漏極注入HPM對高電子遷移率晶體管的損傷機理

薛沛雯，方進勇，李志鵬，孫靜

中國空間技術研究院 西安分院，西安 710100

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漏極注入HPM對高電子遷移率晶體管的損傷機理

薛沛雯，方進勇，李志鵬，孫靜*

中國空間技術研究院 西安分院，西安 710100

針對典型GaAs高電子遷移率晶體管(HEMT)低噪聲放大器，利用半導體仿真軟件Sentaurus-TCAD建立了HEMT低噪聲放大器二維電熱模型，考慮高電場下的載流子遷移率退化和載流子雪崩產生效應，分析了由漏極注入高功率微波(HPM)情況下器件內部的瞬態響應，通過分析器件內部電場強度、電流密度、溫度分布隨信號作用時間的變化，研究了其損傷效應與機理。研究結果表明，當漏極注入幅值17.5 V、頻率為14.9 GHz的微波信號后，峰值溫度隨信號作用時間的變化呈現周期性“增加—減小—增加”的規律。在正半周期降溫，在負半周期升溫，總體呈上升趨勢，正半周電場峰值主要出現在漏極，負半周電場峰值主要出現在柵極靠漏側，端電流在第二周期之后出現明顯的雙峰現象。由于熱積累效應，柵極下方靠漏側是最先發生熔融燒毀的部位，嚴重影響了器件的可靠性，而漏極串聯電阻可以有效提高器件抗微波損傷能力。最后，對微波信號損傷的HEMT進行表面形貌失效分析，表明仿真與試驗結果基本相符。

高功率微波；高電子遷移率晶體管；損傷機理；漏極；失效分析

隨著半導體器件尺寸不斷縮小,系統集成度不斷提高，其對外界電磁能量敏感度不斷上升。另外，電磁環境日益復雜，使得半導體器件和集成電路極易受到高功率微波(HPM)的威脅。目前，已經展開HPM對器件與電路的損傷研究，取得了部分研究成果[1-2]。文獻[3]建立了一維熱失效模型，得到了與試驗數據相符合的損傷功率與脈寬的半經驗公式。文獻[4]針對雙極型晶體管研究了不同引腳注入下的損傷效應與機理，以及相位對燒毀時間的影響。文獻[5-6]開展了一系列互補金屬氧化物半導體(CMOS)反相器在高功率微波(HPM)干擾下的試驗研究與機理分析。文獻[7]針對PIN限幅二極管電流絲的運動，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系。文獻[11]分析了GaAs HEMT的燒毀特性。據現有文獻資料顯示，目前運行的中低軌衛星多數沒有采取抗HPM加固的技術措施，如果受到HPM武器的攻擊，衛星上的低噪聲放大器將遭受強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，對其損傷機理進行研究具有十分重要的意義?，F有HEMT器件在高功率微波作用下研究主要由柵極注入，并且主要針對低頻段，極少有從漏極注入的情況，但高功率微波可能通過多種途徑耦合進入電子內部，作用到低噪聲放大器的各個引腳上，對其產生干擾甚至破壞，因此研究從漏極注入HPM后HEMT器件的損傷機理具有一定現實意義。

本文利用Sentaurus-TCAD軟件，針對0.25 μm柵長的AlGaAs/InGaAs高電子遷移率晶體管，對從漏極注入17.5 V，14.9 GHz微波信號作用下的燒毀過程進行了仿真，根據器件內部電場強度、電流密度、溫度分布隨時間的變化，分析了其損傷機理，并研究了漏極串聯電阻對器件微波損傷的影響。

1 仿真模型

1.1 器件結構與信號模型

本文在TCAD 中仿真采用的是典型的AlGaAs/InGaAs HEMT結構，如圖1所示。HEMT主要由GaAs襯底、InGaAs溝道、AlGaAs勢壘層、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。肖特基柵向勢壘層的刻蝕深度為15 nm，柵長為0.25 μm，柵兩邊是40 nm寬的絕緣氧化層，肖特基勢壘高度為0.9 eV。襯底下表面設定為300 K的理想熱沉，其他表面采用絕熱邊界條件。

