這篇文章是發表在《IEEE Electron Device Letters》上的一篇關于Schottky型p-GaN柵極高電子遷移率晶體管（HEMTs）的正向柵極靜電放電（ESD）機理研究的論文。文章由Jiahui Sun等人撰寫，使用了基于碳化硅（SiC）的高速脈沖I-V測試系統來研究p-GaN柵極HEMTs在正向柵極ESD事件中的魯棒性及其機制。

摘要（Abstract）

文章首先在摘要中介紹了研究的背景和目的，即研究p-GaN門HEMTs在正向柵極人體模型（HBM）ESD事件中的魯棒性及其機制。作者發現，在非破壞性的放電事件中，瞬態正向柵極漏電流（IG）異常地高。為了更全面地表征這種升高的IG，作者使用SiC MOSFETs設計了一種新的脈沖I-V測試系統，該系統能夠生成上升時間≤10ns、寬度<100ns的電壓脈沖，最大脈沖電流可達26A。通過溫度和時間依賴性的脈沖IG-VG（柵極電壓）特性分析，表明高瞬態IG主要由電子熱發射控制，這種發射是由p-GaN柵極堆疊中兩個背靠背結的動態電容VG（柵極電壓）分配刺激的，而不是穩態條件下觀察到的電阻性VG分配。

引言（Introduction）

詳細介紹了GaN基高電子遷移率晶體管（HEMTs）及其p-GaN柵在增強模式（E-mode）操作中的應用背景。p-GaN柵HEMTs因其良好的均勻性控制、平衡的性能和經過驗證的可靠性而在商業GaN功率器件中迅速崛起。與Si和SiC功率MOSFETs、超結MOSFETs和IGBTs中占主導地位的MOS柵結構不同，p-GaN柵是其區別于其他結構的特點。此外，作者還討論了p-GaN柵的漏電流比絕緣柵結構（如MOS柵）高幾個數量級，因此在ESD魯棒性方面具有內在優勢。然而，GaN HEMTs的側向結構具有較小的終端電容，這可能導致ESD魯棒性降低。

GaN基高電子遷移率晶體管（HEMTs）的崛起

引言部分首先介紹了GaN基高電子遷移率晶體管（HEMTs）及其在功率電子領域的應用。GaN HEMTs因其出色的電子遷移率、高開關速度和耐高溫特性，在功率電子器件領域迅速崛起。與傳統的硅（Si）和碳化硅（SiC）材料相比，GaN基器件在高頻、高效率和小型化方面展現出顯著優勢，使其成為新一代功率電子器件的有力競爭者。

p-GaN柵的優勢

文章特別強調了p-GaN柵在增強模式（E-mode）操作中的應用。與傳統的MOS柵結構相比，p-GaN柵具有更好的均勻性控制、平衡的性能和經過驗證的可靠性。這些特性使得p-GaN柵HEMTs在商業應用中更具吸引力。p-GaN柵的引入，不僅提高了器件的性能，還簡化了制造工藝，降低了成本。

p-GaN柵與MOS柵結構的比較

作者進一步討論了p-GaN柵與傳統MOS柵結構的不同之處。在Si和SiC功率MOSFETs、超結MOSFETs和IGBTs中，MOS柵結構占據主導地位。然而，GaN基HEMTs采用了具有p-GaN柵的創新結構，這種結構在ESD魯棒性、熱管理和高頻性能方面展現出獨特的優勢。

ESD魯棒性的重要性

引言中還提到了ESD魯棒性的重要性。ESD事件可能對半導體器件造成嚴重損害，尤其是在制造和組裝過程中。GaN HEMTs由于其側向結構具有較小的終端電容，這可能導致其ESD魯棒性降低。因此，研究和提高p-GaN柵HEMTs的ESD魯棒性對于確保器件的可靠性和長期穩定性至關重要。

正向柵ESD與反向柵ESD的差異

文章指出，p-GaN柵HEMTs的正向柵ESD魯棒性顯著高于反向柵ESD魯棒性。這一發現對于理解器件在實際應用中的ESD保護策略具有重要意義。正向柵ESD測試中，器件能夠承受更高的電壓而不發生損壞，這可能與器件內部的電荷分布和放電路徑有關。

