空間用GaN 功率器件單粒子燒毀效應(yīng)激光定量模擬技術(shù)研究*

崔藝馨 馬英起? 上官士鵬 康玄武 劉鵬程 韓建偉

1) (空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

3) (中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

1 引言

GaN 功率器件作為新型電子電力元件，具有寬禁帶、體積小、高擊穿電壓、高開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，相較于傳統(tǒng)Si 基器件在高壓電源領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景，在航天中已得到初步應(yīng)用[4，5].重離子可使GaN 功率器件發(fā)生單粒子效應(yīng)(single event effect，SEE)，當(dāng)引起器件單粒子燒毀(single event burnout，SEB)時(shí)會(huì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)災(zāi)難性故障，從而無法保證設(shè)備正常運(yùn)行[6，7].因此，在空間電源系統(tǒng)中確定關(guān)鍵器件的抗輻射性能特別是突出的SEB 效應(yīng)十分必要.

2015 年Scheick[8]首次在常關(guān)型GaN 功率器件中觀察到SEB 的出現(xiàn)，國(guó)際上前期工作主要分析了質(zhì)子位移損傷對(duì)器件的影響[9-11].Zerarka 等[12]通過數(shù)據(jù)仿真提出了導(dǎo)致SEB 的兩種可能機(jī)制，Martinez 等[13]發(fā)現(xiàn)GaN HEMT 在發(fā)生SEB 時(shí)存在柵漏極短路點(diǎn)，研究表明器件SEB 敏感區(qū)域位于柵漏之間[8，14].上述試驗(yàn)主要利用地面重離子加速器開展，分析了器件輻照前后電學(xué)特性的變化，并初步探究了特定器件的SEB 損傷模式，仍需在GaN 功率器件SEB 失效分析及損傷閾值及機(jī)制等方面開展大量工作.脈沖激光主要通過光電效應(yīng)等效重離子誘發(fā)SEB 試驗(yàn)結(jié)果，具有快速測(cè)定器件安全工作區(qū)、探測(cè)敏感區(qū)域范圍等優(yōu)勢(shì).針對(duì)Si 基功率器件SEB 試驗(yàn)激光手段已被廣泛應(yīng)用[15-17]，但在GaN 等寬禁帶半導(dǎo)體器件SEB 激光評(píng)估方面需要進(jìn)行系列關(guān)鍵技術(shù)研究.Ngom 等[18]使用飛秒脈沖激光背部入射GaN HEMT 器件，討論波長(zhǎng)對(duì)其穿透深度等參數(shù)的影響，獲得SEE 與入射波長(zhǎng)的依賴關(guān)系;蒙彼利埃大學(xué)Roche 與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室Khachatrian 等[19-21]基于單光子吸收(single-photon absorption，SPA)機(jī)制利用紫外波段脈沖激光對(duì)GaN HEMT 定制器件進(jìn)行SEE研究獲得了單粒子瞬態(tài)(single event transient，SET)不同波形特征，并在GaN 材料中測(cè)試激光雙光子吸收(two-photon absorption，TPA)引起的空間電信號(hào)脈沖，從正面入射GaN 二極管產(chǎn)生SET響應(yīng)，為激光TPA 技術(shù)用于模擬重離子誘發(fā)GaN器件SEB 提供試驗(yàn)參考.激光與重離子等效關(guān)系一直以來是阻礙脈沖激光定量評(píng)估SEB 的關(guān)鍵技術(shù)問題，建立脈沖激光與重離子能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系、定量評(píng)估器件發(fā)生SEB 閾值亟需充分研究.

