外界條件在電磁脈沖對(duì)GaAs贗高電子遷移率晶體管損傷過程中的影響?

席曉文 柴常春 劉陽(yáng) 楊銀堂 樊慶揚(yáng)

(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,教育部寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

1 引 言

低噪聲放大器(low noise ampli fier,LNA)通常位于電子系統(tǒng)的前端,易受到外界電磁脈沖(electromagnetic pulse,EMP)的影響而失效甚至燒毀,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓[1].GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)作為L(zhǎng)NA的主要器件,研究其在外界EMP作用下的損傷效應(yīng)和機(jī)理對(duì)于電子系統(tǒng)和電路的抗電磁脈沖損傷加固設(shè)計(jì)具有重要的意義.目前,對(duì)于半導(dǎo)體器件電磁脈沖損傷效應(yīng)和機(jī)理的研究,基本都是圍繞電磁脈沖直接作用于器件的情況[2?13],而考慮外界條件的影響則少見報(bào)道[14,15].然而,實(shí)際中EMP往往不直接作用于器件,而是先通過天線或孔縫等途徑耦合進(jìn)入系統(tǒng),然后再經(jīng)過外電路注入到器件上.因此,最終施加到器件上的EMP信號(hào)由于耦合路徑和外電路的消耗具有一定程度的變化.同時(shí),器件在電子系統(tǒng)中也并非孤立存在,其各電極都接有不同的功能電路.為了真實(shí)反映EMP對(duì)器件的損傷效應(yīng)和機(jī)理,研究外界條件在器件損傷過程中的影響則十分必要.

我們?cè)谖墨I(xiàn)[16—18]中報(bào)道了孤立GaAs PHEMT器件在電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng).本文首先結(jié)合器件仿真軟件Sentaurus TCAD建立了GaAs PHEMT器件在EMP作用下的損傷模型,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證;然后分別從信號(hào)參數(shù)和外接電阻兩個(gè)方面出發(fā)討論了外界條件在器件EMP損傷過程中的影響,獲得了外界條件對(duì)器件損傷效應(yīng)的影響規(guī)律.

2 損傷模型

2.1 器件模型

圖1為本文所采用的GaAs PHEMT器件模型,基本結(jié)構(gòu)為AlGaAs/InGaAs異質(zhì)結(jié),其中δ-摻雜為InGaAs溝道層提供二維電子氣(twodimensionalelectron gas,2DEG).為了減小電離施主與溝道層中電子之間的庫(kù)侖散射,在δ-摻雜層與InGaAs溝道層之間生長(zhǎng)一層AlGaAs隔離層,從而獲得更高的電子遷移率和飽和速度.G,D,S分別代表器件的柵極、漏極和源極.器件柵長(zhǎng)為0.25μm,肖特基勢(shì)壘高度為0.9 eV.GaAs襯底層下表面設(shè)定為300 K的理想熱沉,器件其他表面采用絕熱邊界條件[19].

圖1 GaAs PHEMT器件結(jié)構(gòu)Fig.1.Device structure of GaAs PHEMT.

2.2 仿真模型

研究半導(dǎo)體器件在EMP作用下的損傷過程,需要考慮器件的電熱效應(yīng).本文利用器件仿真軟件Sentaurus TCAD中的流體動(dòng)力學(xué)模型模擬器件內(nèi)部載流子的輸運(yùn)過程.除了求解泊松方程和載流子連續(xù)方程外,還需要求解載流子溫度和熱流方程.仿真電路示意圖見圖2,漏極和源極分別外接150 ?電阻,從柵極對(duì)器件注入EMP信號(hào),并維持至器件燒毀(這里定義器件峰值溫度達(dá)到1511 K作為器件燒毀的判據(jù)).由于EMP信號(hào)波形的復(fù)雜性,目前對(duì)于器件EMP損傷效應(yīng)的研究多用階躍脈沖來(lái)模擬EMP信號(hào)[4,6,10],這里我們仿真使用上升時(shí)間為0.1 ns,幅度為7 V的階躍脈沖信號(hào).

圖2 仿真電路示意圖Fig.2.Schematic diagram of simulation circuit.

2.3 仿真結(jié)果與分析

圖3 器件峰值溫度隨著時(shí)間的變化Fig.3.Variation of the device peak temperature with time.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)0.1 ns時(shí)刻器件內(nèi)部參數(shù)分布情況 (a)電流密度(A/cm2);(b)電場(chǎng)強(qiáng)度(V/cm);(c)溫度分布(K)Fig.4.(color online)Distribution of the device internal parameters at 0.1 ns:(a)The current density(A/cm2);(b)the electric field(V/cm);(c)the temperature(K).