研究空白與挑戰

引言部分還指出了當前研究中存在的空白和挑戰。盡管已有研究關注了耗盡模式（D-mode）Schottky柵AlGaN/GaN HEMTs和金屬-絕緣體-半導體（MIS）柵HEMTs在不同ESD應力條件下的行為，但對于增強模式（E-mode）Schottky型p-GaN柵HEMTs的柵ESD機理，尤其是正向柵ESD，尚缺乏深入的理解。

研究目的與貢獻

最后，引言部分明確了本文的研究目的，即通過使用基于SiC MOSFETs的高速脈沖I-V測試系統，對Schottky型p-GaN柵HEMTs的正向柵ESD魯棒性及其機制進行深入研究。這項研究不僅填補了現有知識空白，還為進一步提高p-GaN柵HEMTs的ESD魯棒性提供了新的見解和方法。

正向柵極ESD魯棒性（Gate ESD Robustness）

描述了測試設備（DUTs）的配置和測試方法。使用了100-V/30-mΩ商業Schottky型p-GaN柵HEMTs，并進行了正向（G-S, G-D）和反向（S-G, D-G）柵ESD測試。測試結果表明，正向柵ESD測試的VHBM_fail顯著高于反向柵ESD測試，這是由于異常高的正向IG-max（高達5A）。

測試設備與方法

所選用的測試設備是100-V/30-mΩ的商業Schottky型p-GaN柵HEMTs，這些器件具備三個端子：柵（G）、漏（D）和源（S）。測試中，正向（G-S, G-D）和反向（S-G, D-G）柵ESD測試在第三個端子懸浮的條件下進行，使用了HBM ESD模擬器（型號：ThermoKeyTek ZapMaster 7/4），該模擬器能夠產生最大HBM ESD電壓（VHBM）達到8 kV。

HBM ESD魯棒性的表征

HBM ESD魯棒性是通過導致DUT失效的HBM ESD電壓（VHBM_fail）來表征的。測試結果顯示，正向柵ESD測試的VHBM_fail顯著高于反向柵ESD測試。這種差異性指向了一個關鍵的發現：正向柵ESD事件中，存在異常高的IG，這一現象對于理解器件的ESD魯棒性至關重要。

正向與反向柵ESD測試的比較

正向柵ESD測試中，VHBM_fail大于8 kV，而反向柵ESD測試中，VHBM_fail值分別為1600 V和1200 V。這一顯著的差異揭示了正向柵ESD事件中存在一種特殊的機制，導致了更高的IG。正向柵ESD測試中，大部分HBM電荷通過高IG釋放，而器件電容中存儲的電荷數量微不足道，這一點通過柵-源電壓（VGS）的快速上升沿（<5 ns）得到了證實。

柵ESD電流的分析

在正向柵ESD測試中，IG的測量結果高達5 A，這一數值遠高于反向柵ESD測試中的IG。這種高IG的現象表明，在正向柵ESD事件中，柵到源/柵到漏的路徑在放電過程中起到了主導作用。而反向柵ESD測試中，柵ESD電流則由較低的反向IG和通過器件端子電容（Icap）的電流共同決定。

柵ESD魯棒性的影響因素

文章進一步分析了影響柵ESD魯棒性的因素。由于p-GaN柵堆疊具有兩個背靠背結的配置，無論是正向還是反向偏置，IG理論上都應受到反向偏置結的限制。然而，實際觀察到的高正向IG現象需要進一步的解釋。這一現象表明，在正向柵ESD事件中，可能存在一種不同于傳統理解的機制，這種機制允許在柵堆疊中形成較高的IG。

測試系統的創新

為了更有效地分析IG，作者開發了一種基于SiC MOSFETs的高速/高電流脈沖I-V測試系統。這一系統的創新之處在于，它能夠產生具有極短上升時間（tr ≤ 10 ns）和極窄脈沖寬度（tp < 100 ns）的電壓脈沖，同時能夠承受高達26 A的脈沖電流。這種測試系統的性能，特別是脈沖的上升時間和寬度，對于準確捕捉和分析瞬態IG至關重要。

