《電子技術(shù)應(yīng)用》
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T型柵GaN HEMT微波器件ESD特性研究
電子技術(shù)應(yīng)用
倪志遠(yuǎn)，白霖，林罡，鮑誠(chéng)，章軍云
南京電子器件研究所
摘要： 對(duì)Si基GaN HEMT器件在ESD事件下的失效機(jī)理與影響因素進(jìn)行了研究。探究了器件在不同偏置下的失效電壓分布情況，并結(jié)合微光顯微鏡定位了引起器件退化的異常點(diǎn)，進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的微區(qū)分析。另外，還探究了T型柵幾何尺寸如柵腳、柵帽寬度與總柵寬等工藝參數(shù)對(duì)器件抗靜電能力的影響并進(jìn)行相關(guān)機(jī)理分析，為器件ESD性能、可靠性的優(yōu)化提供了方向與參考。
關(guān)鍵詞： GaNHEMT T型柵 ESD 柵腳柵帽 總柵寬
中圖分類(lèi)號(hào)：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246116
中文引用格式： 倪志遠(yuǎn)，白霖，林罡，等. T型柵GaN HEMT微波器件ESD特性研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(4)：40-44.
英文引用格式： Ni Zhiyuan，Bai Lin，Ling Gang，et al. Study on ESD characteristics of T-shape gate GaN HEMT microwave devices[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：40-44.
Study on ESD characteristics of T-shape gate GaN HEMT microwave devices
Ni Zhiyuan，Bai Lin，Ling Gang，Bao Cheng，Zhang Junyun
Nanjing Electronic Devices Institute
Abstract： The failure mechanisms and influencing factors of Si-based GaN HEMT devices under ESD events were systematically investigated. The study analyzed the failure voltage distribution of the devices under various bias conditions and utilized EMMI to pinpoint abnormal regions responsible for device degradation, followed by micro-area characterization. Furthermore, the impact of key process parameters, such as the geometric dimensions of the T-gate, including gate foot width, gate head width, and total gate width, on the anti-static robustness of the devices was examined. Mechanism analyses were conducted to elucidate these effects. The findings provide valuable insights and practical guidance for optimizing the ESD performance and enhancing the reliability of Si-based GaN HEMT devices.
Key words : GaN HEMT；T-shape gate；gate foot and gate head；total gate width

引言

微波GaN HEMT器件，尤其是在應(yīng)用于高頻小功率的場(chǎng)景下時(shí)，往往容易受到靜電釋放(Electro-Static Discharge,ESD)事件的影響導(dǎo)致器件發(fā)生失效。一般情況下幾百伏特的靜電就會(huì)造成靜電損傷失效，小則幾十伏特的靜電也能使一些型號(hào)的器件失效。眾所周知，微波小功率GaN HEMT的器件的尺寸通常很小，由于頻率很高不便附加保護(hù)電路，這也是此類(lèi)器件難以制定其抗靜電措施的重要原因。多數(shù)研究均表明，Ⅲ-Ⅴ異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)器件對(duì)ESD事件十分敏感，ESD事件會(huì)造成電極間金屬擴(kuò)散以及電遷移，從而產(chǎn)生電極尖峰使得外延材料中出現(xiàn)纖絲，造成肖特基結(jié)的損傷。

2015年Rossetto針對(duì)漏源傳輸線脈沖應(yīng)力對(duì)硅基GaN HEMT器件的ESD穩(wěn)健性進(jìn)行了廣泛的分析，在器件處于開(kāi)啟狀態(tài)下時(shí)，靜電失效可歸因于功率型大電流失效；而在器件處于關(guān)斷狀態(tài)下，器件由于大電壓的作用出現(xiàn)電壓型強(qiáng)電場(chǎng)失效[1]。2016年，Shankar報(bào)道了AlGaN/GaN HEMT在ESD應(yīng)力條件下的多種失效模式和不同的ESD行為對(duì)柵指的影響[2]。2016年，Meneghini等人通過(guò)具體測(cè)試，說(shuō)明了AlGaN勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)特性與ESD穩(wěn)健性之間的相關(guān)性并進(jìn)一步探究了器件工藝、電路布局和幾何形狀對(duì)器件電氣性能、擊穿特性以及ESD穩(wěn)健性的影響[3]。2020年Xin等人通過(guò)使用傳輸線脈沖測(cè)試，綜合評(píng)價(jià)了GaN HEMT的ESD特性，發(fā)現(xiàn)柵極在ESD事件中最容易發(fā)生失效且漏極與源級(jí)在柵極接地的條件下不太容易發(fā)生災(zāi)難性的退化或失效的規(guī)律[4]。

目前，國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)AlGaN/GaN HEMT在ESD領(lǐng)域的研究較為有限，多數(shù)還停留在器件外圍的ESD防護(hù)電路上[5-6]，對(duì)相關(guān)機(jī)理的研究處于起步階段，因此從器件結(jié)構(gòu)方面研究ESD事件的失效機(jī)理具有重大意義。

本文使用HANWA公司的HCE-5000便攜式ESD測(cè)試機(jī)作為主要工具，探究了器件耐靜電能力與閾值電壓、柵腳柵帽寬度以及總柵寬之間的關(guān)系，借助掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）等微區(qū)分析手段，對(duì)柵下燒毀點(diǎn)進(jìn)行定位，并分析其失效機(jī)理。


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作者信息：

倪志遠(yuǎn)，白霖，林罡，鮑誠(chéng)，章軍云

（南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016）


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