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心已初步建立正面入射GaN HEMT 器件的激光能量傳輸模型[22]，并據(jù)此計(jì)算了與重離子線性能量傳輸(linear energy transfer，LET)的等效關(guān)系.本文主要研究脈沖激光對(duì)GaN 功率器件SEB 效應(yīng)的定量評(píng)估技術(shù)，在前期基礎(chǔ)上完善正面入射激光能量傳輸模型，并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)校正;同時(shí)建立背部入射激光能量傳輸模型，使兩種模型普遍適用于不同類型的GaN功率器件，據(jù)此建立激光與重離子LET 的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系.利用空間中心自行搭建的飛秒激光測(cè)試裝置，對(duì)兩款不同類型的GaN 功率器件開展試驗(yàn)，將器件發(fā)生SEB 時(shí)的脈沖激光有效能量與重離子LET 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得了良好的等效關(guān)系.本文的工作將有助于GaN 功率器件的SEB 定量評(píng)估研究，為空間用GaN 功率器件的安全工作區(qū)域確定、機(jī)理研究及加固設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供技術(shù)支撐.

2 理論模型建立與數(shù)值計(jì)算

2.1 激光有效能量傳輸模型建立

基于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的GaN 功率器件，在GaN 層側(cè)因自發(fā)和壓電極化效應(yīng)形成橫向高密度且遷移率明顯高于體電子的二維電子氣(twodimensional electron gas，2DEG)，2DEG 在器件中是極其重要的導(dǎo)電通道.在進(jìn)行脈沖激光實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光穿過介質(zhì)層聚焦于GaN 層2DEG 周圍有源區(qū)發(fā)生光電作用，當(dāng)激光有效能量的轉(zhuǎn)化電荷超過器件承受閾值時(shí)發(fā)生單粒子燒毀效應(yīng).對(duì)基于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的GaN 功率器件進(jìn)行有源區(qū)激光有效能量定量評(píng)估，根據(jù)器件不同的結(jié)構(gòu)類型，可建立正面入射和背部入射的兩種有效能量傳輸模型.

對(duì)于GaN HEMT 等背部有金屬的GaN 功率器件，可選擇對(duì)器件開正面封裝，使脈沖激光從正面進(jìn)行輻射試驗(yàn).GaN HEMT 的金屬布線層間隙大于激光光斑尺寸，激光可通過器件柵漏之間的金屬布線層間隙到達(dá)有源區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而引發(fā)單粒子效應(yīng).正面入射的GaN 功率器件激光有效能量傳輸模型如圖1 所示.

圖1 正面入射的脈沖激光能量傳輸模型Fig.1.Pulsed-laser energy transmission model with frontal incidence.

激光能量傳輸過程中，激光會(huì)經(jīng)歷器件表面SiNX層的反射、SiNX及AlxGa1—xN 層的光衰減、AlxGa1—xN 及GaN 界面的反射，傳輸角度考慮器件為理想化的垂直正入射.依據(jù)幾何光學(xué)的傳播特性，建立脈沖激光能量傳輸衰減的計(jì)算模型.最終達(dá)到有源區(qū)的激光能量Eeff如下式所示:

其中E0是入射到器件表面的激光脈沖能量;R1是器件表面SiNX層對(duì)激光的反射率;R2是SiNX層與AlxGa1—xN 層交界面對(duì)激光的反射率;R3是AlxGa1—xN 層與GaN 層交界面對(duì)激光的反射率;t1是SiNx層的材料透光系數(shù);t2是AlxGa1—xN 層的材料透光系數(shù);t1，t2均與材料對(duì)激光的吸收作用有關(guān) ;E′是界面層間多次反射進(jìn)入有源區(qū)的激光脈沖能量.GaN HEMT 功率器件往往會(huì)有場(chǎng)板、帽層等更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)影響激光能量的傳輸效率.在進(jìn)行有源區(qū)激光有效能量定量計(jì)算時(shí)，可結(jié)合器件的實(shí)際結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料系數(shù)加入Eeff的公式計(jì)算，從而使得計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn).

對(duì)于橫向結(jié)構(gòu)肖特基(SBD)二極管等背部沒有金屬的GaN 功率器件，選擇對(duì)器件開背部封裝，使脈沖激光從背部進(jìn)行輻射試驗(yàn);對(duì)于襯底較薄的GaN HEMT 器件，也可以在背部金屬上進(jìn)行特定大小(開孔大小至少覆蓋一組源柵漏極結(jié)構(gòu)重復(fù)單元)的金屬開孔，完成背部襯底減薄的輻射實(shí)驗(yàn).背部入射的GaN 功率器件激光有效能量傳輸模型如圖2 所示.