測試結果的解釋

使用新開發的測試系統，作者測量了DUT的脈沖IG-VGS曲線，并提取了IG-VGS數據點。這些數據點的上升時間在10 ns以內，IG在19.5 V的VGS下達到了17 A。測試結果與HBM ESD測試波形中提取的數據點相似，這表明在正向柵ESD測試和脈沖I-V測試中，IG的機制是相同的。這一發現驗證了脈沖I-V測試系統在模擬正向柵ESD測試中的有效性。

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圖1 (Fig. 1)

• 圖1(a)?展示了正向和反向柵ESD測試中的VHBM_fail（導致失效的HBM ESD電壓）。從圖中可以看出，正向柵ESD的VHBM_fail明顯高于反向柵ESD，這表明正向柵ESD具有更高的魯棒性。
• 圖1(b)?顯示了正向和反向柵ESD測試中IG-max（最大柵漏電流）的比較。正向柵ESD測試中的IG-max遠高于反向柵ESD測試，這與VHBM_fail的趨勢一致。
• 圖1(c)?和?圖1(d)?提供了p-GaN柵HEMTs在正向和反向柵ESD測試中的示意性橫截面視圖，展示了主要的放電路徑。這些示意圖有助于理解ESD事件中電荷的流動和分布。

正向柵極ESD機制分析（Forward Gate ESD Mechanism Analysis）

為了分析高正向IG-max，作者使用基于SiC的測試系統測量了IG-VG特性，并將其與商業儀器和HBM ESD測試的結果進行了比較。作者發現，使用SiC MOSFETs的測試系統能夠生成具有更短上升時間的電壓脈沖，從而能夠更精確地測量IG-VG特性。通過對脈沖IG-VGS特性的溫度和時間依賴性分析，作者發現高瞬態IG主要由電子熱發射控制，這種發射受到p-GaN柵堆疊中兩個背靠背結的動態電容電壓分配的影響。

測試系統開發的必要性

在正向柵ESD機制分析部分，作者首先闡述了開發新型高速脈沖I-V（PIV）測試系統的必要性。由于傳統的測試設備無法捕捉到高IG的瞬態行為，特別是在ESD事件中觀察到的快速變化，因此需要一種能夠產生快速上升和下降沿的電壓脈沖的測試系統，以模擬真實的ESD條件。

SiC MOSFETs在測試系統中的應用

文章詳細介紹了SiC MOSFETs在新測試系統中的關鍵作用。SiC MOSFETs因其高速開關特性被選用來產生所需的電壓脈沖。這種基于SiC MOSFETs的測試系統能夠生成上升時間（tr）小于或等于10納秒（ns），脈沖寬度（tp）小于100納秒的電壓脈沖，并且能夠承受高達26安培（A）的脈沖電流。

測試系統的組成與工作原理

作者提供了測試系統的詳細組成和工作原理。測試系統包括一個高壓電源、電容器組（CIN）、兩個SiC MOSFETs（S1和S2）、兩個電阻（R1和R2）、DUT以及一個100毫歐姆/2吉赫茲同軸分流電阻。電容器組由并聯連接的能量存儲電容器組成，以保持長期電壓穩定性，并由低電感表面安裝電容器補充，以在S1導通時提供瞬態電流。S1和S2的較小終端電容有助于加速導通過程，從而減少VGS的上升和下降時間。

動態電容VG分配的發現

通過對脈沖IG-VGS測試結果的分析，作者發現了正向柵ESD中高IG的一個關鍵機制——動態電容VG分配。在柵源電壓（VGS）脈沖的上升沿，兩個背靠背結的電荷平衡可能決定了VGS的初始分配。這導致了瞬態的高Vpin（p-i-n結電壓），從而觸發了電子熱發射（TE）電流（Ie）占主導地位，這是IG高值的主要原因。

時間依賴性分析

作者進一步探討了IG的時間依賴性。在較長的測量延遲時間（td）下，IG的值低于較短td下的值，這表明p-i-n結電壓（Vpin）可能隨時間降低。這意味著在VGS脈沖期間，柵-金屬/p-GaN Schottky結和p-i-n結之間的VGS分配是動態變化的。隨著時間的推移，由于通過p-i-n結的空穴電流（Ih2）大于通過Schottky結的空穴電流（Ih1），p-GaN層中可能逐漸積累空穴缺陷，導致Vpin降低，從而減少了Ie，進而導致較長td下的IG降低。