圖3為器件峰值溫度隨著脈沖作用時(shí)間的變化關(guān)系,可以看出,隨著脈沖作用時(shí)間的持續(xù),器件溫度持續(xù)升高并在2.3 ns到達(dá)器件的燒毀點(diǎn).在脈沖信號(hào)作用下,器件在柵極與溝道層之間形成電流溝道(圖4(a)).由于AlGaAs勢(shì)壘層為低摻雜區(qū)域,外加信號(hào)電壓主要降落在勢(shì)壘層上.圖4(b)為0.1 ns時(shí)刻器件的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,柵極下方兩側(cè)形成電場(chǎng)強(qiáng)度峰值,且其最大值靠近源端.基于功率密度Q=J·E,溫度主要由電流密度J和電場(chǎng)強(qiáng)度E的分布決定,器件溫度的最大值位于柵極下方靠近源端(圖4(c)).隨著脈沖時(shí)間的持續(xù),當(dāng)器件獲得一定能量后熱擊穿發(fā)生,載流子迅速增加.柵極下方兩側(cè)的載流子在高電場(chǎng)下被及時(shí)輸運(yùn)走,而柵極下方中間區(qū)域的空穴來(lái)不及被輸運(yùn)而開始積累,導(dǎo)致此處的空穴密度高于柵極下方其他地方的空穴密度,電場(chǎng)強(qiáng)度峰值轉(zhuǎn)移到此處(圖5(a)).相應(yīng)的電流密度分布也開始向中間擴(kuò)散,并最終在柵極下方中間區(qū)域形成峰值電流溝道(圖5(b)).電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度的分布,決定了器件的最終燒毀點(diǎn)位于柵極下方中間區(qū)域(圖5(c)).

圖5 (網(wǎng)刊彩色)燒毀時(shí)刻器件內(nèi)部參數(shù)分布情況 (a)電場(chǎng)強(qiáng)度(V/cm);(b)電流密度(A/cm2);(c)溫度分布(K)Fig.5.(color online)Distribution of the device internal parameters at burnout:(a)The electric field(V/cm);(b)the current density(A/cm2);(c)the temperature(K).

文獻(xiàn)[20]對(duì)GaAs PHEMT器件進(jìn)行了高功率微波(HPM)注入實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果顯示柵極下方是器件的易損部位,圖6是HPM注入下?lián)p傷GaAs PHEMT器件的電子顯微鏡掃描(scanning electron microscope,SEM)照片,其損傷位置與本文的仿真結(jié)果基本符合.值得注意的是,雖然本文仿真使用的EMP信號(hào)與實(shí)驗(yàn)采用的HPM信號(hào)樣式有所不同,但兩者對(duì)器件的損傷類型都屬于能量型損傷.在注入位置相同的條件下,其損傷結(jié)果具有一定的相似性.仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性表明本文建立的損傷模型能夠很好的模擬器件的EMP損傷效應(yīng).

圖6 損傷GaAs PHEMT器件的SEM照片[20]Fig.6.SEM photo of damaged device[20].

3 外界條件對(duì)器件損傷效應(yīng)的影響

為了分析方便,本文利用器件損傷時(shí)間的快慢來(lái)表征外界條件對(duì)器件損傷效應(yīng)的影響程度.由于外界條件建模的復(fù)雜性,這里用信號(hào)參數(shù)的變化來(lái)模擬注入信號(hào)在耦合路徑和外電路上的消耗,用漏極外接電阻和源極外接電阻來(lái)模擬器件外部的功能電路,研究了兩種典型外界條件對(duì)器件損傷效應(yīng)的影響.

3.1 信號(hào)參數(shù)對(duì)器件損傷時(shí)間的影響

對(duì)于脈沖信號(hào),其信號(hào)參數(shù)主要有信號(hào)幅度和上升時(shí)間.圖7為相同上升時(shí)間不同信號(hào)幅度器件損傷時(shí)間的變化趨勢(shì),可以看出,器件的損傷時(shí)間隨著信號(hào)幅度的增加而減小.由于器件在電磁脈沖下的損傷類型為能量型損傷,隨著信號(hào)幅度的增加,在相同時(shí)間內(nèi)器件所吸收的能量增加,從而導(dǎo)致器件更容易損傷.

圖7 損傷時(shí)間隨信號(hào)幅度的變化Fig.7.Variation of the damage time with signal amplitude.

圖8顯示了相同幅度作用下器件損傷時(shí)間與信號(hào)上升時(shí)間的關(guān)系,可以看出,器件的損傷時(shí)間隨著信號(hào)上升時(shí)間的增加而變長(zhǎng),且基本成線性關(guān)系.信號(hào)上升時(shí)間的增加,導(dǎo)致器件雪崩擊穿以及熱擊穿時(shí)間都延緩,進(jìn)而導(dǎo)致器件損傷時(shí)間也相應(yīng)地延長(zhǎng).

