漏極注入HPM對(duì)高電子遷移率晶體管的損傷機(jī)理

薛沛雯，方進(jìn)勇，李志鵬，孫靜

中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100

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漏極注入HPM對(duì)高電子遷移率晶體管的損傷機(jī)理

薛沛雯，方進(jìn)勇，李志鵬，孫靜*

中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100

針對(duì)典型GaAs高電子遷移率晶體管(HEMT)低噪聲放大器，利用半導(dǎo)體仿真軟件Sentaurus-TCAD建立了HEMT低噪聲放大器二維電熱模型，考慮高電場(chǎng)下的載流子遷移率退化和載流子雪崩產(chǎn)生效應(yīng)，分析了由漏極注入高功率微波(HPM)情況下器件內(nèi)部的瞬態(tài)響應(yīng)，通過(guò)分析器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、溫度分布隨信號(hào)作用時(shí)間的變化，研究了其損傷效應(yīng)與機(jī)理。研究結(jié)果表明，當(dāng)漏極注入幅值17.5 V、頻率為14.9 GHz的微波信號(hào)后，峰值溫度隨信號(hào)作用時(shí)間的變化呈現(xiàn)周期性“增加—減小—增加”的規(guī)律。在正半周期降溫，在負(fù)半周期升溫，總體呈上升趨勢(shì)，正半周電場(chǎng)峰值主要出現(xiàn)在漏極，負(fù)半周電場(chǎng)峰值主要出現(xiàn)在柵極靠漏側(cè)，端電流在第二周期之后出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象。由于熱積累效應(yīng)，柵極下方靠漏側(cè)是最先發(fā)生熔融燒毀的部位，嚴(yán)重影響了器件的可靠性，而漏極串聯(lián)電阻可以有效提高器件抗微波損傷能力。最后，對(duì)微波信號(hào)損傷的HEMT進(jìn)行表面形貌失效分析，表明仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

高功率微波；高電子遷移率晶體管；損傷機(jī)理；漏極；失效分析

隨著半導(dǎo)體器件尺寸不斷縮小,系統(tǒng)集成度不斷提高，其對(duì)外界電磁能量敏感度不斷上升。另外，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，使得半導(dǎo)體器件和集成電路極易受到高功率微波(HPM)的威脅。目前，已經(jīng)展開(kāi)HPM對(duì)器件與電路的損傷研究，取得了部分研究成果[1-2]。文獻(xiàn)[3]建立了一維熱失效模型，得到了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的損傷功率與脈寬的半經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[4]針對(duì)雙極型晶體管研究了不同引腳注入下的損傷效應(yīng)與機(jī)理，以及相位對(duì)燒毀時(shí)間的影響。文獻(xiàn)[5-6]開(kāi)展了一系列互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)反相器在高功率微波(HPM)干擾下的試驗(yàn)研究與機(jī)理分析。文獻(xiàn)[7]針對(duì)PIN限幅二極管電流絲的運(yùn)動(dòng)，研究了在注入不同峰值功率的電磁脈沖的情況下，限幅器的輸入輸出特性，以及器件熱損傷閾值與脈寬的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]分析了GaAs HEMT的燒毀特性。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料顯示，目前運(yùn)行的中低軌衛(wèi)星多數(shù)沒(méi)有采取抗HPM加固的技術(shù)措施，如果受到HPM武器的攻擊，衛(wèi)星上的低噪聲放大器將遭受強(qiáng)烈的干擾直至徹底失效，而高電子遷移率晶體管作為低噪聲放大器的核心器件，對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行研究具有十分重要的意義?，F(xiàn)有HEMT器件在高功率微波作用下研究主要由柵極注入，并且主要針對(duì)低頻段，極少有從漏極注入的情況，但高功率微波可能通過(guò)多種途徑耦合進(jìn)入電子內(nèi)部，作用到低噪聲放大器的各個(gè)引腳上，對(duì)其產(chǎn)生干擾甚至破壞，因此研究從漏極注入HPM后HEMT器件的損傷機(jī)理具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