溫度依賴性分析

文章還討論了IG的溫度依賴性。在IG-VGS曲線的第二區域（Region II），正溫度依賴性表明了電子熱發射過p-GaN/AlGaN/GaN p-i-n結的過程。溫度的升高導致IG增加，這與電子熱發射機制一致，因為在較高的溫度下，更多的電子能夠獲得足夠的能量來越過勢壘。

動態VGS分配與時間依賴性門擊穿

作者指出，如果測量延遲時間足夠長以達到穩態，那么兩個結二極管之間將實現電流平衡，導致VGS的電阻性分配，IG將受到反向偏置Schottky結的限制。然而，在達到理想的穩態之前，存在時間依賴性門擊穿的可能性。這種動態VGS分配與作者之前基于包含浮動p-GaN節點的等效電路模型的SPICE模擬結果一致。

總結與未來工作

最后，作者得出結論，正向柵ESD中的高IG主要由電子熱發射電流通過AlGaN勢壘控制，這種發射受到p-GaN柵堆疊內動態電容電壓分配的影響。這項研究不僅填補了在高電壓水平下正向柵I-V特性的知識空白，而且為進一步提高p-GaN柵HEMTs的ESD魯棒性提供了見解。作者還指出，反向柵ESD魯棒性的詳細分析將在未來進行。

圖2??對比了Keithley 4200參數分析儀和新開發的測試系統產生的脈沖規格。展示了測試系統在脈沖寬度、上升時間以及最大脈沖電流方面的優勢，這些特性對于捕捉和模擬快速ESD事件至關重要。

圖3 (Fig. 3)

• 圖3(a)?是利用SiC MOSFETs（S1, S2）的脈沖I-V測試系統的示意圖，展示了系統的主要組件和它們之間的連接方式。
• 圖3(b)?描述了兩個SiC MOSFETs和DUT的柵電壓波形，說明了如何通過控制MOSFETs的開關來生成所需的脈沖波形。
• 圖3(c)?是主測試板的頂視圖，展示了S2和R2組件的安裝位置，這些組件對于測試系統的性能至關重要。

圖4 (Fig. 4)

• 圖4(a)?展示了使用新測試系統測量的DUT的IG和VGS波形，包括測量延遲時間（td）和電流限制電阻（R1）的設置。
• 圖4(b)?展示了通過準靜態（QS）I-V測試、PIV測試和HBM ESD測試測量的正向IG特性。這些數據點幫助比較了不同測試條件下IG-VGS曲線，進一步證實了測試系統的有效性。

圖5 (Fig. 5)

• 圖5(a)?展示了DUT在不同機箱溫度下的脈沖IG-VGS特性，以及在區域II內不同td值的IG衰減情況。這些數據揭示了IG-VGS特性在不同溫度和時間條件下的變化，有助于理解IG的時間和溫度依賴性。
• 圖5(b)?進一步展示了在區域II內，隨著td的增加，IG的衰減情況，這與動態VGS分配和時間依賴性門擊穿機制有關。

圖6 (Fig. 6)

• 圖6(a)?和?圖6(b)?展示了p-GaN柵堆疊在區域II的示意性能帶圖。圖6(a)?展示了在VGS上升沿后立即的狀態，而圖6(b)?展示了理想穩態條件下的狀態。這些能帶圖有助于理解在ESD事件中電子和空穴的動態行為，以及它們如何影響IG。

結論（Conclusion）

Schottky型p-GaN門HEMTs在正向門ESD事件中表現出顯著更高的ESD魯棒性，這主要歸因于高瞬態正向IG，這是通過AlGaN勢壘的電子熱發射電流實現的，受到p-GaN門堆疊內動態電容電壓分配的影響。這項研究填補了在高電壓水平下正向門I-V特性的知識空白，并為進一步提高p-GaN門HEMTs的ESD魯棒性提供了見解。

總結

文章通過對Schottky型p-GaN門HEMTs在正向門ESD事件中的魯棒性進行研究，揭示了其高瞬態正向IG的機制，這對于理解和改進這類器件的ESD保護具有重要意義。作者使用基于SiC MOSFETs的高速脈沖I-V測試系統，不僅提供了一種新的測試手段，而且通過實驗數據和理論分析，為設計具有更高ESD魯棒性的p-GaN門HEMTs提供了科學依據。

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