[氮化镓]Kevin J. Chen组新作—肖特基p-GaN HEMTs正栅ESD机理研究

这篇文章是发表在《IEEE Electron Device Letters》上的一篇关于Schottky型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管（HEMTs）的正向栅极静电放电（ESD）机理研究的论文。文章由Jiahui Sun等人撰写，使用了基于碳化硅（SiC）的高速脉冲I-V测试系统来研究p-GaN栅极HEMTs在正向栅极ESD事件中的鲁棒性及其机制。

摘要（Abstract）

文章首先在摘要中介绍了研究的背景和目的，即研究p-GaN门HEMTs在正向栅极人体模型（HBM）ESD事件中的鲁棒性及其机制。作者发现，在非破坏性的放电事件中，瞬态正向栅极漏电流（IG）异常地高。为了更全面地表征这种升高的IG，作者使用SiC MOSFETs设计了一种新的脉冲I-V测试系统，该系统能够生成上升时间≤10ns、宽度<100ns的电压脉冲，最大脉冲电流可达26A。通过温度和时间依赖性的脉冲IG-VG（栅极电压）特性分析，表明高瞬态IG主要由电子热发射控制，这种发射是由p-GaN栅极堆叠中两个背靠背结的动态电容VG（栅极电压）分配刺激的，而不是稳态条件下观察到的电阻性VG分配。

引言（Introduction）

详细介绍了GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）及其p-GaN栅在增强模式（E-mode）操作中的应用背景。p-GaN栅HEMTs因其良好的均匀性控制、平衡的性能和经过验证的可靠性而在商业GaN功率器件中迅速崛起。与Si和SiC功率MOSFETs、超结MOSFETs和IGBTs中占主导地位的MOS栅结构不同，p-GaN栅是其区别于其他结构的特点。此外，作者还讨论了p-GaN栅的漏电流比绝缘栅结构（如MOS栅）高几个数量级，因此在ESD鲁棒性方面具有内在优势。然而，GaN HEMTs的侧向结构具有较小的终端电容，这可能导致ESD鲁棒性降低。

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）的崛起

引言部分首先介绍了GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）及其在功率电子领域的应用。GaN HEMTs因其出色的电子迁移率、高开关速度和耐高温特性，在功率电子器件领域迅速崛起。与传统的硅（Si）和碳化硅（SiC）材料相比，GaN基器件在高频、高效率和小型化方面展现出显著优势，使其成为新一代功率电子器件的有力竞争者。

p-GaN栅的优势

文章特别强调了p-GaN栅在增强模式（E-mode）操作中的应用。与传统的MOS栅结构相比，p-GaN栅具有更好的均匀性控制、平衡的性能和经过验证的可靠性。这些特性使得p-GaN栅HEMTs在商业应用中更具吸引力。p-GaN栅的引入，不仅提高了器件的性能，还简化了制造工艺，降低了成本。

p-GaN栅与MOS栅结构的比较

作者进一步讨论了p-GaN栅与传统MOS栅结构的不同之处。在Si和SiC功率MOSFETs、超结MOSFETs和IGBTs中，MOS栅结构占据主导地位。然而，GaN基HEMTs采用了具有p-GaN栅的创新结构，这种结构在ESD鲁棒性、热管理和高频性能方面展现出独特的优势。

ESD鲁棒性的重要性

引言中还提到了ESD鲁棒性的重要性。ESD事件可能对半导体器件造成严重损害，尤其是在制造和组装过程中。GaN HEMTs由于其侧向结构具有较小的终端电容，这可能导致其ESD鲁棒性降低。因此，研究和提高p-GaN栅HEMTs的ESD鲁棒性对于确保器件的可靠性和长期稳定性至关重要。

正向栅ESD与反向栅ESD的差异

文章指出，p-GaN栅HEMTs的正向栅ESD鲁棒性显著高于反向栅ESD鲁棒性。这一发现对于理解器件在实际应用中的ESD保护策略具有重要意义。正向栅ESD测试中，器件能够承受更高的电压而不发生损坏，这可能与器件内部的电荷分布和放电路径有关。