本文利用Sentaurus-TCAD軟件，針對(duì)0.25 μm柵長(zhǎng)的AlGaAs/InGaAs高電子遷移率晶體管，對(duì)從漏極注入17.5 V，14.9 GHz微波信號(hào)作用下的燒毀過(guò)程進(jìn)行了仿真，根據(jù)器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、溫度分布隨時(shí)間的變化，分析了其損傷機(jī)理，并研究了漏極串聯(lián)電阻對(duì)器件微波損傷的影響。

1 仿真模型

1.1 器件結(jié)構(gòu)與信號(hào)模型

本文在TCAD 中仿真采用的是典型的AlGaAs/InGaAs HEMT結(jié)構(gòu)，如圖1所示。HEMT主要由GaAs襯底、InGaAs溝道、AlGaAs勢(shì)壘層、Si3N4鈍化層、GaAs帽層組成，其中In(1-α)GaαAs(α=0.75)溝道厚度為10nm,AlαGa(1-α)As(α=0.3)勢(shì)壘層厚度為34.5 nm,GaAs帽層厚度為30 nm,Si3N4鈍化層厚度為50 nm,δ摻雜層厚度為2 nm,其中心位置在y=0.031 mm處。肖特基柵向勢(shì)壘層的刻蝕深度為15 nm，柵長(zhǎng)為0.25 μm，柵兩邊是40 nm寬的絕緣氧化層，肖特基勢(shì)壘高度為0.9 eV。襯底下表面設(shè)定為300 K的理想熱沉，其他表面采用絕熱邊界條件。

注入信號(hào)等效成正弦電壓信號(hào)，該信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：U0為信號(hào)幅值；D為信號(hào)衰減因子；td為時(shí)間延遲；f為頻率。器件轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2所示，可知器件為耗盡型，因此，設(shè)定柵極偏壓Vgs=0 V，漏極偏壓Vds=2 V,源級(jí)接地，漏極注入幅值為17.5 V，頻率為14.9 GHz，初相φ為零的無(wú)衰減連續(xù)正弦電壓信號(hào)，直至器件內(nèi)部任一點(diǎn)達(dá)到GaAs的熔點(diǎn)1 511 K，此時(shí)判定器件燒毀。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2所示。

1.2 數(shù)值模型

本文使用Sentaurus-TCAD軟件模擬從GaAs HEMT漏極注入高功率微波的燒毀過(guò)程。采用熱力學(xué)模型與流體力學(xué)模型模擬內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程[8]。除了解算泊松和載流子連續(xù)性方程之外，還解算了載流子溫度和熱流方程。模擬燒毀的過(guò)程需要考慮器件的自熱效應(yīng)，得到自熱效應(yīng)對(duì)器件內(nèi)部溫度分布的影響需求解以下方程：

(2)

式中：c為晶格熱熔；k為熱導(dǎo)率；T為溫度，Pn和Pp分別為電子和空穴絕對(duì)熱電功率；Jn和Jp分別為電子和空穴的電流密度；Ec和Ev分別為導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能量。

本文除了考慮摻雜濃度和載流子散射對(duì)遷移率的影響外，特別考慮了高電場(chǎng)對(duì)遷移率的影響，由高場(chǎng)決定的遷移率模型采用Canali遷移率模型[8]。

載流子產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程將SRH復(fù)合，俄歇復(fù)合和載流子雪崩產(chǎn)生考慮在內(nèi)，此外，還考慮了源、漏極由于高濃度摻雜而引發(fā)的載流子隧穿效應(yīng)。

2 仿真結(jié)果與分析

首先，討論當(dāng)漏極注入幅值17.5 V，頻率14.9 GHz微波信號(hào)時(shí)，器件內(nèi)部的升溫過(guò)程。仿真電路如圖3所示。

圖4是信號(hào)作用下器件內(nèi)部峰值溫度隨時(shí)間的變化，實(shí)線代表溫度，虛線代表微波信號(hào)，可以看出峰值溫度隨信號(hào)作用時(shí)間的變化呈現(xiàn)周期性“增加—減小—增加”的規(guī)律，在正半周期降溫，在負(fù)半周期升溫，而整體趨勢(shì)隨信號(hào)作用時(shí)間的持續(xù)而不斷增高，具有累積效應(yīng)，在第9個(gè)周期的負(fù)半周期燒毀，器件峰值溫度達(dá)到GaAs熔點(diǎn)1 511 K[9]。由于溫度隨時(shí)間變化在第二周期后趨于穩(wěn)定，為了解釋以上現(xiàn)象，以第二周期為例進(jìn)行分析，圖5為負(fù)半周期峰值的電場(chǎng)強(qiáng)度與電流密度分布，圖6為正半周期兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度與電流密度分布。

