通过混合栅极技术改善p-GaN功率HEMTs的ESD性能

来源：Improved Gate ESD Behaviors of p-GaN PowerHEMTs by Hybrid Gate Technology（ISPSD 24年）

摘要

本工作中，首次证明了混合栅极技术在不增加额外面积和寄生效应的前提下，能有效提升p-GaN HEMTs的栅极静电放电(ESD)性能。通过部分替换p-GaN HEMT中的肖特基型栅极金属为欧姆接触型金属，制备了混合栅HEMT（Hyb-HEMT）。基于传输线脉冲（TLP）性能的对比研究，证实了Hyb-HEMT的栅极ESD承受能力提高了约11倍，表明由欧姆接触型金属引入的“放电路径”能有效耗散ESD能量。此外，实验还证明，由于积累电子与注入空穴之间的复合作用，Hyb-HEMT在重复栅极ESD应力作用下更加稳定。
关键词—ESD；p-GaN HEMT；混合栅极；TLP
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文章的研究内容

这篇文章的研究内容是关于氮化镓（p-GaN）功率高电子迁移率晶体管（HEMTs）的电静放电（ESD）行为，具体如下：

文章提出了一种混合栅技术，通过部分替换Schottky-type金属为ohmic-type金属，形成混合栅HEMT（Hyb-HEMT）。此技术被证明能有效提高栅极的ESD承受能力，显著提升了约11倍。
研究对比了Schottky-HEMT和Hyb-HEMT的静态特性，如阈值电压、输出特性以及栅极漏电流和电容。结果表明，虽然Hyb-HEMT的栅极漏电流和电容略有增加，但在功率转换应用中，这种增加是可以被接受的。
使用传输线脉冲（TLP）测量系统评估了这两种设备的ESD可靠性。Hyb-HEMT显示出了更高的TLP失效电流（I(t2)），从Schottky-HEMT的13.9 mA/mm提升至153.7 mA/mm，这归因于ohmic栅区域的“放电路径”效应。
在ESD事件中，Hyb-HEMT展现了更好的稳定性，这得益于积累电子与注入空穴之间的复合。此外，文章还讨论了不同保护结构对ESD性能的影响，并突出了混合栅结构在不增加额外器件面积和寄生参数的情况下提供优越的ESD保护能力。

文章的研究方法

文章的研究方法主要包括以下方面：

混合栅技术的应用与分析：通过部分替换Schottky-type栅金属为ohmic-type金属，形成混合栅HEMT（Hyb-HEMT）。研究了这种结构对提升栅极ESD承受能力的效果，并与传统Schottky-HEMT进行了比较。
实验设备的使用与数据收集：
- 利用传输线脉冲（TLP）测量系统来评估ESD可靠性。通过测量设备在给定的电流下的失效门槛，来比较Schottky-HEMT和Hyb-HEMT的ESD性能。
- 进行阈值电压（V(th)）和输出特性的测定，以及栅极漏电流（I(gs)）和电容（C(gs)）的比较。
对比研究与数据分析：
- 对比了两种类型HEMTs的静态特性和TLP I-V特性。
- 分析了Hyb-HEMT在不同ESD应力条件下的表现，包括阈值稳定性测试和电子浓度分布模拟。
理论分析与模型构建：
- 提出了放电路径模型和栅极等效电路图，解释了ohmic栅区域如何提供有效的放电路径。
- 论述了积累电子与注入空穴的复合机制，以及其对设备稳定性的影响。
文献对比与讨论：
- 引用了相关领域的文献，对比了不同保护结构的优缺点，强调了混合栅结构在不增加额外器件面积和寄生参数的情况下提供优越的ESD保护能力。

这些研究方法的组合运用，使得文章能够全面地评估和解释混合栅技术在提升p-GaN HEMTs ESD性能方面的有效性和优势。

文章的创新点

文章的创新点主要体现在以下几个方面：

混合栅技术的引入：在传统Schottky-HEMT结构中引入了创新的混合栅技术，通过部分替换Schottky-type金属为ohmic-type金属来形成混合栅HEMT（Hyb-HEMT）。这种结构设计提高了栅极的ESD承受能力。
ESD性能的显著提升：实验结果显示，采用混合栅技术的Hyb-HEMT在ESD性能上实现了显著提升，TLP失效电流（I(t2)）从13.9 mA/mm提升至153.7 mA/mm，改进幅度达到约11倍。
有效的放电路径：文章提出了在ohmic栅区域形成的“放电路径”效应，该路径有效地分散了ESD能量，从而保护了设备。
稳定性与复合机制的改善：Hyb-HEMT展现了更好的稳定性，这得益于积累电子与注入空穴之间的复合，减少了ESD事件中的损伤。
无额外器件面积和寄生参数的增加：混合栅结构的设计在不增加额外器件面积和寄生参数的情况下，提供了优越的ESD保护能力。
阈值电压稳定性的实验验证：实验表明，在重复的ESD应力测试下，Hyb-HEMT的阈值电压更加稳定，这有助于提高器件的可靠性和寿命。
综合对比分析：文章不仅对新技术进行了实验数据的分析，还结合了理论模型和文献对比，全面地展示了混合栅技术的优势和潜在的应用价值。

这些创新点共同构成了文章的核心贡献，即通过混合栅技术显著提升了p-GaN HEMTs的ESD性能和稳定性，同时保持了器件的小体积和低寄生特性。

文章的结论

文章的结论是，混合栅技术显著提升了p-GaN HEMTs的ESD性能和稳定性。具体来说：

混合栅技术的有效性：通过引入ohmic-type金属与Schottky-type金属的混合栅结构，显著提高了栅极的ESD承受能力，从而增强了器件的可靠性。
ESD性能的提升：实验结果显示，Hyb-HEMT的TLP失效电流（I(t2)）比传统Schottky-HEMT提升了大约11倍，证明了混合栅技术在提高ESD性能方面的有效性。
放电路径的作用：ohmic栅区域形成的“放电路径”对于分散ESD能量至关重要，有效地保护了器件。
稳定性的改善：Hyb-HEMT在重复的ESD应力测试下显示出更好的阈值电压稳定性，这得益于电子与空穴的复合机制。
无额外器件面积和寄生参数的增加：混合栅结构的设计在不增加额外器件面积和寄生参数的情况下，提供了优越的ESD保护能力。
综合对比分析的优势：通过理论模型和文献对比，进一步证实了混合栅技术在提升ESD性能方面的优势和应用潜力。
应用前景：文章认为，混合栅技术为解决p-GaN HEMTs在高ESD应力环境下的可靠性问题提供了一种有效的解决方案，具有重要的工业应用价值。