研究空白与挑战

引言部分还指出了当前研究中存在的空白和挑战。尽管已有研究关注了耗尽模式（D-mode）Schottky栅AlGaN/GaN HEMTs和金属-绝缘体-半导体（MIS）栅HEMTs在不同ESD应力条件下的行为，但对于增强模式（E-mode）Schottky型p-GaN栅HEMTs的栅ESD机理，尤其是正向栅ESD，尚缺乏深入的理解。

研究目的与贡献

最后，引言部分明确了本文的研究目的，即通过使用基于SiC MOSFETs的高速脉冲I-V测试系统，对Schottky型p-GaN栅HEMTs的正向栅ESD鲁棒性及其机制进行深入研究。这项研究不仅填补了现有知识空白，还为进一步提高p-GaN栅HEMTs的ESD鲁棒性提供了新的见解和方法。

正向栅极ESD鲁棒性（Gate ESD Robustness）

描述了测试设备（DUTs）的配置和测试方法。使用了100-V/30-mΩ商业Schottky型p-GaN栅HEMTs，并进行了正向（G-S, G-D）和反向（S-G, D-G）栅ESD测试。测试结果表明，正向栅ESD测试的VHBM_fail显著高于反向栅ESD测试，这是由于异常高的正向IG-max（高达5A）。

测试设备与方法

所选用的测试设备是100-V/30-mΩ的商业Schottky型p-GaN栅HEMTs，这些器件具备三个端子：栅（G）、漏（D）和源（S）。测试中，正向（G-S, G-D）和反向（S-G, D-G）栅ESD测试在第三个端子悬浮的条件下进行，使用了HBM ESD模拟器（型号：ThermoKeyTek ZapMaster 7/4），该模拟器能够产生最大HBM ESD电压（VHBM）达到8 kV。

HBM ESD鲁棒性的表征

HBM ESD鲁棒性是通过导致DUT失效的HBM ESD电压（VHBM_fail）来表征的。测试结果显示，正向栅ESD测试的VHBM_fail显著高于反向栅ESD测试。这种差异性指向了一个关键的发现：正向栅ESD事件中，存在异常高的IG，这一现象对于理解器件的ESD鲁棒性至关重要。

正向与反向栅ESD测试的比较

正向栅ESD测试中，VHBM_fail大于8 kV，而反向栅ESD测试中，VHBM_fail值分别为1600 V和1200 V。这一显著的差异揭示了正向栅ESD事件中存在一种特殊的机制，导致了更高的IG。正向栅ESD测试中，大部分HBM电荷通过高IG释放，而器件电容中存储的电荷数量微不足道，这一点通过栅-源电压（VGS）的快速上升沿（<5 ns）得到了证实。

栅ESD电流的分析

在正向栅ESD测试中，IG的测量结果高达5 A，这一数值远高于反向栅ESD测试中的IG。这种高IG的现象表明，在正向栅ESD事件中，栅到源/栅到漏的路径在放电过程中起到了主导作用。而反向栅ESD测试中，栅ESD电流则由较低的反向IG和通过器件端子电容（Icap）的电流共同决定。

栅ESD鲁棒性的影响因素

文章进一步分析了影响栅ESD鲁棒性的因素。由于p-GaN栅堆叠具有两个背靠背结的配置，无论是正向还是反向偏置，IG理论上都应受到反向偏置结的限制。然而，实际观察到的高正向IG现象需要进一步的解释。这一现象表明，在正向栅ESD事件中，可能存在一种不同于传统理解的机制，这种机制允许在栅堆叠中形成较高的IG。

测试系统的创新

为了更有效地分析IG，作者开发了一种基于SiC MOSFETs的高速/高电流脉冲I-V测试系统。这一系统的创新之处在于，它能够产生具有极短上升时间（tr ≤ 10 ns）和极窄脉冲宽度（tp < 100 ns）的电压脉冲，同时能够承受高达26 A的脉冲电流。这种测试系统的性能，特别是脉冲的上升时间和宽度，对于准确捕捉和分析瞬态IG至关重要。

