关键词：
GaN HEMT
强电磁能量
损伤机理
防护设计
摘要：
如今,恶劣的电磁环境已经对电子系统的安全构成了严重威胁。氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）的优异性能使其更加适合于高功率,高频应用领域。随着晶体外延材料质量的不断提高和器件工艺的改进,GaN器件向高功率和小型化方向快速发展,器件的可靠性和稳定性受到巨大挑战。本文以GaN HEMT器件及GaN基功率放大器（PA）为研究对象,探究了其在强电磁能量作用下的损伤效应及防护措施。借用TCAD半导体仿真软件模拟电磁损伤过程,探究损伤机理;对损伤后的实验样品,利用微观形貌表征技术,确定损伤模式。主要研究成果包括以下几个方面:
（1）GaN HEMT器件的电-热损伤效应研究及防护设计。本文利用TCAD数值仿真软件,分别构建了耗尽型GaN HEMT和增强型p-GaN HEMT器件的结构模型,数值模型,电路仿真模型。在此基础上进行了高功率电磁脉冲对两种器件的损伤效应研究,通过分析器件内部多物理量分布的变化,探究其失效机理并进行防护设计。结果表明,两种不同结构的器件损伤主要由高功率电磁脉冲作用过程中的自热效应、雪崩击穿、热载流子效应等不同热积累效应共同影响。而同样注入信号情况下,增强型p-GaN HEMT器件相较于耗尽型GaN HEMT烧毁时间更长。基于失效机理,要实现GaN HEMT对大功率EMP的抗干扰设计,基本原则就是降低器件内部电场强度E和电流密度J,从而降低热积累效应。从这一思路出发,本文提出了一系列防护设计方法,并通过仿真研究进行了验证。器件结构优化结果表明,与非对称结构相比,对称结构具有更高的损伤阈值,并且Al2O3钝化层增强了击穿特性,可以提高抗电磁损伤能力。电路优化结果表明,在源极和栅极串联的电阻元件将增强器件承受高功率EMP损伤的能力。以上结论对于GaN基材料器件在恶劣的电磁环境下工作时可靠性设计具有重要意义。
（2）电磁能量作用下GaN HEMT器件热-力协同损伤效应研究。本文利用TCAD数值仿真软件,分别研究了HPM注入和EMP注入时GaN HEMT器件的热-力协同损伤效应。首先分析了研究强电磁能量作用下GaN HEMT器件可靠性时考虑机械损伤效应的必要性,定义了未考虑栅极电压有关的极化模型为传统数值模型,考虑了栅极电压有关的极化模型为机电耦合模型。HPM注入时,将利用传统数值模型研究电磁损伤效应定义为电致热损伤（E-E）,利用机电耦合的数值模型研究电磁损伤效应定义为热-力协同损伤（M-E-E）。EMP注入时,对比分析了考虑栅极电压相关压电极化（zPP E）和不考虑栅极电压相关压电极化(un-zPPE)两种模式下GaN HEMT器件强电磁能量损伤效应。HPM注入时,在外加电场的作用下,部分电能以弹性能的形式储存在器件中,从而减少了电热能,延长了烧毁时间。随着电场强度的增加,极化强度也增加,增强了器件内的应力和应变分布,并导致弹性能的进一步增加。随着注入频率从1 GHz增加到5 GHz,温度增量变小,烧毁时间增加。两种模式之间的烧毁时间差随着频率的增加而逐渐减小,从1 GHz时的20%减小到5 GHz时的2%。EMP注入时,器件内部升温过程可以清楚地分为两个阶段,升温速度呈“快-慢”趋势。当考虑栅极电压相关的压电极化时,额外的极化电荷被添加到总电荷中,器件内部的电场强度和电流密度升高,导致器件在相同注入条件下温升变陡,器件损坏时间缩短,器件的阈值功率和阈值能量在栅极电压相关压电极化的影响下降低。GaN HEMT器件的热-力协同损伤效应仿真结果和理论分析可以为强电磁环境下GaN HEMT器件的防护设计提供有价值的参考。
（3）GaN基功率放大器（PA）的电磁损伤效应研究。本文通过搭建实验平台,设计实验流程,针对GaN PA进行高压脉冲注入实验,对GaN PA的电磁损伤效应进行了系统研究,揭示了GaN PA模块的性能退化和物理失效机制。本文通过监测GaN PA的S21参数和GaN HEMT的RGS来确认失效阈值。此外,还对GaN PA的性能指标,包括增益、PAE、输出功率和噪声系数等进行了退化前后的对比分析。研究发现,当注入脉冲电压峰值达到1300 V时,小信号增益在2 GHz中心频率下降低到原值的50%,RGS迅速从4 MΩ降低到4 kΩ,GaN PA模块性能明显下降。随后,脉冲电压峰值增加到1400 V时,RGS迅速降低到400Ω,栅极失去对沟道的控制,GaN HEMT器件被烧毁。GaN HEMT是GaN PA电磁损伤效应中的敏感易损点。然后对GaN HEMT进行了数值模拟和失效分析实验,深入分析其失效过程和物理失效机理。开帽实验结果验证了GaN HEMT是GaN PA中电磁损伤过程中最脆弱的部分,并利用FIB、SEM、EDS分析技术确定其失效模式为栅极接触处的热致金属熔化。仿真结果表明,高压注入首先导致器
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