GaN毫米波集成电路片上静电保护关键技术研究

GaN-based technology has become a promising alternative for fabricating microwave, millimeter-wave (MMW) and high power integrated circuits(IC). However, researches on the ESD reliability of GaN-based devices and on-chip ESD protection techniques for GaN-based ICs are in the primary phase, especially the ESD protection technique for GaN MMW ICs which is still a blank field. This project aims to make breakthroughs in the analysis of ESD characteristics of GaN-based devices (Schottky diodes, pHEMT, et al.), design techniques of ESD protection circuits and co-design methods of ESD protection circuit and core circuits for MMW ICs. The ESD reliability and failure mechanisms of GaN-based Schottky diodes and pHEMTs are investigated experimentally. The drift and sudden change of DC characteristics and parasitic parameters are analyzed. We study and propose novel ESD protection circuit structures for GaN MMIC. Techniques for lower power leakage, higher ESD protection level and reusability are investigated. Furthermore, we develop the co-design methods of GaN-based MMW IC and its ESD protection circuits. The mechanisms of the effect of ESD protection circuits on the core circuit are analyzed. Techniques for reducing the harmful effects are explored. Finally, a MMW power amplifier with on-chip ESD protection circuits is designed and experimentally validated.

GaN半导体工艺在微波毫米波及高功率集成电路领域具有广阔的应用前景，然而国际上针对该工艺器件ESD特性及片上ESD保护技术研究尚处于起步阶段，尤其是毫米波频段GaN集成电路ESD保护技术研究尚为空白。本项目旨在突破GaN基器件ESD特性及失效机理分析、ESD保护电路设计、毫米波频段ESD保护电路与核心电路的协同优化设计等关键技术。实验研究GaN工艺肖特基二极管、pHEMT等器件在ESD下的可靠性及其失效机制，揭示器件直流特性、寄生参数等在ESD下的迁移与突变机制；研究应用于GaN MMIC的新型ESD保护电路结构，发展低功率泄漏、高ESD保护等级、高可复用性的ESD保护电路设计方法；研究GaN毫米波集成电路中ESD保护电路与核心电路的协同设计方法，分析ESD保护电路对核心电路性能的影响机理，探索减小该不良影响的技术途径，完成一款带有ESD保护电路的毫米波功率放大器的设计与测试验证。

第三代半导体技术随着5G通信技术、电动汽车、消费电子的迭代更新也在快速发展。其中主要以GaN/AlGaN的功率型器件发展最受欢迎。这类器件具有耐高压、耐高温、高迁移率等优点，可以应用于高压、高功率等领域。目前部分器件已应用于市场，但是基于这些器件和电路的可靠性研究较为匮乏，其中关于静电放电对这些器件和电路的损坏研究还在刚起步阶段。所以GaN毫米波集成电路片上静电保护关键技术研究是如今迫切需要解决的话题。该项目主要从静电放电(Electrostatic discharge, ESD)保护器件的触发特性、闩锁效应、泄放电流能力三方面研究。目前市场化基于GaN的功率型器件是和CMOS工艺兼容，在Si衬底上做掩埋层和刻蚀形成器件，所以本项目牵涉Si工艺的讨论和研究。 ESD保护器件的快速触发可以将被保护电路的电压钳位在安全范围，同时在单脉冲下不会出现过冲效应。器件在泄放电流结束后要快速关闭，不影响内部核心电路的正常工作，所以维持ESD保护器件开启的最低电压要高于工作电压，避免ESD保护器件出现闩锁。另外，重要的参数还有ESD保护器件的防静电等级，该参数主要依赖于器件单位面积泄放电流的能力，当然可以通过增大面积提高整体泄放电流能力，但是牵涉集成电路面积占用和引入寄生电容等问题。因此以上都是本项目研究的重点内容。本项目目前已发表18篇英文文献和7篇中文文献。首先通过改变掺杂区域、器件结构、器件内部嵌入其他结构、外部辅助触发等手段调节器件的触发电压。然后在传统ESD保护器件内部引入单位面积泄放能力强的器件提高ESD保护器件的泄放电流能力。最后通过串联器件、分流主要器件电流从而提高器件的最小工作电压避免闩锁。目前基于GaN功率型器件的静电放电研究主要还是关于自身抗静电以及失效原因的分析。把基于GaN的功率型器件作为ESD保护器件研究还比较缺乏，所以本项目已有的成果可以较好的为设计者提供思路和科学依据。