测试结果的解释

使用新开发的测试系统，作者测量了DUT的脉冲IG-VGS曲线，并提取了IG-VGS数据点。这些数据点的上升时间在10 ns以内，IG在19.5 V的VGS下达到了17 A。测试结果与HBM ESD测试波形中提取的数据点相似，这表明在正向栅ESD测试和脉冲I-V测试中，IG的机制是相同的。这一发现验证了脉冲I-V测试系统在模拟正向栅ESD测试中的有效性。

 

图1 (Fig. 1)

• 图1(a) 展示了正向和反向栅ESD测试中的VHBM_fail（导致失效的HBM ESD电压）。从图中可以看出，正向栅ESD的VHBM_fail明显高于反向栅ESD，这表明正向栅ESD具有更高的鲁棒性。
• 图1(b) 显示了正向和反向栅ESD测试中IG-max（最大栅漏电流）的比较。正向栅ESD测试中的IG-max远高于反向栅ESD测试，这与VHBM_fail的趋势一致。
• 图1(c) 和 图1(d) 提供了p-GaN栅HEMTs在正向和反向栅ESD测试中的示意性横截面视图，展示了主要的放电路径。这些示意图有助于理解ESD事件中电荷的流动和分布。

正向栅极ESD机制分析（Forward Gate ESD Mechanism Analysis）

为了分析高正向IG-max，作者使用基于SiC的测试系统测量了IG-VG特性，并将其与商业仪器和HBM ESD测试的结果进行了比较。作者发现，使用SiC MOSFETs的测试系统能够生成具有更短上升时间的电压脉冲，从而能够更精确地测量IG-VG特性。通过对脉冲IG-VGS特性的温度和时间依赖性分析，作者发现高瞬态IG主要由电子热发射控制，这种发射受到p-GaN栅堆叠中两个背靠背结的动态电容电压分配的影响。

测试系统开发的必要性

在正向栅ESD机制分析部分，作者首先阐述了开发新型高速脉冲I-V（PIV）测试系统的必要性。由于传统的测试设备无法捕捉到高IG的瞬态行为，特别是在ESD事件中观察到的快速变化，因此需要一种能够产生快速上升和下降沿的电压脉冲的测试系统，以模拟真实的ESD条件。

SiC MOSFETs在测试系统中的应用

文章详细介绍了SiC MOSFETs在新测试系统中的关键作用。SiC MOSFETs因其高速开关特性被选用来产生所需的电压脉冲。这种基于SiC MOSFETs的测试系统能够生成上升时间（tr）小于或等于10纳秒（ns），脉冲宽度（tp）小于100纳秒的电压脉冲，并且能够承受高达26安培（A）的脉冲电流。

测试系统的组成与工作原理

作者提供了测试系统的详细组成和工作原理。测试系统包括一个高压电源、电容器组（CIN）、两个SiC MOSFETs（S1和S2）、两个电阻（R1和R2）、DUT以及一个100毫欧姆/2吉赫兹同轴分流电阻。电容器组由并联连接的能量存储电容器组成，以保持长期电压稳定性，并由低电感表面安装电容器补充，以在S1导通时提供瞬态电流。S1和S2的较小终端电容有助于加速导通过程，从而减少VGS的上升和下降时间。

动态电容VG分配的发现

通过对脉冲IG-VGS测试结果的分析，作者发现了正向栅ESD中高IG的一个关键机制——动态电容VG分配。在栅源电压（VGS）脉冲的上升沿，两个背靠背结的电荷平衡可能决定了VGS的初始分配。这导致了瞬态的高Vpin（p-i-n结电压），从而触发了电子热发射（TE）电流（Ie）占主导地位，这是IG高值的主要原因。

时间依赖性分析

作者进一步探讨了IG的时间依赖性。在较长的测量延迟时间（td）下，IG的值低于较短td下的值，这表明p-i-n结电压（Vpin）可能随时间降低。这意味着在VGS脉冲期间，栅-金属/p-GaN Schottky结和p-i-n结之间的VGS分配是动态变化的。随着时间的推移，由于通过p-i-n结的空穴电流（Ih2）大于通过Schottky结的空穴电流（Ih1），p-GaN层中可能逐渐积累空穴缺陷，导致Vpin降低，从而减少了Ie，进而导致较长td下的IG降低。