圖2 背部入射的脈沖激光能量傳輸模型 (a) 背部開孔的HEMT 器件;(b) SBD 器件Fig.2.Pulsed-laser energy transmission model with back incidence:(a) HEMT device with hole on the back;(b) SBD device.

當(dāng)激光從背部入射進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)時(shí)，器件表面的激光會(huì)經(jīng)歷襯底層的反射、因材料光子吸收導(dǎo)致襯底層的光衰減、GaN 界面的反射與GaN 層的光衰減、AlxGa1—xN 界面的反射與AlxGa1—xN 層的光衰減、金屬層的二次反射后到達(dá)有源區(qū)誘發(fā)器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng).傳輸角度考慮器件為理想化的垂直正入射.依據(jù)幾何光學(xué)的傳播特性，建立脈沖激光能量傳輸衰減的計(jì)算模型.最終達(dá)到有源區(qū)的激光能量Eeff如下式所示:

其中E0是入射到器件表面的激光脈沖能量;R5是器件襯底表面對(duì)激光的反射率;R4是GaN 層與襯底交界面對(duì)激光的反射率;R3是AlxGa1—xN 層與GaN 層交界面對(duì)激光的反射率;R0是金屬布線層與AlxGa1—xN 層交界面對(duì)激光的反射率;t4是襯底的材料透光系數(shù);t3是GaN 層的材料透光系數(shù);t2是AlxGa1—xN 層的材料透光系數(shù);t4，t3，t2均與材料對(duì)激光的吸收作用有關(guān);E′是界面間多次反射進(jìn)入有源區(qū)的激光脈沖能量.與正面輻射的激光有效能量傳輸模型相比，除了同樣需要考慮特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)，背部輻射還需考慮金屬二次反射對(duì)有源區(qū)有效能量的影響，即當(dāng)激光穿過垂直方向上有金屬電極的有源區(qū)時(shí)，(1b)式中R0不為0，需要考慮金屬反射的作用.

2.2 關(guān)鍵參數(shù)確定

為了定量模擬激光誘發(fā)GaN 功率器件單粒子燒毀效應(yīng)，需要確定激光與器件的關(guān)鍵參數(shù).激光關(guān)鍵參數(shù)主要為激光波長(zhǎng)的選擇，器件關(guān)鍵參數(shù)主要為脈沖激光能量傳輸模型中各層材料的透光系數(shù)與反射率，同時(shí)對(duì)界面間激光多次反射的能量值等參數(shù)也應(yīng)進(jìn)行分析.

2.2.1 激光波長(zhǎng)選擇

在選擇試驗(yàn)激光波長(zhǎng)時(shí)，激光入射器件的光生電流敏感程度與選擇的波長(zhǎng)有很大的關(guān)系.激光輻照半導(dǎo)體材料時(shí)，根據(jù)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所吸收的光子數(shù)量，分為單光子吸收、雙光子吸收、多光子吸收機(jī)制.TPA 指在高激光強(qiáng)度下吸收兩個(gè)光子產(chǎn)生單個(gè)電子-空穴對(duì)，同時(shí)僅在光束焦點(diǎn)附近作用效果顯著，傳輸光路中因光束尺寸的增加使得激光強(qiáng)度不足以產(chǎn)生TPA，與SPA 相比具有更好的空間分辨率與更長(zhǎng)的穿透深度.GaN 禁帶寬度為3.4 eV，發(fā)生TPA 的波長(zhǎng)范圍為364—729 nm.圖3 表示了不同波長(zhǎng)在GaN 材料中的穿透深度，商用GaN HEMT 功率器件的有源區(qū)多在正面6 μm以下位置，背部入射時(shí)器件緩沖層厚度也多在4 μm以上，因此在進(jìn)行激光模擬GaN 功率器件單粒子燒毀效應(yīng)試驗(yàn)中，選擇TPA 的實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)時(shí)以600—729 nm 之間為佳.

