GaAs pHEMT和GaN HEMT的高功率电磁效应及机理研究

摘要

高功率电磁(high power electromagnetic，HPEM)是一种高功率、高强度、高频的电磁环境，很容易耦合到电子系统内部，可对电子、电气系统和设施进行干扰、破坏，使之失效、瘫痪。随着高功率电磁脉冲源的不断发展，电子系统所面临的威胁与日俱增。并且，随着微电子技术的不断进步，半导体器件的集成度不断提高，其功耗以及特征尺寸亦随之不断缩小，这导致了半导体器件的电磁敏感阈值不断降低。因此，探索其在高功率电磁环境中的效应规律、失效模式及失效机理对理解电子系统的高功率电磁损伤具有十分重要的意义。
　　本论文采用数值仿真、理论分析和效应实验相结合的方法，以射频前端典型敏感器件GaAs赝配高电子迁移率晶体管(pseudomorphic high electron mobility transistor, pHEMT)为研究对象，对其在Ku和L波段高功率微波(high power microwave，HPM)损伤效应及机理进行了研究。对典型 GaN高电子迁移率晶体管(high electron microwave transistor, HEMT)进行了强电磁脉冲(electromagnetic pulse，EMP)损伤脉宽效应的研究，并对其在直流电应力下的耐压结构进行了优化。主要研究内容及成果如下：
　　1.利用Sentaurus-TCAD构建了基于0.25μm栅长的AlGaAs/GaAs pHEMT的二维电热模型，并依据实验数据，修正了高温条件下材料的热熔及晶格热导率与温度的模型参数。基于损伤模型，仿真研究了 Ku波段 HPM“前门”耦合进入系统的损伤效应与机理。结果表明，GaAs pHEMT的损伤是由于HPM引入大电场及大电流，导致器件内部温度升高与本征激发形成正反馈，往复循环导致温度不断升高。持续性高温导致器件栅极靠近源极一侧出现电流通道，导致栅源短路，因此 HEMT失效。进一步，仿真了栅极耦合电压幅值与漏极偏置状态对 HEMT损伤效应的影响，分别得到HPM耦合电压幅值和漏极偏置电压与烧毁时间的效应规律与经验公式。
　　2.基于构建的AlGaAs/GaAs pHEMT的HPM效应仿真模型，通过对器件内部物理量分布的研究，分析了L波段的HPM损伤效应。研究表明，在L波段HPM作用下，器件温度升高呈现出周期性的“升高-降低-升高”的过程，与信号变化周期相同，在一个信号周期内只出现一次温度的峰值，即在HPM作用的正半周期升高，负半周期下降。当器件局部温度足够高时（≥750K），载流子主要由GaAs材料本征激发提供，其浓度远远大于杂质电离浓度，导致端电流快速增大，器件温度快速上升直至烧毁。器件内部温度峰值位于栅金属下方靠近源极一侧是器件最容易受到损伤的地方。
　　3.分别对 Ku波段和 L波段的 GaAs HEMT低噪声放大器(low noise amplifier, LNA)进行了HPM“前门”注入实验。首先搭建了实验平台、确定了损伤判据并制定了实验步骤。接着，通过对样品栅极注入HPM来模拟“前门”耦合效应。最后，采用晶体管测试仪对损伤样品进行I-V特性曲线测试，并利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)以及能谱仪(energy-dispersive x-ray spectroscopy, EDS)对样品进行了失效分析，给出了LNA的损伤机理。结论表明，无论是Ku波段还是L波段，LNA的损伤都是由第一级GaAs HEMT的烧毁导致的，第二级HEMT并没有明显异常。金相显微镜(metallographic microscope)和扫描电子显微镜分析表明损伤样品第一级器件的栅极下方区域均出现不同程度的热击穿点，且剖层制样观察显示栅极条下方存在熔坑。实验结果与仿真得到的结论一致；
　　4.建立了一种新型 GaN异质结高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)在EMP作用下的二维电热模型，模型引入材料固有的极化效应，高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应。以栅极注入功率33dBm，上升沿1 ns的EMP为例，分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应，对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究。结果表明，器件内部整体温升速率呈现出“快速-缓慢-急剧”的趋势。当器件局部温度足够高时（≥2000K），该位置热电子发射与温度升高形成正反馈，导致温度急剧升高直至烧毁。栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位，严重影响器件的特性和可靠性。通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系。随着脉宽的增加，损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大。
　　5.研究了GaN HEMT器件在截止状态下的耐压特性。基于实验结果，优化了GaN材料的碰撞电离系数，分别仿真了掺杂浓度从2×1016 cm-3到5×1019 cm-3下的N型及P型GaN帽层结构的击穿电压。仿真结果表明，在同样的掺杂浓度下，具有P型的GaN帽层的GaN/AlGaN/GaN HEMT结构可以获得更大的击穿电压，这是由于P型帽层中的离化负电荷可以更好地调制HEMT表面电场，获得更好的RESURF效应。另外，本文提出了一种新型的带有P型埋层的GaN HEMT结构，P型埋层位于栅极和漏极之间的缓冲层内，该结构有效地将耗尽区宽度展宽，并且在P型埋层的左边缘引入了电场峰值，因此可将 GaN HEMT的击穿电压提高至640V,与未掺杂的GaN/AlGaN/GaN HEMT相比，击穿电压提高了12％。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究趋势和现状

1.3论文的研究目的、内容与结构安排

第二章 电子系统的电磁损伤效应与机理

2.1典型的电磁脉冲

2.2电子系统电磁脉冲的耦合作用及效应分类

2.3电磁脉冲防护技术

2.4半导体器件HPEM效应及失效机理

2.5本章小结

第三章 AlGaAs/GaAs HEMT HPM损伤效应机理

3.1 AlGaAs/GaAs基本理论

3.2 AlGaAs/GaAs仿真模型构建

3.3 GaAs pHEMT基本特性仿真

3.4 Ku 波段GaAs pHEMT HPM损伤效应

3.5 L波段GaAs pHEMT HPM损伤效应

3.6本章小结

第四章 GaAs低噪声放大器效应实验

4.1实验方案

4.2损伤判据

4.3实验分析与讨论

4.4本章小结

第五章 GaN HEMT EMP损伤效应与机理

5.1 GaN HEMT基本结构与特性

5.2 GaN 仿真模型构建

5.3 EMP作用下GaN HEMT的损伤机理

5.4 GaN HEMT EMP损伤的脉宽效应

5.5本章小结

第六章 GaN HEMT 耐压机理研究

6.1 AlGaN/GaN HEMT的表面电场

6.2 GaN帽层对表面电场的影响

6.3带有局域P埋层的HEMT结构设计与电场优化

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

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