在負(fù)半周期，施加于漏極的信號(hào)源為反向電壓，此時(shí)電場(chǎng)峰值位于柵極偏漏側(cè)，以及AlGaAs/InGaAs異質(zhì)結(jié)界面處，電流在異結(jié)界面處由漏極流向源極，如圖5(a)所示。隨著信號(hào)電壓不斷升高達(dá)到負(fù)半周峰值(t=0.11 ns)時(shí)，柵極靠漏側(cè)電勢(shì)差達(dá)到GaAs材料的雪崩擊穿電場(chǎng)值(1.75×105V/cm)，形成從柵極到二維電子氣(2DEG)的導(dǎo)電溝道，雪崩擊穿產(chǎn)生大量載流子使柵極靠漏極側(cè)電流密度迅速上升，由于漏極加了反向電壓，雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子無(wú)法及時(shí)運(yùn)輸，導(dǎo)致柵極靠漏測(cè)電流密度高于其他位置的電流密度，如圖5(b)所示。功率密度是Q=J?E，其中J、E分別為電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度，所以溫度由電流密度J和電場(chǎng)強(qiáng)度E兩個(gè)參數(shù)共同決定，功率耗散產(chǎn)生的熱量使器件溫度迅速上升[10]。柵極下方靠漏極側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度都非常大，當(dāng)功率耗散產(chǎn)生的熱量大于向周圍擴(kuò)散的熱量時(shí)，溫度持續(xù)升高，直至燒毀。由以上分析可知，溫度在負(fù)半周期得到積累。

在正半周期，電流由漏極流向源極，隨著漏極電壓的增大，柵極下方勢(shì)壘層耗盡區(qū)逐漸加寬，當(dāng)勢(shì)壘層擴(kuò)展到GaAs襯底時(shí)，空間電荷區(qū)連通，在空間電荷區(qū)連通的區(qū)域內(nèi)自由載流子全部耗盡，此時(shí)溝道夾斷，當(dāng)柵極靠漏側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到雪崩擊穿電場(chǎng)值時(shí)，產(chǎn)生的載流子被迅速漂移進(jìn)漏極，如圖6(a)(b)所示，可見(jiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值與電流密度峰值未出現(xiàn)在同一區(qū)域，信號(hào)功率所產(chǎn)生的熱量比周圍傳導(dǎo)的熱量少，使得第一周期正半周峰值溫度無(wú)明顯上升，第二周期之后正半周期溫度在原有基礎(chǔ)上開(kāi)始下降。當(dāng)信號(hào)電壓繼續(xù)增加時(shí)，空間電荷調(diào)制效應(yīng)使電場(chǎng)峰值轉(zhuǎn)移到漏極襯底處，然而此時(shí)電流密度峰值出現(xiàn)在靠漏極勢(shì)壘層以及InGaAs溝道處，如圖6(c)(d)所示，因此峰值溫度仍然在柵極下方靠漏側(cè)。當(dāng)t>0.084 ns時(shí)，隨著漏極注入電壓的降低，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，電流流向源極，漏端電流密度下降。