圖3 不同波長(zhǎng)下激光在GaN 材料中的穿透深度Fig.3.Laser penetration depth in GaN materials at different wavelengths.

2.2.2 介質(zhì)層透光系數(shù)與反射率確定

在正面入射模型中，對(duì)GaN 功率器件的介質(zhì)層透光系數(shù)進(jìn)行分析，鈍化層材料Si3N4的禁帶寬度為5.1 eV，TPA 波段的激光在穿過該介質(zhì)層時(shí)，光子能量不足以引發(fā)SPA 與TPA，透射損耗較低，因此在激光有效能量傳輸模型中，SiNX層材料對(duì)光子近乎不吸收，可視為完全透光;AlxGa1—xN 介質(zhì)層厚度極薄，如表1 所列，在TPA 適宜波長(zhǎng)范圍內(nèi)，常用材料Al0.2Ga0.8N 因吸收導(dǎo)致的光損在0.1%左右，激光穿過該介質(zhì)層的光損可以忽略;當(dāng)襯底材料為藍(lán)寶石時(shí)，藍(lán)寶石對(duì)于TPA 波段的激光波長(zhǎng)透明.因此在模型計(jì)算中，各層材料對(duì)激光無吸收影響，主要考慮材料界面的反射率導(dǎo)致的光損失.

表1 不同波長(zhǎng)的激光在不同厚度的Al0.2Ga0.8N中的吸收系數(shù)與光損Table 1.Absorption coefficients and optical losses of different laser wavelengths in different thicknesses of Al0.2Ga0.8N.

在背部入射模型(藍(lán)寶石襯底)中，應(yīng)考慮金屬布線層的二次反射對(duì)有源區(qū)能量的影響，而到達(dá)金屬布線層的能量則受GaN 層的透光系數(shù)制約.GaN 層的透光系數(shù)t1與β呈反比關(guān)系，其中β(cm/GW)是GaN 材料的TPA 系數(shù).β與激光波長(zhǎng)相關(guān)，即背部入射的激光有效能量傳輸模型受波長(zhǎng)的影響較大.

計(jì)算器件介質(zhì)層間的界面反射率，首先需要獲得SiNX，AlxGa1—xN，GaN 等材料層的空氣中反射率與折射率.以GaN 器件常用材料系數(shù)為例，在TPA 適宜波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的激光在材料中的空氣中反射率與折射率如表2 所列[23].

表2 不同波長(zhǎng)的激光在材料中的空氣中反射率與折射率Table 2.The reflectivity and refractive index of different laser wavelengths from air to the material.

各層材料空氣中反射率和折射率在不同波長(zhǎng)下區(qū)別很小，在正面入射的激光有效能量傳輸模型中，SiNX，AlxGa1—xN，GaN 介質(zhì)層在TPA 使用波段內(nèi)可取空氣中反射率為0.117，0.14 和0.168，折射率可取2.04，2.18 和2.31，藍(lán)寶石作為襯底時(shí)，反射率可取0.08，折射率可取1.76 計(jì)算.

器件介質(zhì)層間的界面兩側(cè)為兩種不同的介質(zhì)，在進(jìn)行界面反射率計(jì)算時(shí)，需要利用菲涅爾公式進(jìn)行修正，修正公式如下式所示:

其中n1，n2分別為界面兩側(cè)不同介質(zhì)的折射率;R為界面反射率，激光從界面兩側(cè)介質(zhì)分別入射的界面反射率相同.帶入折射率通用值可得到模型中SiNX層與AlxGa1—xN 層的界面反射率(R2)，AlxGa1—xN層與GaN 層的界面反射率(R3)，GaN 層與襯底(藍(lán)寶石)的界面反射率(R4)分別為0.11%，0.08%和1.9%.

由上分析可得，除金屬布線層外，介質(zhì)層間的界面反射率普遍較小，即激光入射器件各層材料時(shí)，能量衰減主要受表面材料的空氣中反射率影響.如2.1 所述，器件加入AlN 帽層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于AlN 材料的折射率與AlxGa1—xN 及GaN材料的折射率極為接近，使用(2a)式進(jìn)行計(jì)算后介質(zhì)層間的界面反射率仍舊較小;AlN 材料禁帶寬度較大，對(duì)TPA 波段的激光沒有吸收損耗，因此2.1 的激光有效能量傳輸模型可對(duì)GaN 功率器件進(jìn)行通用計(jì)算.

