硅光器件的ESD特性

这篇笔记主要给大家介绍下IMEC对其硅光有源器件的ESD性能的表征。

ESD的全称是electrostatic discharge, 即静电放电。在芯片的生产制造运输过程中，芯片中会积累一定的静电。当人体或者设备与芯片接触时，会形成静电放电的路径，产生瞬时的静电高电压与大电流，导致芯片发生损坏。因此芯片的ESD防护显得尤为重要。芯片的ESD测试分为三种模式，

1）人体放电模式(human boday model, 简称HBM)

HBM模式的等效电路如下图所示，用1.5K的电阻以及100pF的电容等效人体，当电容对待测器件DUT进行放电，即模拟了因人体与器件接触导致人体静电对待测器件放电的过程。

(图片来自http://www.aeroelectric.com/Reference_Docs/ESD/Human%20body%20model%20and%20ESD.pdf)

2）机器放电模式(machine model)

机器放电模式的等效电路如下图所示，其电路与HBM模式非常相似，唯一的区别是将电阻替换成500nH的电感。该电路模拟了因设备携带静电，当其与待测器件接触时，发生静电放电的过程。由于设备通常是由金属制造，所以其等效电阻设为0。

（图片来自https://minotaurlabs.com/mm-dont-do-it/）

3）元件充电模式(charge device model，简称CDM)

上述两种模式都是外界对器件放电，而CDM模式针对的是器件本身通过一定方式含有静电，一旦其某个pin脚接触到地，就会发生放电，导致产生瞬时的大电流，导致器件损坏。其等效电路如下图所示，

（图片来自https://www.rfwireless-world.com/Articles/ESD-basics-and-ESD-tester.html）

硅光的有源器件本质上也是PN结，因此其也存在着ESD问题。但是似乎并没有文章系统讨论硅光器件的ESD性能。IMEC近期发表了一篇硅光器件自身ESD性能表征的文章，包括Ge探测器、EAM调制器以及微环调制器，如下图所示。

（图片来自文献1）

实验中定义了两种ESD测试失效的标准：

1) 正向偏压时，1uA对应的电压降低大于10%

2) 反向偏压时，-3V对应的电流大于500nA

典型的曲线如下图所示，MRM在施加125V电压后，电压降低大于10%；EAM在施加125V偏压后，电流增加大于500nA。

（图片来自文献1）

三类器件的HBM测试结果如下图所示，EAM与MRM的ESD性能相对较差，只能承受-125V的静电。Ge PD可以承受-200V的静电。Ge PD的器件宽度比EAM和MRM都大，因此宽度较大的有源器件，其ESD性能也相对较好。

（图片来自文献1）

三类器件的CDM测试结果如下图所示，其趋势与HBM结果类似。EAM的失效电压为300V和-275V, MRM的失效电压为650V与-800V，Ge PD的失效电压较高，达到+-1000V

（图片来自文献1）

EAM的ESD性能相对较差，与其上方有一个悬浮的金属heater有关，如下图所示。

（图片来自文献1）

此外，器件的光学性能在ESD测试前后并没有发生明显的变化，这里就不一一列举测试结果，以PD为例，其响应率在测试过程中没有发生明显的变化，如下图所示。

(图片来自文献1)

简单整理下，通过IMEC对Ge PD、EAM和MRM的ESD测试分析，可以得到如下几个结论，

1）硅光有源器件有一定的ESD自我保护性能，可以满足S20.20标准的要求（HBM:+-100V, CDM: +-200V）

2) 宽度越大的器件，其ESD性能越好。Ge PD的ESD性能相对较好。

3) 器件的光学性能在ESD测试前后没有明显的变化

4) 金属heater会对器件的ESD性能产生影响

在实际硅光产品中，往往会在器件附近并联一个反向二极管或者三极管作为ESD保护电路。对于大规模集成光路来说，可能会因为某几个有源器件ESD失效导致整个光路无法正常工作。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。

参考文献：

1. S. Chen, et.al., "HBM and CDM ESD Performance of Advanced Silicon Photonic Components", IEEE 43rd Annual EOS/ESD Symposium (2021)