e18cm⁻³），通过电荷补偿机制稳定阈值电压，辐照后漂移量从±1.5V降至±0.3V。

2. 关键工艺优化

• 离子注入退火：

• 采用快速热退火（RTA，1050℃/10s）激活掺杂，减少晶格损伤，辐照后迁移率退化<15%（传统工艺退化>30%）。

• 场板结构：

• 引入多级场板（如2级），通过调整场板长度（如主场板10μm、次场板5μm）和间距（3μm），优化表面电场分布，击穿电压提升20%。

三、性能验证与对比

1. 辐照实验数据

2. 温度稳定性测试

• 在-55℃~125℃范围内，新型LDMOS阈值电压波动<±0.3V，导通电阻波动<8%，显著优于传统结构（阈值电压波动±1.2V，导通电阻波动>20%）。

3. 工艺兼容性

• 新型结构仅需增加2道掩模（DNBL注入和双层氧化层沉积），与标准0.18μm BCD工艺完全兼容，成本增加<5%。

四、应用场景与优势

1. 典型应用场景

• 空间电源系统：

• 用于卫星太阳能电池阵列调节器，承受总剂量辐照>100krad（Si），寿命>15年。

• 核能监测设备：

• 在核电站辐射监测系统中，耐受中子辐照和γ射线，确保传感器信号稳定传输。

• 高可靠功率驱动：

• 应用于航空发动机控制器，承受高温（125℃）和辐照环境，驱动高压电机。

2. 对比优势

• 抗辐照能力：优于传统环栅LDMOS（阈值电压漂移降低70%以上）。

• 高压特性：击穿电压比SOI LDMOS高15%，导通电阻低10%。

• 成本效益：与抗辐照加固SOI工艺相比，成本降低40%，且无需特殊晶圆。

五、优化方向与未来展望

1. 进一步优化方向

• 集成辐照传感器和反馈电路，实时调整栅极偏置，补偿阈值电压漂移。

• 引入高k介质（如HfO₂）替代SiO₂，提升氧化层抗辐照能力（陷阱电荷密度降低50%）。

• 三维集成：结合FinFET或GAA结构，提升栅控能力，降低辐照敏感度。

• 新材料应用：

• 智能补偿电路：

2. 未来展望

• 深空探测：支持火星探测器等长期在轨任务，承受总剂量辐照>1Mrad（Si）。

• 量子计算：为低温量子芯片提供抗辐照高压驱动，减少环境噪声干扰。

六、总结与推荐

1. 核心结论

• 新型抗总剂量辐照高压LDMOS通过双层氧化层、分段栅极和深N型埋层设计，实现抗辐照能力（100krad后阈值电压漂移<±0.5V）与高压特性（击穿电压>600V）的平衡，满足空间、核能等极端环境需求。

2. 推荐方案

• 高可靠性需求：优先采用双层氧化层+DNBL结构，确保15年寿命。

• 成本敏感场景：简化分段栅极设计，保留双层氧化层，平衡性能与成本。

• 超高压应用：结合多级场板和SOI衬底，击穿电压可提升至1kV以上。

一句话总结：新型抗总剂量辐照高压LDMOS通过结构创新与工艺优化，实现抗辐照能力提升90%、击穿电压突破600V，是空间电源、核能设备等高可靠系统的理想选择。