圖8 損傷時(shí)間隨上升時(shí)間的變化Fig.8.Variation of the damage time with signal rising time.

信號(hào)上升時(shí)間的變化能夠影響注入信號(hào)的電壓變化率,進(jìn)而影響器件的位移電流.圖9為信號(hào)電壓上升過程中器件峰值位移電流及其在總電流的比重隨信號(hào)上升時(shí)間的變化趨勢(shì).從圖9可以看出,位移電流隨著上升時(shí)間的增加而減小,這是因?yàn)樯仙龝r(shí)間越長(zhǎng),電壓變化越緩慢.同時(shí),位移電流在總電流中的比重也隨著上升時(shí)間的增加而減小,且其比重整體都較小,在上升時(shí)間為0.1 ns時(shí)該值最大才為0.06.位移電流相比于總電流而言較小,對(duì)器件損傷熱積累的貢獻(xiàn)基本可以忽略.因此,器件損傷時(shí)間變長(zhǎng)的原因應(yīng)該不是由位移電流所導(dǎo)致,而是由于器件的擊穿時(shí)間延緩所引起,這與文獻(xiàn)[21]中的分析相一致.這里需要注意的是,盡管位移電流對(duì)器件的損傷熱積累影響不大,但因其產(chǎn)生的瞬時(shí)高電流,會(huì)對(duì)電路中的信號(hào)產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的干擾,使邏輯器件產(chǎn)生誤激發(fā).

圖9 位移電流和位移電流在總電流的比重隨上升時(shí)間的變化Fig.9.Variation of the displacement current and its proportion in the total current with time.

3.2 外接電阻對(duì)損傷時(shí)間的影響

圖10為器件損傷時(shí)間與外接電阻的關(guān)系.無(wú)論源端外接電阻Rs還是漏端外接電阻Rd,都能夠延緩器件的損傷進(jìn)程.當(dāng)器件外接電阻時(shí),注入信號(hào)的能量將有一部分消耗在外接電阻上,從而導(dǎo)致在相同時(shí)間內(nèi)器件獲得的能量減小,損傷時(shí)間變長(zhǎng).同時(shí),從圖10可以看出,在相同阻值的條件下Rs對(duì)器件損傷時(shí)間的影響幅度要比Rd大,這是由器件的內(nèi)部損傷機(jī)理所決定的.實(shí)際中,器件柵極的電流主要來(lái)源于源極.當(dāng)源極和漏極被外接相同阻值的電阻時(shí),源極外接電阻能夠阻擋更多的柵極電流產(chǎn)生,使器件難以燒毀.圖11是Rd=400 ?和Rs=400 ?條件下器件燒毀時(shí)刻的內(nèi)部電流密度分布.相比圖5(b),外接電阻的增加能使器件的電流溝道變窄.Rd的增加減弱了柵極下方靠近漏端的電流溝道,而Rs的增加使柵極下方兩端的電流溝道都有所減弱.因此,在相同阻值的條件下,源極外接電阻對(duì)器件的損傷效應(yīng)影響更大.

圖10 損傷時(shí)間隨外接電阻的變化Fig.10.Variation of the damage time with external resistance.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)器件燒毀時(shí)刻的電流密度分布(A/cm2)(a)Rd=400 ?;(b)Rs=400 ?Fig.11.(color online)Distribution of the current density(A/cm2)at device burnout:(a)Rd=400 ?;(b)Rs=400 ?.

4 總 結(jié)

半導(dǎo)體器件是電子系統(tǒng)中的薄弱構(gòu)成元件,易受到外界EMP的影響而失效甚至燒毀.由于EMP耦合途徑的客觀存在性以及電子系統(tǒng)的復(fù)雜性,實(shí)際中EMP信號(hào)并非直接作用到器件的端子上,其對(duì)器件的損傷效應(yīng)受到各種因素的影響.本文從注入信號(hào)和器件外部電路兩個(gè)方面出發(fā),研究了這些外界因素在器件EMP損傷效應(yīng)中的影響.研究結(jié)果顯示,器件的損傷進(jìn)程受到注入信號(hào)參數(shù)變化的影響,其損傷時(shí)間與信號(hào)幅度成反比,與信號(hào)上升時(shí)間成正比.器件外接電阻能夠延緩器件的損傷進(jìn)程,相比于漏端外接電阻,源端外接電阻對(duì)器件損傷效應(yīng)的影響更大.本文的研究結(jié)果能使我們更加真實(shí)地了解器件的EMP損傷過程與效應(yīng),對(duì)于器件抗電磁脈沖損傷能力的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值.在外電路的設(shè)計(jì)中,可研究構(gòu)造能夠減弱注入信號(hào)幅度、使信號(hào)上升時(shí)間變得緩慢的保護(hù)電路單元;在器件的設(shè)計(jì)中,可以在保證器件性能參數(shù)達(dá)標(biāo)的情況下折衷增加源端的串聯(lián)電阻.