温度依赖性分析

文章还讨论了IG的温度依赖性。在IG-VGS曲线的第二区域（Region II），正温度依赖性表明了电子热发射过p-GaN/AlGaN/GaN p-i-n结的过程。温度的升高导致IG增加，这与电子热发射机制一致，因为在较高的温度下，更多的电子能够获得足够的能量来越过势垒。

动态VGS分配与时间依赖性门击穿

作者指出，如果测量延迟时间足够长以达到稳态，那么两个结二极管之间将实现电流平衡，导致VGS的电阻性分配，IG将受到反向偏置Schottky结的限制。然而，在达到理想的稳态之前，存在时间依赖性门击穿的可能性。这种动态VGS分配与作者之前基于包含浮动p-GaN节点的等效电路模型的SPICE模拟结果一致。

总结与未来工作

最后，作者得出结论，正向栅ESD中的高IG主要由电子热发射电流通过AlGaN势垒控制，这种发射受到p-GaN栅堆叠内动态电容电压分配的影响。这项研究不仅填补了在高电压水平下正向栅I-V特性的知识空白，而且为进一步提高p-GaN栅HEMTs的ESD鲁棒性提供了见解。作者还指出，反向栅ESD鲁棒性的详细分析将在未来进行。

图2  对比了Keithley 4200参数分析仪和新开发的测试系统产生的脉冲规格。展示了测试系统在脉冲宽度、上升时间以及最大脉冲电流方面的优势，这些特性对于捕捉和模拟快速ESD事件至关重要。

图3 (Fig. 3)

• 图3(a) 是利用SiC MOSFETs（S1, S2）的脉冲I-V测试系统的示意图，展示了系统的主要组件和它们之间的连接方式。
• 图3(b) 描述了两个SiC MOSFETs和DUT的栅电压波形，说明了如何通过控制MOSFETs的开关来生成所需的脉冲波形。
• 图3(c) 是主测试板的顶视图，展示了S2和R2组件的安装位置，这些组件对于测试系统的性能至关重要。

图4 (Fig. 4)

• 图4(a) 展示了使用新测试系统测量的DUT的IG和VGS波形，包括测量延迟时间（td）和电流限制电阻（R1）的设置。
• 图4(b) 展示了通过准静态（QS）I-V测试、PIV测试和HBM ESD测试测量的正向IG特性。这些数据点帮助比较了不同测试条件下IG-VGS曲线，进一步证实了测试系统的有效性。

图5 (Fig. 5)

• 图5(a) 展示了DUT在不同机箱温度下的脉冲IG-VGS特性，以及在区域II内不同td值的IG衰减情况。这些数据揭示了IG-VGS特性在不同温度和时间条件下的变化，有助于理解IG的时间和温度依赖性。
• 图5(b) 进一步展示了在区域II内，随着td的增加，IG的衰减情况，这与动态VGS分配和时间依赖性门击穿机制有关。

图6 (Fig. 6)

• 图6(a) 和 图6(b) 展示了p-GaN栅堆叠在区域II的示意性能带图。图6(a) 展示了在VGS上升沿后立即的状态，而图6(b) 展示了理想稳态条件下的状态。这些能带图有助于理解在ESD事件中电子和空穴的动态行为，以及它们如何影响IG。

结论（Conclusion）

Schottky型p-GaN门HEMTs在正向门ESD事件中表现出显著更高的ESD鲁棒性，这主要归因于高瞬态正向IG，这是通过AlGaN势垒的电子热发射电流实现的，受到p-GaN门堆叠内动态电容电压分配的影响。这项研究填补了在高电压水平下正向门I-V特性的知识空白，并为进一步提高p-GaN门HEMTs的ESD鲁棒性提供了见解。

总结

文章通过对Schottky型p-GaN门HEMTs在正向门ESD事件中的鲁棒性进行研究，揭示了其高瞬态正向IG的机制，这对于理解和改进这类器件的ESD保护具有重要意义。作者使用基于SiC MOSFETs的高速脉冲I-V测试系统，不仅提供了一种新的测试手段，而且通过实验数据和理论分析，为设计具有更高ESD鲁棒性的p-GaN门HEMTs提供了科学依据。