CMOS反相器和GaAs HEMT器件的HPM效應(yīng)研究.pdf

1、高功率微波(high power microwave,HPM)極易通過耦合途徑作用到電子系統(tǒng)上，并導(dǎo)致其發(fā)生擾亂、退化甚至損傷效應(yīng)，給電子系統(tǒng)帶來極大威脅。HPM技術(shù)的不斷發(fā)展使得這種威脅持續(xù)升級。微電子元器件是電子系統(tǒng)的基本單元，所以微電子器件的HPM效應(yīng)是系統(tǒng)HPM效應(yīng)的根本所在。然而微電子器件高集成、低功耗、高性能的發(fā)展趨勢伴隨而來的是其HPM敏感性不斷增強(qiáng)。因此，針對不同類別電子系統(tǒng)中典型器件進(jìn)行HPM效應(yīng)及機(jī)理研究，是HPM技

2、術(shù)研究不可或缺的部分，更是微電子器件與電路可靠性領(lǐng)域的重要課題之一。本論文研究成果可以為微電子學(xué)及電子信息對抗技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)和實驗參考，具有重要的實際應(yīng)用意義。
　　本論文以HPM作用下電子系統(tǒng)“后門”和“前門”通道中的典型易損器件Si基CMOS反相器和GaAs HEMT為研究對象，采用理論分析、數(shù)值仿真和效應(yīng)實驗相結(jié)合的方法對二者的HPM效應(yīng)與機(jī)理進(jìn)行研究。主要研究成果如下：
　　1.利用Sentaurus-TCAD

3、仿真軟件建立了基于0.5μm CMOS工藝的CMOS反相器仿真模型，構(gòu)造了HPM等效信號。仿真得到了HPM引發(fā)的CMOS反相器功能擾亂效應(yīng)和電源電流特性，研究了器件瞬態(tài)響應(yīng)與內(nèi)部物理量分布。研究表明，擾亂效應(yīng)是由于HPM觸發(fā)閂鎖效應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致在電源和地之間形成一條低阻抗電流通道，從而使反相器失去正常反相功能。器件熱效應(yīng)分析表明，HPM作用下器件內(nèi)部高溫?zé)狳c會隨著作用時間的推移而發(fā)生轉(zhuǎn)移。研究了CMOS反相器的HPM直接損傷效應(yīng)，得到了不同

4、HPM脈寬下反相器損傷效應(yīng)的閾值變化規(guī)律和經(jīng)驗公式；
　　2.基于CMOS反相器仿真模型，研究了溫度變化對反相器HPM擾亂效應(yīng)的影響。研究表明，反相器所處環(huán)境溫度越高對HPM越敏感，這一結(jié)論得到了實驗數(shù)據(jù)的驗證，同時又?jǐn)U充了實驗數(shù)據(jù)所適用的溫度范圍。研究認(rèn)為，襯底電阻增大是環(huán)境溫度升高時反相器HPM擾亂效應(yīng)敏感性增加的主要原因。仿真得到了HPM引起的反相器閂鎖延時特性，通過對溫度分布影響的分析，論文指出閂鎖延時特性與熱邊界條件密切

5、相關(guān)，器件內(nèi)部平均溫度持續(xù)上升導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)的大電流通路阻抗增大，從而使得閂鎖效應(yīng)難以繼續(xù)維持，這一結(jié)論為文獻(xiàn)中報道的閂鎖延時特性提供了微觀解釋；
　　3.從CMOS反相器的HPM擾亂效應(yīng)機(jī)理出發(fā)，建立了考慮HPM脈寬效應(yīng)和頻率影響的擾亂效應(yīng)閾值解析模型，并利用仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對解析模型進(jìn)行了驗證。研究認(rèn)為，HPM導(dǎo)致的過剩載流子注入主導(dǎo)晶體管的電流放大過程，對擾亂效應(yīng)至關(guān)重要。HPM擾亂脈寬效應(yīng)可以用反相器寄生晶體管基區(qū)過剩載流

6、子隨時間的累積效應(yīng)來解釋；而HPM頻率對擾亂效應(yīng)的影響則是由于HPM頻率較高時器件內(nèi)部交變電場變化太快以致于載流子無法響應(yīng)，從而影響了p型襯底中的注入電荷總量和過剩載流子濃度分布。利用解析模型研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)LB對擾亂效應(yīng)的影響，結(jié)果表明LB較小的CMOS反相器對HPM更敏感，這一結(jié)論得到了仿真結(jié)果的驗證；
　　4.構(gòu)建了雙δ摻雜結(jié)構(gòu)GaAs pHEMT仿真模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行了修正。對器件的直流特性曲線進(jìn)行了仿真，重點研究了HE

7、MT器件的HPM損傷和退化效應(yīng)及機(jī)理。研究表明，GaAs HEMT的HPM損傷機(jī)理為柵金屬下方靠近源極一側(cè)出現(xiàn)的電流通道及強(qiáng)場引發(fā)溫度持續(xù)升高導(dǎo)致器件燒毀。仿真觀察到了GaAs HEMT的HPM損傷脈寬效應(yīng)并得到表征脈寬效應(yīng)的經(jīng)驗公式。分析認(rèn)為HPM能夠引起HEMT柵極金屬擴(kuò)散并導(dǎo)致其肖特基結(jié)結(jié)構(gòu)退化，仿真結(jié)果表明HPM引起的結(jié)構(gòu)退化會導(dǎo)致器件飽和漏電流減小，轉(zhuǎn)移特性曲線正向漂移，關(guān)斷電壓增大，峰值跨導(dǎo)增大，小信號電流增益|h21|和功

8、率增益明顯退化；
　　5.進(jìn)行了GaAs HEMT兩級級聯(lián)低噪放(low noise amplifier,LNA)的HPM注入實驗研究。結(jié)果表明在 HPM作用下LNA的小信號增益可能會發(fā)生退化，嚴(yán)重時器件毀傷，且這種特性退化和器件毀傷是不可恢復(fù)的、永久性的。實驗表明LNA噪聲系數(shù)對HPM功率注入同樣敏感，小信號增益和噪聲系數(shù)可以作為器件損傷和參數(shù)退化的判據(jù)，輸出功率和實時增益雖然對注入功率也敏感，但是隨著注入功率的增大并沒有呈現(xiàn)出

9、規(guī)律性的變化趨勢。實驗得到了不同HPM脈寬下LNA損傷和退化功率閾值，損傷閾值規(guī)律與仿真得到的經(jīng)驗公式吻合較好。實驗還指出LNA的HPM退化也表現(xiàn)出脈寬效應(yīng)，即退化功率閾值隨著脈寬減小而增大，但當(dāng)脈寬很低時LNA直接損傷而不經(jīng)過退化過程。失效分析結(jié)果表明，LNA失效是由其第一級HEMT失效造成。通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察指出損傷樣品的第一級HEMT柵極金屬附近靠