本文利用電阻模擬器件的外部電路,研究了這些電路對(duì)器件EMP損傷效應(yīng)的影響.實(shí)際中器件的外部電路并非純電阻,也可能存在電感和電容元件.這些阻抗負(fù)載對(duì)于器件損傷效應(yīng)的影響涉及到頻率效應(yīng),相比純電阻的影響更加復(fù)雜,目前正在對(duì)于器件的頻率損傷敏感參數(shù)進(jìn)行研究.

[1]Mansson D,Thottappillil R,Backstrom M,Lunden O 2008IEEE Trans.Electronmagn.Compat.50101

[2]Hattori Y,Tadano H,Nagase H 2001Electron.Commun.Japan,Part 18418

[3]Kim K,Iliadis A A,Granatstein V L 2004Solid-State Electron.481795

[4]Zhou H A,Du Z W,Gong K 2005High Power Laser and Particle Beams171861(in Chinese)[周懷安,杜正偉,龔克2005強(qiáng)激光與粒子束171861]

[5]Kim K,Iliadis A A 2010Solid-State Electron.5418

[6]Chai C C,Xi X W,Ren X R,Yang Y T,Ma Z Y 2010Acta Phys.Sin.598118(in Chinese)[柴常春,席曉文,任興榮,楊銀堂,馬振洋2010物理學(xué)報(bào)598118]

[7]Ma Z Y,Chai C C,Ren X R,Yang Y T,Chen B 2012Acta Phys.Sin.61078501(in Chinese)[馬振洋,柴常春,任興榮,楊銀堂,陳斌2012物理學(xué)報(bào)61078501]

[8]Ma Z Y,Chai C C,Ren X R,Yang Y T,Chen B,Zhao Y B 2012Chin.Phys.B21058502

[9]Ma Z Y,Chai C C,Ren X R,Yang Y T,Zhao Y B,Qiao L P 2013Chin.Phys.B22028502

[10]Ren X R,Chai C C,Ma Z Y,Yang Y T,Qiao L P,Shi C L 2013Acta Phys.Sin.62068501(in Chinese)[任興榮,柴常春,馬振洋,楊銀堂,喬麗萍,石春蕾 2013物理學(xué)報(bào)62068501]

[11]Zhao Z G,Ma H G,Zhao G,Wang Y,Zhong L Q 2013High Power Laser and Particle Beams.251741(in Chinese)[趙振國(guó),馬弘舸,趙剛,王艷,鐘龍權(quán)2013強(qiáng)激光與粒子束251741]

[12]Zhang C B,Wang H G,Zhang J D 2014High Power Laser and Particle Beams26063014(in Chinese)[張存波,王弘剛,張建德2014強(qiáng)激光與粒子束26063014]

[13]Zhang C B,Zhang J D,Wang H G,Du G X 2015Microelectr.Reliab.55508

[14]Xi X W,Chai C C,Ren X R,Yang Y T,Ma Z Y,Wang J 2010J.Semicond.31074009

[15]Chen X,Du Z W,Gong K 2007High Power Laser and Particle Beams191197(in Chinese)[陳曦,杜正偉,龔克2007強(qiáng)激光與粒子束191197]

[16]Yu X H,Chai C C,Liu Y,Yang Y T,Xi X W 2015Chin.Phys.B24048502

[17]Xi X W,Chai C C,Zhao G,Yang Y T,Yu X H,Liu Y 2016Chin.Phys.B25048503

[18]Xi X W,Chai C C,Liu Y,Yang Y T,Fan Q Y,Shi C L 2016Chin.Phys.B25088504

[19]Ren X R 2014Ph.D.Dissertation(Xi’an:Xidian University)(in Chinese)[任興榮 2014博士學(xué)位論文(西安:西安電子科技大學(xué))]

[20]Yu X H,Chai C C,Liu Y,Yang Y T,Fan Q Y 2015Microelectr.Reliab.551174

[21]Guo H X,Zhou H,Chen Y S,Zhang Y M,Gong R X,Guan Y,Han F B,Gong J C 2002Microelectr.Comput.1917(in Chinese)[郭紅霞,周輝,陳雨生,張義門,龔仁喜,關(guān)穎,韓福斌,龔建成2002微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)1917]