HEMT器件電磁脈沖毀傷機(jī)理仿真分析及試驗研究

安寧　柴常春　劉彧千

摘 要：以強(qiáng)電磁脈沖為典型代表的復(fù)雜電磁環(huán)境對雷達(dá)前端關(guān)鍵模塊與器件的可靠性不斷構(gòu)成威脅。本文對雷達(dá)前端電路中低噪聲放大器的關(guān)鍵器件——GaAs HEMT進(jìn)行了強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)仿真研究與試驗驗證。利用仿真軟件構(gòu)建了GaAs HEMT的二維熱電模型，并對器件柵極注入強(qiáng)電磁脈沖的情況進(jìn)行了仿真，研究發(fā)現(xiàn)，該注入條件下器件內(nèi)部峰值溫度呈現(xiàn)周期性的上升-下降-上升-下降趨勢，最終達(dá)到GaAs的熔點溫度， 導(dǎo)致器件燒毀，燒毀位置在柵極下方偏向源極的位置。通過對低噪聲放大器芯片進(jìn)行注入實驗和剖片分析，在TEM顯微鏡下觀察到GaAs HEMT器件柵極下方靠近源極的區(qū)域有明顯燒毀，與仿真結(jié)果相符。通過對仿真數(shù)據(jù)的處理和擬合，總結(jié)了器件燒毀功率閾值和能量閾值與注入微波脈寬的關(guān)系，得出器件燒毀的功率閾值隨著脈寬的增大而減小，能量閾值隨著脈寬的增大而增大，與經(jīng)驗公式相符。

關(guān)鍵詞： 低噪聲放大器;強(qiáng)電磁脈沖;HEMT器件;功率閾值;能量閾值; 電磁毀傷

中圖分類號：TJ95; TN959.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2020）03-0088-05

0 引言

毫米波低噪聲放大器芯片應(yīng)用于毫米波雷達(dá)的前端電路中，對經(jīng)過的高頻小信號起到放大作用，通常前端電路直接與外部天線相連，因此更容易受到強(qiáng)電磁脈沖的干擾與打擊。GaAs HEMT器件由于技術(shù)成熟、成本較低，同時又有著較好的低噪聲放大性能，所以被廣泛用于毫米波低噪聲放大器芯片中。在強(qiáng)電磁脈沖的干擾下[1]，如果GaAs HEMT器件發(fā)生毀傷，會導(dǎo)致整個雷達(dá)前端電路的功能發(fā)生退化。

近年來，針對不同類型半導(dǎo)體器件的電磁脈沖毀傷效應(yīng)研究已受到廣泛的關(guān)注。對于雙極型晶體管，文獻(xiàn)[2-5]分別針對器件基極、集電極、發(fā)射極的強(qiáng)電磁脈沖的損傷機(jī)制以及對于功率頻率等不同脈沖參數(shù)對器件損傷的影響進(jìn)行了一系列的理論分析、效應(yīng)仿真和實驗研究。同時，文獻(xiàn) [6-10]對數(shù)字集成電路中CMOS器件的強(qiáng)電磁脈沖的損傷效應(yīng)、閂鎖效應(yīng)以及強(qiáng)電磁脈沖注入下產(chǎn)生的位翻轉(zhuǎn)和特性退化，以及功率脈寬等因素對于器件損傷效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。

本文研究了強(qiáng)電磁脈沖注入下GaAs器件的損傷效應(yīng)及機(jī)理[11-12]，通過Sentaurus-TCAD仿真軟件建立了典型GaAs HEMT的二維熱電模型，并將強(qiáng)電磁脈沖以正弦信號的形式注入器件的柵極，通過對器件內(nèi)部電場強(qiáng)度、電流密度和溫度隨時間的變化情況進(jìn)行分析，得到了HEMT器件的損傷機(jī)理。 將仿真結(jié)果與TEM下觀察到的實際剖片結(jié)果進(jìn)行對比，得到良好的一致性。最后，通過對數(shù)據(jù)的處理和擬合，分別得到了器件在電磁脈沖注入下，毀傷功率閾值和能量閾值與脈沖脈寬之間的關(guān)系。

1 器件模型建立

1.1 器件結(jié)構(gòu)模型

典型GaAs pHEMT結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：半絕緣GaAs襯底;InGaAs溝道;Delta摻雜區(qū)，可以讓量子阱更深，二維電子氣濃度更高;i-AlGaAs層，減少電離雜質(zhì)對二維電子氣的影響;n-AlGaAs層，為InGaAs溝道中的二維電子氣提供電子;中間及兩端頂部深色區(qū)域為金屬電極。