注入信號等效成正弦電壓信號，該信號數學表達式為：

(1)

式中：U0為信號幅值；D為信號衰減因子；td為時間延遲；f為頻率。器件轉移特性曲線如圖2所示，可知器件為耗盡型，因此，設定柵極偏壓Vgs=0 V，漏極偏壓Vds=2 V,源級接地，漏極注入幅值為17.5 V，頻率為14.9 GHz，初相φ為零的無衰減連續正弦電壓信號，直至器件內部任一點達到GaAs的熔點1 511 K，此時判定器件燒毀。轉移特性曲線如圖2所示。

1.2 數值模型

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程。采用熱力學模型與流體力學模型模擬內部載流子的傳輸過程[8]。除了解算泊松和載流子連續性方程之外，還解算了載流子溫度和熱流方程。模擬燒毀的過程需要考慮器件的自熱效應，得到自熱效應對器件內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為熱導率；T為溫度，Pn和Pp分別為電子和空穴絕對熱電功率；Jn和Jp分別為電子和空穴的電流密度；Ec和Ev分別為導帶底和價帶頂能量。

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

載流子產生復合過程將SRH復合，俄歇復合和載流子雪崩產生考慮在內，此外，還考慮了源、漏極由于高濃度摻雜而引發的載流子隧穿效應。

2 仿真結果與分析

首先，討論當漏極注入幅值17.5 V，頻率14.9 GHz微波信號時，器件內部的升溫過程。仿真電路如圖3所示。

圖4是信號作用下器件內部峰值溫度隨時間的變化，實線代表溫度，虛線代表微波信號，可以看出峰值溫度隨信號作用時間的變化呈現周期性“增加—減小—增加”的規律，在正半周期降溫，在負半周期升溫，而整體趨勢隨信號作用時間的持續而不斷增高，具有累積效應，在第9個周期的負半周期燒毀，器件峰值溫度達到GaAs熔點1 511 K[9]。由于溫度隨時間變化在第二周期后趨于穩定，為了解釋以上現象，以第二周期為例進行分析，圖5為負半周期峰值的電場強度與電流密度分布，圖6為正半周期兩個不同時間點的電場強度與電流密度分布。

在負半周期，施加于漏極的信號源為反向電壓，此時電場峰值位于柵極偏漏側，以及AlGaAs/InGaAs異質結界面處，電流在異結界面處由漏極流向源極，如圖5(a)所示。隨著信號電壓不斷升高達到負半周峰值(t=0.11 ns)時，柵極靠漏側電勢差達到GaAs材料的雪崩擊穿電場值(1.75×105V/cm)，形成從柵極到二維電子氣(2DEG)的導電溝道，雪崩擊穿產生大量載流子使柵極靠漏極側電流密度迅速上升，由于漏極加了反向電壓，雪崩擊穿產生的載流子無法及時運輸，導致柵極靠漏測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強度，所以溫度由電流密度J和電場強度E兩個參數共同決定，功率耗散產生的熱量使器件溫度迅速上升[10]。柵極下方靠漏極側的電場強度和電流密度都非常大，當功率耗散產生的熱量大于向周圍擴散的熱量時，溫度持續升高，直至燒毀。由以上分析可知，溫度在負半周期得到積累。

在正半周期，電流由漏極流向源極，隨著漏極電壓的增大，柵極下方勢壘層耗盡區逐漸加寬，當勢壘層擴展到GaAs襯底時，空間電荷區連通，在空間電荷區連通的區域內自由載流子全部耗盡，此時溝道夾斷，當柵極靠漏側電場強度達到雪崩擊穿電場值時，產生的載流子被迅速漂移進漏極，如圖6(a)(b)所示，可見電場強度峰值與電流密度峰值未出現在同一區域，信號功率所產生的熱量比周圍傳導的熱量少，使得第一周期正半周峰值溫度無明顯上升，第二周期之后正半周期溫度在原有基礎上開始下降。當信號電壓繼續增加時，空間電荷調制效應使電場峰值轉移到漏極襯底處，然而此時電流密度峰值出現在靠漏極勢壘層以及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。當t>0.084 ns時，隨著漏極注入電壓的降低，電場強度減小，電流流向源極，漏端電流密度下降。