2.2.3 界面間激光多次反射能量分析

激光入射器件傳輸至有源區(qū)的過程中，激光在介質(zhì)層的界面間會(huì)進(jìn)行多次反射.為了清楚地顯示激光在介質(zhì)間多次反射的過程，并定量分析多次反射后的透射能量大小，圖4 以三層介質(zhì)為例示意界面間激光反射過程，為清楚表現(xiàn)激光傳輸?shù)臓顟B(tài)，所示光束有一定的入射角度，計(jì)算中僅考慮正入射情況.

圖4 脈沖激光在介質(zhì)層間多次反射示意圖Fig.4.Schematic diagram of the pulsed laser light reflecting between dielectric layers.

計(jì)算透射的所有能量，發(fā)現(xiàn)多次反射后透射能量之和趨于級(jí)數(shù)收斂，得到激光穿過兩層界面后的激光總透射率T為

其中Ra，Rb分別為兩層界面的反射率.將上述結(jié)果與器件界面反射率帶入激光有效能量傳輸模型計(jì)算，得到界面間多次反射后透射的能量之和僅為有效能量的0.01%，即界面間多次反射影響可忽略.

2.3 激光等效LET 值計(jì)算方法

在進(jìn)行GaN 功率器件脈沖激光能量等效LET值計(jì)算時(shí)，選擇TPA 激光波段入射器件，不同深度的激光功率為

其中I(W)是激光功率;x(cm)是半導(dǎo)體的深度.帶入I=Eeff/ws(w為脈沖寬度，s為光斑面積)，得到:

其中E(x) 是入射激光能量.依據(jù)脈沖激光和重離子在器件敏感區(qū)域單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生等量的電離電荷，脈沖激光的等效LET 值理論上可以表述如下:

其 中ρ為GaN 材料密 度，為6.1 g/cm3，ELET(MeV·cm2·mg—1)為等效LET 值，在TPA 中ef為重離子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所需能量與脈沖激光兩個(gè)光子能量的比值，Eion是粒子在GaN 材料中激發(fā)一對(duì)電子-空穴對(duì)所需的能量，為8.9 eV.

脈沖激光有效能量等效LET 值的表達(dá)式簡(jiǎn)化如下:

其中λ為激光波 長(zhǎng);h與c均為常 數(shù);ω與s在激光測(cè)試系統(tǒng)中為固定參數(shù);Eeff由脈沖激光有效能量傳輸模型可得.脈沖激光有效能量等效LET 值公式在TPA 波長(zhǎng)下可簡(jiǎn)化為

其中k為某波長(zhǎng)下ELET 的激光等效系數(shù);Eeff激光有效能量單位為nJ.

在等效LET 的計(jì)算中，GaN 的TPA 系數(shù)β(cm/GW)需要進(jìn)行參數(shù)確定[24，25].使用(3f)式可進(jìn)行β值計(jì)算，具體如下:

其中a為取值12 的經(jīng)驗(yàn)常數(shù);K為取值1940 的材料參數(shù);Ep是直接帶隙半導(dǎo)體的一個(gè)與材料無關(guān)的參數(shù)，取值為21 eV;n為GaN 材料的折射率;Eg為GaN 材料的禁帶寬度;hv為激光光子能量，函數(shù)關(guān)系.將參數(shù)帶入，600—729 nm波長(zhǎng)下的β值如圖5 所示.

圖5 不同波長(zhǎng)下GaN 材料的 β 值Fig.5.β of GaN materials at different wavelengths.

