mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-6-86-94KOATTEmireabulletin-1296Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSВлияние встраивания поверхностных состояний на стойкость мощных металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов к электростатическому разрядуInterface traps build-up and its influence on electrostatic discharge robustness of high-power metal-oxide-semiconductor field-effect transistorhttps://orcid.org/0009-0000-8670-812XБакеренковаД. М.BakerenkovaD. M.

Бакеренкова Диана Максимовна, инженер-испытатель

140080, Московская обл., г. Лыткарино, промзона Тураево, стр. 8  

Diana M. Bakerenkova, Test Engineer

8, Turaevo Industrial Area, Lytkarino, Moscow oblast, 140080  

arzamasceva.diana@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-1198-980XПетровА. С.PetrovA. S.

Петров Александр Сергеевич, к.т.н., начальник отдела 

140080, Московская обл., г. Лыткарино, промзона Тураево, стр. 8 

Scopus Author ID 7401779679 

Aleksandr S. Petrov, Cand. Sci. (Eng.), Head of Department 

8, Turaevo Industrial Area, Lytkarino, Moscow oblast, 140080 

Scopus Author ID 7401779679 

as_petrov@inbox.ruАО «Научно-исследовательский институт приборов»РоссияResearch Institute of Scientific InstrumentsRussian Federation2025051220251368694Copyright © Бакеренкова Д.М., Петров А.С., 20252025Бакеренкова Д.М., Петров А.С.Bakerenkova D.M., Petrov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1296Цели

Цели. Целью исследования является проверка гипотезы о том, что стойкость мощных металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (МОПТ) к электростатическому разряду (ЭСР) после гамма-облучения определяется концентрацией встроившихся в процессе облучения поверхностных состояний (ПС). Причиной такой зависимости является деградация коэффициента усиления паразитного биполярного транзистора в структуре мощных МОПТ при накоплении ПС. Как следствие, для включения паразитного биполярного транзистора и последующего выхода из строя МОПТ требуется все большее напряжение импульса ЭСР.

Методы

Методы. Теоретическое описание физического механизма накопления ПС и его влияния на стойкость мощных МОПТ к ЭСР. Экспериментальные исследования, включающие определение стойкости к ЭСР двух типов необлученных МОПТ с помощью специально разработанного генератора ЭСР, облучение гаммаквантами 60Co в активном электрическом режиме до нескольких уровней поглощенной дозы и последующее определение стойкости облученных образцов к ЭСР.

Результаты

Результаты. Разработан метод, позволяющий численно рассчитать зависимости тока стока от напряжения затвор-исток для любых значений плотности накопленного радиационно-индуцированного заряда и концентрации встроившихся ПС. Показано, что для 1-го типа МОПТ при облучении до уровня поглощенной дозы в 3 крад встраивание ПС не происходило, и также не наблюдалось изменение пробивного напряжения при воздействии ЭСР или наблюдалось его незначительное снижение. Для 2-го типа МОПТ наблюдалось встраивание ПС при облучении до уровня поглощенной дозы в 2 и 4 крад, а также увеличение пробивного напряжения при воздействии ЭСР.

Выводы

Выводы. Показана связь между концентрацией встроившихся ПС и изменением стойкости мощных МОПТ к ЭСР. Полученные результаты могут быть использованы при оценке времени безотказной работы устройств, работающих в условиях одновременного воздействия радиационных и импульсных электрических нагрузок. 

Objectives

Objectives. The aim of the study is to confirm that the robustness of high-power metal–oxide–semiconductor fieldeffect transistor (MOSFET) to electrostatic discharge (ESD) after gamma irradiation is determined by the concentration of built-up interface traps (IT). The reason for such dependence is the degradation of the gain of the parasitic bipolar transistor in the structure of high-power MOSFETs during accumulation of IT. As a result, higher ESD pulse voltage is required to activate the parasitic bipolar transistor and cause the subsequent catastrophic failure of MOSFET.

Methods

Methods. The study describes the physical mechanism of the influence of IT accumulation on the robustness of highpower MOSFETs to ESD. Experimental studies included determination of ESD robustness for two types of highpower MOSFETs before irradiation, 60Co gamma irradiation to several levels of total ionizing dose, and subsequent determination of the ESD robustness of irradiated samples.

Results

Results. The study developed a method for calculating IT concentration and radiation-induced charge density from subthreshold drain-gate characteristics. It was also shown that for the first type of MOSFET, when irradiated to total ionizing dose level of 3 krad, the build-up IT did not occur, nor was any change or insignificant decrease in the breakdown voltage observed when exposed to ESD. For the second type of MOSFET, build-up IT was observed when irradiated to total ionizing dose level of 2 and 4 krad and an increase in the breakdown voltage was also observed when exposed to ESD.

Conclusions

Conclusions. The study shows the relationship between the IT concentration and the change in the breakdown voltage when exposed to ESD. The results obtained can be used to assess the failure-free operation time of devices operating under conditions of ionizing radiation and electrostatic discharges. 