2.1 電流密度隨時間的變化

圖7是器件燒毀前柵極電流密度隨時間的變化規律，由圖可知，電流從第6個周期出現了明顯的雙峰現象，因此以第6周期為例，在正半周期，柵極下方靠漏測達到雪崩擊穿的臨界值，柵電流在初始時刻出現電流峰值，由于電子在高電場下及時被運走，電流密度開始下降，然而溫度具有累積效應，隨著溫度持續升高，柵極下方熱激發的載流子迅速增加，導致此處電流密度增大，柵極電流再次上升，出現了雙峰現象[11]。穩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，源級電流密度約為-0.011 A/μm，可見電流在正半周期主要從漏極流向源極。在負半周期，隨著輸入信號電壓的增大，柵極靠漏測電場強度快速增大，發生雪崩擊穿，導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刻(負半周)內部電流密度分布圖，由圖可得，正半周期電流密度峰值出現在漏極，同時二維電子氣導電溝道導通，電子被及時運走，在負半周期，電流密度峰值出現在柵極下方靠漏側，由于漏極上加有反向電壓，電子聚集于此，導致此處溫度升高，最先到達GaAs的熔點[12]。

2.2 電場強度隨時間的變化

圖9為第7周期正半周峰值(t=0.41 ns)和燒毀時刻(t=0.59 ns)器件內部電場強度分布，可以看出，在正半周期，隨著注入電壓的增大，電場峰值出現在漏極，柵極下方靠漏側以及柵極下方靠源側，因為信號電壓從漏極注入，所以漏極電壓相對更大，雪崩擊穿首先在這個位置出現，而在負半周，電場峰值轉移到柵極下方靠漏側，發生雪崩擊穿后，電流密度峰值也出現在此處。

2.3 溫度隨時間的變化

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

2.4 漏極串聯電阻對燒毀時間的影響

為了研究漏極串聯電阻Rd的作用，給圖3中漏極串聯5Ω的電阻，如圖11所示，當漏極注入了幅值17.5 V,頻率為14.9 GHz的信號后，圖12給出了串聯電阻后溫度隨時間變化的曲線，結果表明漏極串聯電阻可以明顯減緩器件內部溫度累積效應，延長器件工作時間。圖中可看出溫度在上升到1 451 K時開始出現下降趨勢。由于漏極在正弦電壓作用下，會迅速產生大的漏電流，而在漏極串聯電阻后，因負反饋作用使得加在漏極的電壓降低，從而減緩器件的升溫速度，對HEMT器件起到限壓作用[14-15]。由此可見，漏極串聯電阻可以有效提高器件抗微波損傷能力。

3 仿真結果與試驗對比

采用微波注入方式進行試驗，使用前級激勵源和功率放大器產生微波脈沖，模擬HPM脈沖[16]，通過可調衰減器后注入到待測HEMT器件，使用示波器，噪聲分析儀組成微波測量系統，監測待測器件的輸入輸出波形。器件注入Ku波段高功率微波信號，直至器件燒毀。

圖13為利用掃描電子顯微鏡對微波損傷的HEMT器件進行表面形貌微觀檢測的典型失效照片，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器件柵極條出現燒毀熔斷，燒毀部位形成熔球，由圖13(b)可觀測出燒毀點出現在柵極下方，與之前分析的理論基本符合，因此，本文建立的HEMT模型可用來分析器件在微波注入下的損傷效應。

4 結束語

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

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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；網絡出版時間：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，研究方向為高功率微波效應、半導體器件

*通訊作者：孫靜(1980-)，男，高級工程師，willim_002@126.com，研究方向為高功率微波效應

薛沛雯,方進勇,李志鵬,等.漏極注入HPM對高電子遷移率晶體管的損傷機理[J].中國空間科學技術,2017,

37(3)：93-100.XUEPW,FANGJY,LIZP,etal.DamagemechanismofthehighelectronmobilitytransistorinducedbyHPMfromdrainelectrode[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(3)：93-100(inChinese).

V416.8

A

http:∥zgkj.cast.cn