3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)對(duì)象

3.1 試驗(yàn)裝置

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心單粒子效應(yīng)飛秒脈沖激光試驗(yàn)裝置如圖6 所示，主要由激光器、光路系統(tǒng)、載物臺(tái)、測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成.飛秒脈沖激光器脈寬為35 fs，脈沖重復(fù)頻率為5 KHz;激光聚焦光斑尺寸達(dá)亞微米級(jí)，能量在1 nJ—1 μJ范圍調(diào)節(jié);XYZ三維載物臺(tái)分辨率為1 μm，移動(dòng)速度為速度為5000 μm/s;測(cè)試系統(tǒng)的電流采樣率為0.05 s.試驗(yàn)中，選擇TPA 適宜范圍內(nèi)620 和720 nm 兩個(gè)激光波長(zhǎng)進(jìn)行具體測(cè)試.

圖6 飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置 (a) 原理圖;(b) 實(shí)物圖Fig.6.Femtosecond pulsed laser SEE test device:(a) Schematic diagram;(b) physical diagram.

3.2 試驗(yàn)對(duì)象

本研究所用典型器件有兩款，器件1 為HDGIT 結(jié)構(gòu)的X-GaN 系列商用增強(qiáng)型器件，漏源擊穿電壓為600 V，用于正面入射脈沖激光有效能量傳輸模型，反剖器件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖7 所示;器件2 為中國(guó)科學(xué)院微電子研究所自主研發(fā)的藍(lán)寶石襯底GaN SBD 功率器件，兩極間反向擊穿電壓為100 V，用于背部入射脈沖激光有效能量傳輸模型.通過對(duì)兩款器件進(jìn)行全芯片激光掃描測(cè)試與典型位置理論值計(jì)算，完成對(duì)激光有效能量傳輸模型與激光等效重離子LET 值的技術(shù)研究.

圖7 驗(yàn)證器件結(jié)構(gòu)參數(shù)及激光入射位置 (a) 器件1;(b) 器件2Fig.7.Device structure parameters and laser incident positions:(a) Device 1;(b) device 2.

4 試驗(yàn)過程、結(jié)果及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 激光試驗(yàn)過程及結(jié)果

試驗(yàn)中，器件1 的漏源電壓為520 V，柵源電壓為0 V;器件2 的兩極反向偏壓為90 V.兩款測(cè)試器件均處于關(guān)閉狀態(tài).使用飛秒激光對(duì)器件進(jìn)行掃描，當(dāng)激光掃描至器件輻射敏感位置時(shí)會(huì)觀察到電流瞬態(tài)變化，入射能量越強(qiáng)，可用于發(fā)生TPA的光子數(shù)越多，有源區(qū)將產(chǎn)生更多的電子，繼而導(dǎo)致器件電流增大，當(dāng)超出器件可承受的最大電流時(shí)，器件發(fā)生單粒子燒毀.圖8 為發(fā)生SEB 后的器件實(shí)物表征;記錄激光誘發(fā)SEB 的能量值與器件工作狀態(tài)，結(jié)果如表3 所列.

圖8 器件發(fā)生SEB 后的實(shí)物圖 (a) 器件1;(b) 器件2Fig.8.The physical pictures of the devices after SEB:(a) Device 1;(b) device 2.

表3 激光試驗(yàn)結(jié)果Table 3.Laser test results.

4.2 激光等效重離子LET 計(jì)算

4.2.1 激光有效能量計(jì)算

計(jì)算激光ELET 首先需要通過脈沖激光有效能量傳輸模型獲取有源區(qū)的Eeff.帶入2.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，器件1 的有效能量與入射激光能量的比值為88.1%;器件2 的金屬布線層為材料金，代入620，720 nm 波長(zhǎng)下的β值進(jìn)行計(jì)算，得到兩個(gè)波長(zhǎng)下的有效能量與入射激光能量的比值分別93.7%和143%.表4 為兩個(gè)試驗(yàn)器件發(fā)生SEB 的有源區(qū)有效能量Eeff計(jì)算值.

表4 器件有效能量 EeffTable 4.Device effective energy Eeff .

4.2.2 重離子LET 試驗(yàn)結(jié)果

器件1 的重離子SEB 輻照數(shù)據(jù)由日本千葉重離子加速器提供[26]，使用的離子為86Kr31+離子;器件2 的重離子SEB 輻照數(shù)據(jù)在中國(guó)原子能科學(xué)院回旋加速器上進(jìn)行，使用的離子為74Ge20+離子.