2.1 電流密度隨時(shí)間的變化

圖7是器件燒毀前柵極電流密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，由圖可知，電流從第6個(gè)周期出現(xiàn)了明顯的雙峰現(xiàn)象，因此以第6周期為例，在正半周期，柵極下方靠漏測(cè)達(dá)到雪崩擊穿的臨界值，柵電流在初始時(shí)刻出現(xiàn)電流峰值，由于電子在高電場(chǎng)下及時(shí)被運(yùn)走，電流密度開(kāi)始下降，然而溫度具有累積效應(yīng)，隨著溫度持續(xù)升高，柵極下方熱激發(fā)的載流子迅速增加，導(dǎo)致此處電流密度增大，柵極電流再次上升，出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象[11]。穩(wěn)定后柵極電流密度約為-0.000 75 A/μm，漏極電流密度約為0.014 6 A/μm，源級(jí)電流密度約為-0.011 A/μm，可見(jiàn)電流在正半周期主要從漏極流向源極。在負(fù)半周期，隨著輸入信號(hào)電壓的增大，柵極靠漏測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度快速增大，發(fā)生雪崩擊穿，導(dǎo)致柵極電流密度迅速增大，柵極電流密度為0.047 A/μm，漏極電流密度為-0.062 A/μm，源極電流密度為0.01 A/μm，可見(jiàn)電流主要由柵極流向漏極，其次由源極流向漏極，與之前分析一致。圖8是第7周期正半周期峰值處以及燒毀時(shí)刻(負(fù)半周)內(nèi)部電流密度分布圖，由圖可得，正半周期電流密度峰值出現(xiàn)在漏極，同時(shí)二維電子氣導(dǎo)電溝道導(dǎo)通，電子被及時(shí)運(yùn)走，在負(fù)半周期，電流密度峰值出現(xiàn)在柵極下方靠漏側(cè)，由于漏極上加有反向電壓，電子聚集于此，導(dǎo)致此處溫度升高，最先到達(dá)GaAs的熔點(diǎn)[12]。

2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

圖9為第7周期正半周峰值(t=0.41 ns)和燒毀時(shí)刻(t=0.59 ns)器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布，可以看出，在正半周期，隨著注入電壓的增大，電場(chǎng)峰值出現(xiàn)在漏極，柵極下方靠漏側(cè)以及柵極下方靠源側(cè)，因?yàn)樾盘?hào)電壓從漏極注入，所以漏極電壓相對(duì)更大，雪崩擊穿首先在這個(gè)位置出現(xiàn)，而在負(fù)半周，電場(chǎng)峰值轉(zhuǎn)移到柵極下方靠漏側(cè)，發(fā)生雪崩擊穿后，電流密度峰值也出現(xiàn)在此處。

2.3 溫度隨時(shí)間的變化

由熱傳導(dǎo)方程可知，溫度變化一方面來(lái)自熱量傳輸，一方面來(lái)自熱量產(chǎn)生，而單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱量的產(chǎn)生量可以表示為Q=J?E，可見(jiàn)溫度是由電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度決定的。在正半周期，由于電子在高電場(chǎng)下及時(shí)被運(yùn)走，功率耗散產(chǎn)生的熱量小于向周圍擴(kuò)散的熱量，溫度緩慢下降，但是由于在負(fù)半周產(chǎn)生熱量大于向周圍擴(kuò)散的熱量，溫度得到積累，整體呈上升趨勢(shì)。在第6個(gè)周期之后，器件在溫度大于GaAs材料的本征激發(fā)溫度(750°C)，GaAs材料中的一些價(jià)電子就可以掙脫共價(jià)鍵的束縛形成自由電子[13]，使得參與導(dǎo)電的載流子大幅增加，器件內(nèi)部電流快速增大，在強(qiáng)電場(chǎng)和大電流的雙重作用下，升溫過(guò)程更加劇烈，溫度在正負(fù)半周交替積累，最終達(dá)到GaAs材料的熔點(diǎn)。由仿真結(jié)果看出，柵極下方靠漏側(cè)是最先燒毀點(diǎn)。燒毀時(shí)刻溫度分布如圖10所示。

2.4 漏極串聯(lián)電阻對(duì)燒毀時(shí)間的影響

為了研究漏極串聯(lián)電阻Rd的作用，給圖3中漏極串聯(lián)5Ω的電阻，如圖11所示，當(dāng)漏極注入了幅值17.5 V,頻率為14.9 GHz的信號(hào)后，圖12給出了串聯(lián)電阻后溫度隨時(shí)間變化的曲線，結(jié)果表明漏極串聯(lián)電阻可以明顯減緩器件內(nèi)部溫度累積效應(yīng)，延長(zhǎng)器件工作時(shí)間。圖中可看出溫度在上升到1 451 K時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于漏極在正弦電壓作用下，會(huì)迅速產(chǎn)生大的漏電流，而在漏極串聯(lián)電阻后，因負(fù)反饋?zhàn)饔檬沟眉釉诼O的電壓降低，從而減緩器件的升溫速度，對(duì)HEMT器件起到限壓作用[14-15]。由此可見(jiàn)，漏極串聯(lián)電阻可以有效提高器件抗微波損傷能力。

