CMOS反相器和GaAs HEMT器件的HPM效应研究

摘要

高功率微波(high power microwave,HPM)极易通过耦合途径作用到电子系统上，并导致其发生扰乱、退化甚至损伤效应，给电子系统带来极大威胁。HPM技术的不断发展使得这种威胁持续升级。微电子元器件是电子系统的基本单元，所以微电子器件的HPM效应是系统HPM效应的根本所在。然而微电子器件高集成、低功耗、高性能的发展趋势伴随而来的是其HPM敏感性不断增强。因此，针对不同类别电子系统中典型器件进行HPM效应及机理研究，是HPM技术研究不可或缺的部分，更是微电子器件与电路可靠性领域的重要课题之一。本论文研究成果可以为微电子学及电子信息对抗技术发展提供理论依据和实验参考，具有重要的实际应用意义。
　　本论文以HPM作用下电子系统“后门”和“前门”通道中的典型易损器件Si基CMOS反相器和GaAs HEMT为研究对象，采用理论分析、数值仿真和效应实验相结合的方法对二者的HPM效应与机理进行研究。主要研究成果如下：
　　1.利用Sentaurus-TCAD仿真软件建立了基于0.5μm CMOS工艺的CMOS反相器仿真模型，构造了HPM等效信号。仿真得到了HPM引发的CMOS反相器功能扰乱效应和电源电流特性，研究了器件瞬态响应与内部物理量分布。研究表明，扰乱效应是由于HPM触发闩锁效应进而导致在电源和地之间形成一条低阻抗电流通道，从而使反相器失去正常反相功能。器件热效应分析表明，HPM作用下器件内部高温热点会随着作用时间的推移而发生转移。研究了CMOS反相器的HPM直接损伤效应，得到了不同HPM脉宽下反相器损伤效应的阈值变化规律和经验公式；
　　2.基于CMOS反相器仿真模型，研究了温度变化对反相器HPM扰乱效应的影响。研究表明，反相器所处环境温度越高对HPM越敏感，这一结论得到了实验数据的验证，同时又扩充了实验数据所适用的温度范围。研究认为，衬底电阻增大是环境温度升高时反相器HPM扰乱效应敏感性增加的主要原因。仿真得到了HPM引起的反相器闩锁延时特性，通过对温度分布影响的分析，论文指出闩锁延时特性与热边界条件密切相关，器件内部平均温度持续上升导致闩锁效应的大电流通路阻抗增大，从而使得闩锁效应难以继续维持，这一结论为文献中报道的闩锁延时特性提供了微观解释；
　　3.从CMOS反相器的HPM扰乱效应机理出发，建立了考虑HPM脉宽效应和频率影响的扰乱效应阈值解析模型，并利用仿真结果和实验数据对解析模型进行了验证。研究认为，HPM导致的过剩载流子注入主导晶体管的电流放大过程，对扰乱效应至关重要。HPM扰乱脉宽效应可以用反相器寄生晶体管基区过剩载流子随时间的累积效应来解释；而HPM频率对扰乱效应的影响则是由于HPM频率较高时器件内部交变电场变化太快以致于载流子无法响应，从而影响了p型衬底中的注入电荷总量和过剩载流子浓度分布。利用解析模型研究了结构参数LB对扰乱效应的影响，结果表明LB较小的CMOS反相器对HPM更敏感，这一结论得到了仿真结果的验证；
　　4.构建了双δ掺杂结构GaAs pHEMT仿真模型，并对模型参数进行了修正。对器件的直流特性曲线进行了仿真，重点研究了HEMT器件的HPM损伤和退化效应及机理。研究表明，GaAs HEMT的HPM损伤机理为栅金属下方靠近源极一侧出现的电流通道及强场引发温度持续升高导致器件烧毁。仿真观察到了GaAs HEMT的HPM损伤脉宽效应并得到表征脉宽效应的经验公式。分析认为HPM能够引起HEMT栅极金属扩散并导致其肖特基结结构退化，仿真结果表明HPM引起的结构退化会导致器件饱和漏电流减小，转移特性曲线正向漂移，关断电压增大，峰值跨导增大，小信号电流增益|h21|和功率增益明显退化；
　　5.进行了GaAs HEMT两级级联低噪放(low noise amplifier,LNA)的HPM注入实验研究。结果表明在 HPM作用下LNA的小信号增益可能会发生退化，严重时器件毁伤，且这种特性退化和器件毁伤是不可恢复的、永久性的。实验表明LNA噪声系数对HPM功率注入同样敏感，小信号增益和噪声系数可以作为器件损伤和参数退化的判据，输出功率和实时增益虽然对注入功率也敏感，但是随着注入功率的增大并没有呈现出规律性的变化趋势。实验得到了不同HPM脉宽下LNA损伤和退化功率阈值，损伤阈值规律与仿真得到的经验公式吻合较好。实验还指出LNA的HPM退化也表现出脉宽效应，即退化功率阈值随着脉宽减小而增大，但当脉宽很低时LNA直接损伤而不经过退化过程。失效分析结果表明，LNA失效是由其第一级HEMT失效造成。通过金相显微镜和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察指出损伤样品的第一级HEMT栅极金属附近靠近源极一侧存在热击穿点，与仿真结果和HPM损伤机理分析一致。退化LNA第一级HEMT的SEM形貌显示其栅金属条下方存在异常坑，为退化机理分析提供了物理依据。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状和趋势

1.3论文研究思路和内容安排

第二章 电子系统HPM效应理论基础

2.1 HPM技术概述

2.2电子系统HPM效应及分类

2.3常见微电子元器件HPM效应机理

2.4本章小结

第三章 CMOS反相器的HPM扰乱和损伤效应及机理

3.1 CMOS反相器基本理论

3.2 HPM效应仿真模型构建

3.3仿真结果与分析

3.4本章小结

第四章 CMOS反相器HPM扰乱效应的影响因素研究

4.1温度对CMOS反相器HPM扰乱效应的影响

4.2 CMOS反相器的HPM扰乱脉宽效应

4.3 HPM频率对CMOS反相器扰乱效应的影响

4.4器件结构参数LB对HPM扰乱效应的影响

4.5本章小结

第五章GaAs HEMT的HPM损伤和退化效应及机理

5.1GaAs HEMT基本结构与特性

5.2GaAs HEMT仿真模型构建

5.3GaAs HEMT基本特性仿真

5.4GaAs HEMT的HPM效应仿真分析

5.5本章小结

第六章GaAs HEMT低噪放HPM效应实验研究

6.1实验方案

6.2实验结果与讨论

6.3样品失效分析

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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