利用半導(dǎo)體仿真軟件Sentaurus-TCAD建立了與圖1結(jié)構(gòu)相同的0.15 μm HEMT器件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。器件豎直方向的尺寸從上到下分別為50 nm Si3N4鈍化層，30 nm GaAs 帽層，34.5 nm AlGaAs阻擋層，10 nm InGaAs溝道。橫向的尺寸分別為0.05 μm的源極（漏極和源極為左右對稱結(jié)構(gòu)）， 0.15 μm的柵極。器件的摻雜從圖2中可以看出。

1.2 器件物理模型

Sentaurus-TCAD仿真軟件通過數(shù)值迭代求解泊松方程、電流連續(xù)性方程和熱載流子方程來模擬計算器件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的電、熱學(xué)特性。在強(qiáng)電磁脈沖的注入下，器件內(nèi)部的溫度會發(fā)生劇烈變化，因此，需要在一般載流子輸運方程上再考慮溫度對電流密度的影響：

式中： Jn，Jp分別為電子和空穴的電流密度;n，p分別為電子和空穴的密度;μn，μp分別為電子和空穴的遷移率;Pn，Pp分別為電子和空穴的絕對熱電功率;Фn，Фp分別為電子和空穴的準(zhǔn)費米能級;q為電子的電量;T為溫度。

由于器件會產(chǎn)生自熱效應(yīng)，為了求解器件內(nèi)部的溫度分布情況，還需要考慮熱傳導(dǎo)方程[13]：

式中： c為晶格熱熔;k為熱導(dǎo)率;EC，EV分別為導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰?kB為玻爾茲曼常數(shù);R為復(fù)合率。

1.3 器件直流特性

為了驗證仿真模型可以正常工作，分別對器件的開啟特性曲線和輸出特性曲線進(jìn)行了仿真。

漏極電壓為恒定2.5 V時，對器件進(jìn)行開啟特性的仿真，如圖3所示。

從圖3中可以看出，器件為典型的耗盡型HEMT器件，對器件的開啟特性曲線進(jìn)行反向延長，與橫軸的交點可以得到器件的開啟電壓Vgsoff約為-1.4 V。

對器件的輸出特性曲線進(jìn)行仿真如圖4所示。圖中給出了柵壓-0.8～0.8 V步長為0.4 V的5種不同柵壓下的器件輸出特性曲線，從圖中的標(biāo)注可以看出，當(dāng)器件工作在Vgs=0 V，Vds=2 V時，器件的工作電流約為0.7 μA。

2 器件強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)機(jī)理分析

仿真電路如圖5所示。由圖中可以看出，器件漏極接2 V的正電壓，柵極處于零偏狀態(tài)。在仿真條件上，設(shè)置器件的襯底為理想熱沉，初始仿真溫度設(shè)置為室溫（300 K）。由于器件內(nèi)部主要由GaAs組成，所以設(shè)置當(dāng)

器件內(nèi)部峰值溫度達(dá)到GaAs的熔點1 511 K時，認(rèn)為此時器件已經(jīng)燒毀。

圖6為在柵極注入正弦電壓幅值為17 V，頻率為10 GHz時器件內(nèi)部的峰值溫度隨著時間變化的響應(yīng)情況。由圖中可以看出，器件內(nèi)部的峰值溫度呈現(xiàn)出周期性變化的升高-降低-升高-降低情況。

圖7為器件燒毀時器件內(nèi)部的峰值溫度在器件內(nèi)部的分布圖像， 從圖中可以看出，器件的峰值溫度出現(xiàn)在柵極下方，并且呈現(xiàn)出靠近源極的趨勢，此時可以判斷器件最容易燒毀的位置為柵極下方靠近源極的部分。

器件內(nèi)部熱量的產(chǎn)生可以由下式給出：J=Q×E（4）

式中： Q為器件內(nèi)部電流密度;E為器件內(nèi)部電場強(qiáng)度。為了進(jìn)一步得到器件在電磁脈沖作用下的燒毀機(jī)理，通過觀察在不同時刻器件內(nèi)部物理量（主要是電流密度和電場強(qiáng)度）的變化來進(jìn)行分析和解釋。