重離子造成的SEB 結(jié)果與最低工作電壓如表5所列.

表5 器件重離子SEB 結(jié)果Table 5.SEB results (Heavy ion) of the device.

4.2.3 激光ELET 與重離子LET 對(duì)比

在該激光試驗(yàn)裝置中，將620 和720 nm 波長(zhǎng)條件下雙光子吸收系數(shù)β代入(3e)式計(jì)算可得ELET 的表達(dá)式如下:

使用(4a)式和(4b)式可以得到兩個(gè)波長(zhǎng)的激光ELET 值并與重離子LET 值對(duì)比，結(jié)果如表6所列.

表6 激光ELET 與重離子LET 對(duì)比Table 6.Comparison of laser ELET and Heavy ion LET.

圖9 為620 與720 nm 波長(zhǎng)誘 發(fā)SEB 時(shí)，激光與重離子LET 的對(duì)比關(guān)系.

圖9 不同波長(zhǎng)下器件發(fā)生SEB 的 與LET 關(guān)系對(duì)比圖 (a) 620 nm;(b) 720 nmFig.9.Corresponding diagram of the relationship between and LET under different wavelengths causing SEB:(a) 620 nm;(b) 720 nm.

從圖9 對(duì)比看出，器件1 與器件2 的激光ELET與重離子LET 等效關(guān)系，理論與試驗(yàn)符合.對(duì)于正面入射激光有效能量傳輸模型，不同的波長(zhǎng)入射得到的ELET 差距不大.而對(duì)于背部入射激光有效能量傳輸模型，器件2 在驗(yàn)證過程中入射激光波長(zhǎng)為620 nm 時(shí)，較大的雙光子吸收系數(shù)使得激光在GaN 層的透光系數(shù)較小，從而有源區(qū)受到的金屬二次反射影響較弱，二次反射能量與有源區(qū)能量占比約為2.8%;入射激光波長(zhǎng)為720 nm 時(shí)，較小的雙光子吸收系數(shù)使得激光在GaN 層的透光系數(shù)較大，從而有源區(qū)受到的金屬二次反射影響較強(qiáng)，二次反射能量與有源區(qū)能量占比約為36.5%.因此對(duì)于材料參數(shù)未知的器件，背部入射模型的入射波長(zhǎng)選擇620 nm 優(yōu)于720 nm.

5 結(jié)論

本文主要進(jìn)行空間用GaN 功率器件單粒子燒毀效應(yīng)激光定量模擬關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)基于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的GaN 功率器件，建立了適用于HEMT和SBD 等結(jié)構(gòu)的正面入射與背部入射脈沖激光有效能量傳輸模型，確立了模型中激光的入射波長(zhǎng)、器件材料反射率與透光系數(shù)、界面間激光多次反射能量等普適參數(shù)，并計(jì)算了脈沖激光能量等效重離子線性傳輸能量(ELET)，從理論上分析GaN 功率器件的脈沖激光定量模擬的可行性.

在試驗(yàn)測(cè)試的過程中，使用兩款器件進(jìn)行激光輻射測(cè)試并與重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做比較，其中正面入射的能量傳輸模型有源區(qū)能量占比為88.1%，620和720 nm 波長(zhǎng)下背部入射的能量傳輸模型有源區(qū)能量占比分別為93.7%和143%;兩款器件的激光ELET 理論計(jì)算和重離子試驗(yàn)結(jié)果符合性較好.同時(shí)，由于背部入射的激光有效能量傳輸模型中，TPA 較小的入射波長(zhǎng)受到的金屬二次反射影響較大，因此盡量選擇較小的TPA 波長(zhǎng)對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試;而正面入射的激光有效能量傳輸模型則不需要考慮不同入射波長(zhǎng)導(dǎo)致的結(jié)果差異.試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了激光有效能量傳輸模型與ELET 的推導(dǎo)對(duì)定量模擬GaN 功率器件SEB 的可行性與準(zhǔn)確性.