Published January 1, 2021 | Version v1
Publication Metadata-only

Design of Drain-Extended MOS Devices Using RESURF Techniques for High Switching Performance and Avalanche Reliability

Creators

  • 1. Indian Institute of Technology Delhi

Description

The drift region of conventional drain extended NMOS (DeNMOSC) is engineered to reduce gate charge for high performance and to enhance avalanche ruggedness for reliability in switching applications. Reduced-surface-field (RESURF) techniques, including surface implant (P-Top), split-gate (SG), and shallow trench isolation (STI), with an optimum doping implant of the drift region, are presented to improve the on-state safe operating area (SOA) and hot carrier stress (HCS) reliability of DeNMOS after the gate charge reduction. It is shown that under unclamped inductive switching (UIS) conditions, the avalanche ruggedness of optimized devices is improved, whereas DeNMOSC shows high susceptibility towards thermal runaway and device failure due to electrothermal effects. Switching performance shows a reduction of up to 46% in total gate charge (Qg) and more than 65% in gate-to-drain coupling charge (Qgd). Moreover, the highest improvement achieved in switching delay is 34%. The high-frequency figure of merits such as FoM1 (RON ×Qgd) and FoM2 (RON ×Qg) show significant improvement of up to 65% and 35%, respectively. The tradeoff in the DC figure of merits FoM3 (VBD/RON) and Baliga-FoM (VBD 2/RON) are also analyzed. Comparative analysis of optimized DeNMOS structures indicates that split gate DeNMOS without STI shows a minimum degradation of DC performance and the most significant improvement in high-frequency performance and switching reliability.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم تصميم منطقة الانجراف لنظام NMOS الممتد للتصريف التقليدي (DeNMOSC) لتقليل رسوم البوابة للأداء العالي ولتعزيز صلابة الانهيار الجليدي من أجل الموثوقية في تطبيقات التبديل. يتم تقديم تقنيات المجال السطحي المنخفض (RESURF)، بما في ذلك الزرع السطحي (P - Top)، والبوابة المقسمة (SG)، وعزل الخندق الضحل (STI)، مع زرع المنشطات الأمثل لمنطقة الانجراف، لتحسين موثوقية منطقة التشغيل الآمنة في الولاية (SOA) والإجهاد الحامل الساخن (HCS) لـ DeNMOS بعد تقليل رسوم البوابة. يتبين أنه في ظل ظروف التبديل الاستقرائي غير المثبت، يتم تحسين صلابة الانهيار الجليدي للأجهزة المحسنة، في حين يظهر DeNMOSC قابلية عالية للهرب الحراري وفشل الجهاز بسبب التأثيرات الحرارية الكهربائية. يُظهر أداء التبديل انخفاضًا يصل إلى 46 ٪ في إجمالي رسوم البوابة (Qg) وأكثر من 65 ٪ في رسوم التوصيل من البوابة إلى المصرف (Qgd). علاوة على ذلك، فإن أعلى تحسن تم تحقيقه في تأخير التبديل هو 34 ٪. يُظهر الرقم عالي التردد للمزايا مثل FoM1 (RON × Qgd) و FoM2 (RON ×Qg) تحسنًا كبيرًا يصل إلى 65 ٪ و 35 ٪ على التوالي. كما يتم تحليل المقايضة في شكل DC لمزايا FoM3 (VBD/RON) و Baliga - FoM (VBD 2/RON). يشير التحليل المقارن لهياكل DeNMOS المحسنة إلى أن تقنية DeNMOS المنفصلة بدون STI تُظهر الحد الأدنى من تدهور أداء التيار المستمر والتحسن الأكثر أهمية في الأداء عالي التردد وموثوقية التبديل.

Translated Description (French)

La région de dérive du NMOS à drain étendu conventionnel (DeNMOSC) est conçue pour réduire la charge de grille pour des performances élevées et pour améliorer la robustesse des avalanches pour une fiabilité dans les applications de commutation. Les techniques à champ de surface réduit (RESURF), y compris l'implant de surface (P-Top), la grille divisée (SG) et l'isolation de tranchée peu profonde (STI), avec un implant de dopage optimal de la région de dérive, sont présentées pour améliorer la fiabilité de la zone de fonctionnement sûre (SOA) et de la contrainte des porteurs chauds (HCS) de DeNMOS après la réduction de la charge de grille. Il est démontré que dans des conditions de commutation inductive non serrée (UIS), la robustesse à l'avalanche des dispositifs optimisés est améliorée, tandis que DeNMOSC montre une forte sensibilité à l'emballement thermique et à la défaillance du dispositif en raison d'effets électrothermiques. Les performances de commutation montrent une réduction allant jusqu'à 46 % de la charge de grille totale (Qg) et plus de 65 % de la charge de couplage grille-drain (Qgd). De plus, l'amélioration la plus élevée obtenue dans le délai de commutation est de 34 %. Le chiffre à haute fréquence des mérites tels que FoM1 (RON ×Qgd) et FoM2 (RON ×Qg) montre une amélioration significative allant jusqu'à 65 % et 35 %, respectivement. Le compromis dans le chiffre DC des mérites FoM3 (VBD/RON) et Baliga-FoM (VBD 2/RON) est également analysé. L'analyse comparative des structures DeNMOS optimisées indique que le DeNMOS à grille divisée sans STI montre une dégradation minimale des performances CC et l'amélioration la plus significative des performances haute fréquence et de la fiabilité de commutation.