以第一個周期為例進(jìn)行分析，圖8～9分別為0.025 ns（此時注入信號為正半周期峰值）和0.075 ns（此時注入信號為負(fù)半周期峰值）時刻的器件內(nèi)部電流密度和電場強(qiáng)度分布圖像。當(dāng)信號開始注入時，肖特基結(jié)正偏，器件處于放大狀態(tài)，隨著信號電壓的增大，由于曲率效應(yīng)柵極下方靠近源漏端分別出現(xiàn)局部電場極大值。柵源電勢差相較于柵漏電勢差更大，因此柵極下方靠近源極的地方先出現(xiàn)從柵極到2DEG的導(dǎo)電溝道。隨著柵極電壓的增大，柵極下方靠近源極的局部區(qū)域先達(dá)到了雪崩擊穿的臨界場強(qiáng)（1.75×105 V/cm，從圖8（b）中可以看到，電場強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)超過這個數(shù)量級），隨著柵極電壓的進(jìn)一步增大，柵極下方靠近漏極的位置也達(dá)到了雪崩臨界擊穿電場，此時，源極（漏極）電流反轉(zhuǎn)成為反向電流。此時，由圖8（a）可以看出，大量載流子從柵極流向溝道，柵電流通過2DEG溝道分別流向源極和漏極;負(fù)半周期時，肖特基結(jié)反偏，柵極下方勢壘層中的耗盡區(qū)已經(jīng)向下擴(kuò)展到了GaAs襯底，導(dǎo)致AlGaAs溝道中柵極正下方部分的電子被耗盡，器件處于截至狀態(tài)，HEMT二維電子氣導(dǎo)電溝道夾斷，電壓主要降落在肖特基結(jié)上，由于曲率效應(yīng)導(dǎo)致電場超過雪崩臨界擊穿場強(qiáng)（由圖9（b）可以看出，此時的場強(qiáng)也遠(yuǎn)大于臨界擊穿場強(qiáng)），因此雪崩擊穿產(chǎn)生大量的載流子在強(qiáng)電場作用下流向源極和漏極，由于部分載流子被耗盡，導(dǎo)致反向的電流值低于正向時的電流值，在圖9（a）中還可以看到，柵極到源極的電流要大于漏極電流，這是由于漏極接了恒

定直流源，而源極處于接地狀態(tài)。此時，電場峰值仍位于柵極下方靠近源漏電極處，由于載波頻率高，正半周期雪崩產(chǎn)生的電子無法及時輸運，導(dǎo)致電子密度高于其他位置電子密度，因此，電場峰值更高。在高電場和強(qiáng)電流的作用下，正負(fù)半周期均產(chǎn)生大量的熱量，由于頻率很高，這種熱量無法及時擴(kuò)散，器件的溫度產(chǎn)生積累，達(dá)到GaAs材料的燒毀溫度，器件發(fā)生燒毀。

器件三個電極電流密度隨時間變化曲線如圖10所示。根據(jù)之前的分析，在電磁脈沖的作用下，電流在正半周期主要由柵極流向源極和漏極，負(fù)半周期主要由漏極和源極流向柵極。由于負(fù)半周期部分載流子被耗盡，所以電流值會低于正半周期。從圖中可以看出，器件的柵極電流在正半周期呈現(xiàn)正值，在負(fù)半周期呈現(xiàn)負(fù)值，并且正半周期極大值的絕對值大于負(fù)半周期的極大值的絕對值，與之前的分析相符。圖中還可以看出器件的源極電流大于器件的漏極電流，這也證明了靠近源極一側(cè)更容易受到損傷。

3 試驗對比

針對某型低噪聲放大器芯片進(jìn)行高功率微波毀傷試驗，在注入功率超過30 dBm時，芯片輸出端難以觀測到穩(wěn)定的輸出波形，認(rèn)為此時低噪聲放大芯片已經(jīng)毀傷。

對毀傷樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，其中，第一級芯片可以看到明顯的異常形貌，放大觀察如圖11所示，可以看到柵極金屬條存在明顯的過熱燒毀情況，且在柵極下方存在明顯的燒毀形貌，源極一側(cè)的熔坑明顯大于漏極一側(cè)，與仿真結(jié)果一致。