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

采用微波注入方式進(jìn)行試驗(yàn)，使用前級(jí)激勵(lì)源和功率放大器產(chǎn)生微波脈沖，模擬HPM脈沖[16]，通過(guò)可調(diào)衰減器后注入到待測(cè)HEMT器件，使用示波器，噪聲分析儀組成微波測(cè)量系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)待測(cè)器件的輸入輸出波形。器件注入Ku波段高功率微波信號(hào)，直至器件燒毀。

圖13為利用掃描電子顯微鏡對(duì)微波損傷的HEMT器件進(jìn)行表面形貌微觀檢測(cè)的典型失效照片，圖13(a)圓圈部分為器件燒毀位置，圖13(b)為(a)圖局部放大部分，由圖中可以看出，HEMT器件柵極條出現(xiàn)燒毀熔斷，燒毀部位形成熔球，由圖13(b)可觀測(cè)出燒毀點(diǎn)出現(xiàn)在柵極下方，與之前分析的理論基本符合，因此，本文建立的HEMT模型可用來(lái)分析器件在微波注入下的損傷效應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借助Sentaurus-TCAD軟件建立仿真模型對(duì)GaAs HEMT漏極注入高功率微波的損傷效應(yīng)和機(jī)理進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，由于熱積累效應(yīng)，柵極下方靠近漏側(cè)是最容易燒毀的部位，當(dāng)溫度大于GaAs材料的本征激發(fā)溫度(750°C)，電流密度迅速增大，在強(qiáng)電場(chǎng)和電流密度雙重作用下，溫度急劇升高直至燒毀，而漏極串聯(lián)電阻可以有效地提高器件抗微波損傷能力。最后，對(duì)微波信號(hào)損傷后的高電子遷移率晶體管進(jìn)行表面形貌失效分析，驗(yàn)證了仿真和試驗(yàn)具有良好的一致性，對(duì)HEMT器件的防護(hù)加固具有重要指導(dǎo)作用。

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(編輯：高珍)

Damage mechanism of the high electron mobility transistor induced by HPM from drain electrode

XUE Peiwen, FANG Jinyong, LI Zhipeng, SUN Jing*

ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an),Xi′an710100,China

A two-dimensional electro-thermal model of the typical HEMT was established by simulation software Sentaurus-TCAD. Mobility degradation in high electric field, Avalanche generate effect and self-heating effect were considered, by analyzing the distributions and variations of the electric field, the current density and the temperature, a detailed investigation of the damage effect and mechanism of high power microwave (HPM) on AlGaAs/GaAs pseudomorphic high-electron-mobility transistor (pHEMT) under the injection of 14.9 GHz equivalent voltage signals from the drain electrode was performed. The simulation results suggest that intrinsic excitation, avalanche breakdown, thermal breakdown all contribute to damage process, the temperature behaves as periodic “increasing-decreasing-increasing” oscillation and the whole trend continuously increases with time and it decreases during positive half cycle and increases during negative cycle. The gate current density appears double peak phenomenon because avalanche breakdown and thermal excitation. Heat accumulation occurs during the negative half cycle and below the gate near the drain side is most susceptible to burn-out. Meanwhile, the drain terminal series resistance can enhance the capability of the device to withstand microwave damage effectively.

high power microwave； high electron mobility transistor； damage mechanism；drain electrode；failure analysis

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0016

2016-10-25；

2016-11-30；錄用日期：2017-01-24；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-31 11:00:30

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1100.009.html

薛沛雯(1992-)，女，碩士研究生，xuepeiwenl@163.com，研究方向?yàn)楦吖β饰⒉ㄐ?yīng)、半導(dǎo)體器件

*通訊作者：孫靜(1980-)，男，高級(jí)工程師，willim_002@126.com，研究方向?yàn)楦吖β饰⒉ㄐ?yīng)

薛沛雯,方進(jìn)勇,李志鵬,等.漏極注入HPM對(duì)高電子遷移率晶體管的損傷機(jī)理[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2017,

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