Translated Description (Spanish)

La región de deriva del NMOS extendido de drenaje convencional (DeNMOSC) está diseñada para reducir la carga de compuerta para un alto rendimiento y para mejorar la resistencia a las avalanchas para una mayor fiabilidad en las aplicaciones de conmutación. Las técnicas de campo superficial reducido (RESURF), que incluyen el implante de superficie (P-Top), la compuerta dividida (SG) y el aislamiento de zanjas poco profundas (STI), con un implante de dopaje óptimo de la región de deriva, se presentan para mejorar el área de operación segura en estado (SOA) y la confiabilidad del estrés del portador caliente (HCS) de DeNMOS después de la reducción de la carga de la compuerta. Se muestra que en condiciones de conmutación inductiva sin pinzas (UIS), se mejora la resistencia a las avalanchas de los dispositivos optimizados, mientras que DeNMOSC muestra una alta susceptibilidad a la fuga térmica y al fallo del dispositivo debido a los efectos electrotérmicos. El rendimiento de conmutación muestra una reducción de hasta el 46% en la carga total de la puerta (Qg) y más del 65% en la carga de acoplamiento puerta-drenaje (Qgd). Además, la mayor mejora lograda en el retardo de conmutación es del 34%. La cifra de méritos de alta frecuencia como FoM1 (RON ×Qgd) y FoM2 (RON ×Qg) muestran una mejora significativa de hasta el 65% y el 35%, respectivamente. También se analiza la compensación en la cifra de méritos de DC FoM3 (VBD/RON) y Baliga-FoM (VBD 2/RON). El análisis comparativo de las estructuras de DeNMOS optimizadas indica que DeNMOS de compuerta dividida sin STI muestra una degradación mínima del rendimiento de CC y la mejora más significativa en el rendimiento de alta frecuencia y la fiabilidad de conmutación.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصميم أجهزة MOS الممتدة بالصرف باستخدام تقنيات RESURF لأداء التبديل العالي وموثوقية الانهيار الجليدي
Translated title (French)
Conception de dispositifs MOS à drainage étendu utilisant des techniques RESURF pour des performances de commutation et une fiabilité d'avalanche élevées
Translated title (Spanish)
Diseño de dispositivos mos de drenaje extendido utilizando técnicas RESURF para un alto rendimiento de conmutación y fiabilidad de avalancha

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3211977562
DOI
10.1109/access.2021.3128059

Is supplement to
https://openalex.org/W4377090497 (Other)
https://openalex.org/W3148463729 (Other)
https://openalex.org/W2909634183 (Other)
https://openalex.org/W2526810544 (Other)
https://openalex.org/W2299877075 (Other)
https://openalex.org/W2140166667 (Other)
https://openalex.org/W2130063349 (Other)
https://openalex.org/W2109041168 (Other)
https://openalex.org/W2019109655 (Other)
https://openalex.org/W1967131664 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1744512730
  • https://openalex.org/W1840435760
  • https://openalex.org/W1992170744
  • https://openalex.org/W2012761491
  • https://openalex.org/W2018578745
  • https://openalex.org/W2021551845
  • https://openalex.org/W2054356691
  • https://openalex.org/W2055237011
  • https://openalex.org/W2064888796
  • https://openalex.org/W2081910218
  • https://openalex.org/W2102032347
  • https://openalex.org/W2103947167
  • https://openalex.org/W2109036596
  • https://openalex.org/W2117043747
  • https://openalex.org/W2132937502
  • https://openalex.org/W2136724426
  • https://openalex.org/W2140660286
  • https://openalex.org/W2148767971
  • https://openalex.org/W2152734281
  • https://openalex.org/W2159961487
  • https://openalex.org/W2165396019
  • https://openalex.org/W2170076208
  • https://openalex.org/W2291915514
  • https://openalex.org/W2622299559
  • https://openalex.org/W2750271528
  • https://openalex.org/W2772449866
  • https://openalex.org/W2807634980
  • https://openalex.org/W2946827800
  • https://openalex.org/W2980143749
  • https://openalex.org/W3011229307
  • https://openalex.org/W3116311046