электростатический разрядрадиационные эффектыповерхностные состояниямощные МОП-транзисторыelectrostatic dischargeradiation effectsinterface trapshigh-power MOSFETsReferencesПадернов В.П., Силкин Д.С., Горячкин Ю.В., Хапугин А.А., Гришанин А.В. Влияние протонного облучения на напряжение пробоя высоковольтного p–n перехода. Радиотехника и электроника. 2017;62(6):596–600. https://www.elibrary.ru/ysugwjPaderov V.P., Silkin D.S., Goryachkin Yu.V., et al. Effect of proton irradiation on the breakdown voltage of a highvoltage p–n junction. J. Commun. Technol. Electron. 2017;62(6):616–620. https://doi.org/10.1134/S1064226917060158 Original Russian Text: Paderov V.P., Silkin D.S., Goryachkin Yu.V., Khapugin A.A., Grishanin A.V. Effect of proton irradiation on the breakdown voltage of a high-voltage p–n junction. Radiotekhnika i ehlektronika. 2017;62(6):596–600 (in Russ.). https://www.elibrary.ru/ysugwjShu L., Zhao Y.-F., Galloway K.F., Wang L., Wang X.-S., Yuan Z.-Y., Zhou X., Chen W.-P., Qiao M., Wang T.-Q. Effect of Drift Length on Shifts in 400-V SOI LDMOS Breakdown Voltage Due to TID. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2020;67(11): 2392–2395. https://doi.org/10.1109/TNS.2020.2970743Shu L., Zhao Y.-F., Galloway K.F., Wang L., Wang X.-S., Yuan Z.-Y., Zhou X., Chen W.-P., Qiao M., Wang T.-Q. Effect of Drift Length on Shifts in 400-V SOI LDMOS Breakdown Voltage Due to TID. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2020;67(11): 2392–2395. https://doi.org/10.1109/TNS.2020.2970743Zhou X., Chen L., Chen C., Qiao M., Li Z., Zhang B. New Insight into Total-Ionizing-Dose Effect-Induced Breakdown Voltage Degradation for SOI LDMOS: Irradiation Charge Field Modulation. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2023;70(4):659–666. https://doi.org/10.1109/TNS.2022.3231877Zhou X., Chen L., Chen C., Qiao M., Li Z., Zhang B. New Insight into Total-Ionizing-Dose Effect-Induced Breakdown Voltage Degradation for SOI LDMOS: Irradiation Charge Field Modulation. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2023;70(4):659–666. https://doi.org/10.1109/TNS.2022.3231877Seehra S.S., Slusark W.J. The Effect of Operating Conditions on the Radiation Resistance of VDMOS Power FETs. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1982;29(6):1559–1563. https://doi.org/10.1109/TNS.1982.4336404Seehra S.S., Slusark W.J. The Effect of Operating Conditions on the Radiation Resistance of VDMOS Power FETs. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1982;29(6):1559–1563. https://doi.org/10.1109/TNS.1982.4336404Blackburn D.L., Benedetto J.M., Galloway K.F. The Effect of Ionizing Radiation on the Breakdown Voltage of Power MOSFETS. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983;30(6):4116–4121. https://doi.org/10.1109/TNS.1983.4333092Blackburn D.L., Benedetto J.M., Galloway K.F. The Effect of Ionizing Radiation on the Breakdown Voltage of Power MOSFETS. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983;30(6):4116–4121. https://doi.org/10.1109/TNS.1983.4333092Liang W., Alexandrou K., Klebanov M., Kuo C.-C., Kymissis I., Sundaram K.B., Liou J.J. Characterization of ESD protection devices under total ionizing dose irradiation. In: IEEE 24th International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA), Chengdu, China: 2017. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/IPFA.2017.8060225Liang W., Alexandrou K., Klebanov M., Kuo C.-C., Kymissis I., Sundaram K.B., Liou J.J. Characterization of ESD protection devices under total ionizing dose irradiation. In: IEEE 24th International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA), Chengdu, China: 2017. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/IPFA.2017.8060225Wu M., Lu W., Zhang C., Peng W., Zeng Y., Jin H., Xu J., Chen Z. The impact of radiation and temperature effects on dual-direction SCR devices for on-chip ESD protections. Semicond. Sci. Technol. 2020;35(4):045016. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab74edWu M., Lu W., Zhang C., Peng W., Zeng Y., Jin H., Xu J., Chen Z. The impact of radiation and temperature effects on dual-direction SCR devices for on-chip ESD protections. Semicond. Sci. Technol. 2020;35(4):045016. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab74edАрзамасцева Д.М., Петров А.С., Таперо К.И. Влияние предварительного гамма-облучения на деградацию мощных n-МОПТ при воздействии электростатического разряда. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2023;3:19–22.Arzamastseva D.М., Petrov А.S., Tapero К.I. Effect of Preliminary Gamma Irradiation on Degradation of Power N-MOS Transistors Influenced by Electrical Static Discharge. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeistviya na radioehlektronnuyu apparaturu. 