本文關(guān)鍵詞：CMOS反相器和GaAs HEMT器件的HPM效應(yīng)研究　出處：《西安電子科技大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：高功率微波(high power microwave,HPM)極易通過(guò)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(lái)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(jí)。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(shì)伴隨而來(lái)的是其HPM敏感性不斷增強(qiáng)。因此,針對(duì)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(duì)抗技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考,具有重要的實(shí)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(duì)象,采用理論分析、數(shù)值仿真和效應(yīng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)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(hào)。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(diǎn)會(huì)隨著作用時(shí)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HPM脈寬下反相器損傷效應(yīng)的閾值變化規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式;2.基于CMOS反相器仿真模型,研究了溫度變化對(duì)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(duì)HPM越敏感,這一結(jié)論得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,同時(shí)又?jǐn)U充了實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)特性,通過(guò)對(duì)溫度分布影響的分析,論文指出閂鎖延時(shí)特性與熱邊界條件密切相關(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(bào)道的閂鎖延時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)解析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究認(rèn)為,HPM導(dǎo)致的過(guò)剩載流子注入主導(dǎo)晶體管的電流放大過(guò)程,對(duì)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(guò)剩載流子隨時(shí)間的累積效應(yīng)來(lái)解釋;而HPM頻率對(duì)擾亂效應(yīng)的影響則是由于HPM頻率較高時(shí)器件內(nèi)部交變電場(chǎng)變化太快以致于載流子無(wú)法響應(yīng),從而影響了p型襯底中的注入電荷總量和過(guò)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(duì)擾亂效應(yīng)的影響,結(jié)果表明LB較小的CMOS反相器對(duì)HPM更敏感,這一結(jié)論得到了仿真結(jié)果的驗(yàn)證;4.構(gòu)建了雙δ摻雜結(jié)構(gòu)GaAs pHEMT仿真模型,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了修正。對(duì)器件的直流特性曲線進(jìn)行了仿真,重點(diǎn)研究了HEMT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(chǎng)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(yàn)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(huì)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(hào)電流增益|h21|和功率增益明顯退化;5.進(jìn)行了GaAs HEMT兩級(jí)級(jí)聯(lián)低噪放(low noise amplifier,LNA)的HPM注入實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明在HPM作用下LNA的小信號(hào)增益可能會(huì)發(fā)生退化,嚴(yán)重時(shí)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(shí)驗(yàn)表明LNA噪聲系數(shù)對(duì)HPM功率注入同樣敏感,小信號(hào)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(shí)時(shí)增益雖然對(duì)注入功率也敏感,但是隨著注入功率的增大并沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)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(yàn)公式吻合較好。實(shí)驗(yàn)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(shí)LNA直接損傷而不經(jīng)過(guò)退化過(guò)程。失效分析結(jié)果表明,LNA失效是由其第一級(jí)HEMT失效造成。通過(guò)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(jí)HEMT柵極金屬附近靠近源極一側(cè)存在熱擊穿點(diǎn),與仿真結(jié)果和HPM損傷機(jī)理分析一致。退化LNA第一級(jí)HEMT的SEM形貌顯示其柵金屬條下方存在異常坑,為退化機(jī)理分析提供了物理依據(jù)。
[Abstract]:In this paper , the effects of high power microwave and high power microwave on the electronic system are studied . The results of this paper are as follows : 1 . Based on the simulation model of CMOS inverter , it has been proved that the high temperature hot spot in the electronic system is the basic unit of the system . 4 . The simulation model of GaAs pHEMT with double 未 doped structure is constructed and the model parameters are corrected . The experimental results show that the low noise figure of GaAs HEMT can cause degradation of the device ' s saturation leakage current . The simulation results show that the LNA ' s noise figure can be used as the criterion for damage and degradation of the device . The simulation results show that the LNA ' s noise figure can be used as the criterion of device damage and parameter degradation . The simulation results show that the LNA ' s failure is caused by the failure of the first stage HEMT . The simulation results show that the LNA failure is caused by the failure of the first stage HEMT .

【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：1409720