4 HEMT器件強(qiáng)電磁脈沖脈寬效應(yīng)分析

Wunsch、Bell[14]和Tasca[15]等人通過實驗研究得到了單脈沖信號作用下PN結(jié)損傷的功率P、能量E與脈寬之間的經(jīng)驗公式：

P=c1τ-1（5）

E=c2τ0（6）

式中： P和E分別為電磁脈沖燒毀功率和燒毀能量;c1，c2為常數(shù);τ為脈沖寬度，即注入信號在器件燒毀之前的持續(xù)時間。

通過對仿真數(shù)據(jù)的處理和一定的數(shù)據(jù)擬合工作，得出圖12所示的柵極注入強(qiáng)電磁脈沖信號時，損傷能量閾值、損傷功率閾值與脈寬的關(guān)系表達(dá)式為

P=0.64τ-0.4（7）

E=0.13τ0.51（8）

可以看到，擬合出的表達(dá)式與PN結(jié)損傷的經(jīng)驗表達(dá)式基本相符，表明半導(dǎo)體器件在受到脈沖信號的影響下，具有相似的規(guī)律，并且擬合出的表達(dá)式分別具有0.97和0.98的相關(guān)系數(shù)。表明擬合結(jié)果具有一定可信度。

綜合仿真結(jié)果可以看出，電磁脈沖的脈寬越長，毀傷HEMT器件所需要的功率閾值越低，但同時，所需要的能量閾值也越高。

5 結(jié) 論

本文研究了毫米波低噪聲放大器關(guān)鍵器件的電磁脈沖效應(yīng)，利用Sentaurus-TCAD仿真軟件建立了0.15 μm的GaAs HEMT器件的二維熱電仿真模型，分析得到了器件在強(qiáng)電磁脈沖的注入條件下的損傷機(jī)理，觀察并解釋了器件溫度在脈沖周期性干擾下的“升高-降低-升高-降低”趨勢，以及最終器件柵極下方靠近源極的部分會發(fā)生燒毀的現(xiàn)象。同時，利用實際實驗樣品剖片在TEM下的實際形貌，觀察驗證了上述仿真結(jié)果。最后，通過數(shù)據(jù)處理和擬合得出器件的燒毀功率閾值隨著脈寬的增大而減小，能量閾值則會隨著脈寬的增大而減小的結(jié)論，得到相關(guān)經(jīng)驗公式，對后續(xù)相關(guān)研究有一定啟發(fā)。

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Simulation and Experimental Study on Damage Mechanism of

Electromagnetic PulseofHEMT Device

An Ning1*，Chai Changchun2，Liu Yuqian2

（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009， China;2. Xidian University，Xian 710126， China）

Abstract： The complex electromagnetic environment represented by electromagnetic pulses is a constant threat to the reliability of key modules and devices in the radar front end. In this paper， the simulation and experimental verification of the strong electromagnetic pulse effect are performed for the GaAs HEMT， which is a key component of the low-noise amplifier in the radar front-end circuit. The two-dimensional thermoelectric model of GaAs HEMT is constructed by using simulation software， and the injection of electromagnetic pulse to the gate of the device is simulated. It is found that the peak temperature inside the device exhibits a periodic rise-fall-rise-fall trend under the injection condition， and the final temperature will reach the melting point of GaAs， leading to burnout， which is locatedbelow the gateclosed to the source. Through the injection experiment and the slice analysis of the low-noise amplifier chip， it is observed that the area near the source of the gate of the GaAs HEMT device is burnt

under the TEM microscope， which is in good agreement with the simulation results. Through the processing and fitting of the simulation data， the relationship between burnout power threshold and injection microwave pulse width and the relationship between burnout energy threshold and injection microwave pulse width are analyzed. It can be concluded that the power threshold of the device burnout decreases with the increase of the pulse width， and the energy threshold increases with increasing pulse width，which is consistent with empirical formulas.

Key words： low noise amplifier; electromagnetic pulse; HEMT device; power threshold; energy threshold; electromagnetic damage

收稿日期： 2019-09-14

基金項目： 航空科學(xué)基金項目（2018ZC12006）

作者簡介： 安寧（1985-），女，河南洛陽人，高級工程師，碩士，研究方向是高功率微波技術(shù)。

E-mail： guoguo6522@163.com

引用格式： 安寧，柴常春，劉彧千.HEMT器件電磁脈沖毀傷機(jī)理仿真分析及試驗研究

[ J].

航空兵器，2020，27（ 3）： 88-92.

An Ning，Chai Changchun，Liu Yuqian. Simulation and Experimental Study on Damage Mechanism of Electromagnetic PulseofHEMT Device[ J]. Aero Weaponry， 2020， 27（ 3）： 88-92.（ in Chinese）