2023;3:19–22 (in Russ.).Bakerenkov A.S., Felitsyn V.A., Chubunov P.A., Skorkin I.V. Temperature Dependence of Surface Recombination Current in Bipolar Transistors. In: 5th International Conference on Radiation Effects of Electronic Devices (ICREED). Kunming, China: 2023. https://doi.org/10.1109/ICREED59404.2023.10390896Bakerenkov A.S., Felitsyn V.A., Chubunov P.A., Skorkin I.V. Temperature Dependence of Surface Recombination Current in Bipolar Transistors. In: 5th International Conference on Radiation Effects of Electronic Devices (ICREED). Kunming, China: 2023. https://doi.org/10.1109/ICREED59404.2023.10390896Kosier S.L., Schrimpf R.D., Nowlin R.N., Fleetwood D.M., DeLaus M., Pease R.L. Charge Separation for Bipolar Transistors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1993;40(6):1276–1285. https://doi.org/10.1109/23.273541Kosier S.L., Schrimpf R.D., Nowlin R.N., Fleetwood D.M., DeLaus M., Pease R.L. Charge Separation for Bipolar Transistors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1993;40(6):1276–1285. https://doi.org/10.1109/23.273541Lenahan P.M., Dressendorfer P.V. An Electron Spin Resonance Study of Radiation Induced Electrically Active Paramagnetic Centers at the Si/SiO 2 Interface. J. Appl. Phys. 1983;54(3):1457–1460. https://doi.org/10.1063/1.332171Lenahan P.M., Dressendorfer P.V. An Electron Spin Resonance Study of Radiation Induced Electrically Active Paramagnetic Centers at the Si/SiO 2 Interface. J. Appl. Phys. 1983;54(3):1457–1460. https://doi.org/10.1063/1.332171McLean F.B. A Framework for Understanding Radiation-Induced Interface States in SiO2 MOS Structures. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1980;27(6):1651–1657. https://doi.org/10.1109/TNS.1980.4331084McLean F.B. A Framework for Understanding Radiation-Induced Interface States in SiO2 MOS Structures. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1980;27(6):1651–1657. https://doi.org/10.1109/TNS.1980.4331084Winokur P.S., McGarrity J.M., Boesch H.E. Dependence of Interface-State Buildup on Hole Generation and Transport in Irradiated MOS Capacitors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1976;23(6):1580–1585. https://doi.org/10.1109/TNS.1976.4328543Winokur P.S., McGarrity J.M., Boesch H.E. Dependence of Interface-State Buildup on Hole Generation and Transport in Irradiated MOS Capacitors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1976;23(6):1580–1585. https://doi.org/10.1109/TNS.1976.4328543Reichert G., Raynaud C., Faynot O., Balestra F., Cristoloveanu S. Temperature dependence (300–600 K) of parasitic bipolar effects in SOI-MOSFETs. In: Proceedings of the 7th European Solid-State Device Research Conference. 1997.Reichert G., Raynaud C., Faynot O., Balestra F., Cristoloveanu S. Temperature dependence (300–600 K) of parasitic bipolar effects in SOI-MOSFETs. In: Proceedings of the 7th European Solid-State Device Research Conference. 1997.Saks N.S., Dozier C.M., Brown D.B. Time Dependence of Interface Trap Formation in MOSFETs Following Pulsed Irradiation IEEE Trans. Nucl. Sci. 1988;35(6):1168–1177. https://doi.org/10.1109/23.25435Saks N.S., Dozier C.M., Brown D.B. Time Dependence of Interface Trap Formation in MOSFETs Following Pulsed Irradiation IEEE Trans. Nucl. Sci. 1988;35(6):1168–1177. https://doi.org/10.1109/23.25435Winokur P.S., Boesch H.E., McGarrity J.M., McLean F.B. Field- and Time-Dependent Radiation Effects at the Si/SiO2 Interface of Hardened MOS Capacitors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1977;24(6):2113–2118. https://doi.org/10.1109/TNS.1977.4329176Winokur P.S., Boesch H.E., McGarrity J.M., McLean F.B. Field- and Time-Dependent Radiation Effects at the Si/SiO2 Interface of Hardened MOS Capacitors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1977;24(6):2113–2118. https://doi.org/10.1109/TNS.1977.4329176McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal-oxide-semiconductor transistors. Appl. Phys. Lett. 1986;48(2):133–135. https://doi.org/10.1063/1.96974McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal-oxide-semiconductor transistors. Appl. Phys. Lett. 1986;48(2):133–135. https://doi.org/10.1063/1.96974Schwank J.R., Shaneyfelt M.R., Fleetwood D.M., Felix J.A., Dodd P.E., Paillet P., Ferlet-Cavrois V. Radiation Effects in MOS Oxides IEEE Trans. Nucl. Sci. 2008;55(4):1833–1853. https://doi.org/10.1109/TNS.2008.2001040Schwank J.R., Shaneyfelt M.R., Fleetwood D.M., Felix J.A., Dodd P.E., Paillet P., Ferlet-Cavrois V. Radiation Effects in MOS Oxides IEEE Trans. Nucl. Sci. 2008;55(4):1833–1853. https://doi.org/10.1109/TNS.2008.2001040

The authors declare that there are no conflicts of interest present.