外界條件在電磁脈沖對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 楊銀堂 樊慶揚

(西安電子科技大學微電子學院,教育部寬禁帶半導體材料與器件國家重點實驗室,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,從而導致整個系統(tǒng)癱瘓[1].GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)作為LNA的主要器件,研究其在外界EMP作用下的損傷效應和機理對于電子系統(tǒng)和電路的抗電磁脈沖損傷加固設計具有重要的意義.目前,對于半導體器件電磁脈沖損傷效應和機理的研究,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道[14,15].然而,實際中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信號由于耦合路徑和外電路的消耗具有一定程度的變化.同時,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.為了真實反映EMP對器件的損傷效應和機理,研究外界條件在器件損傷過程中的影響則十分必要.

我們在文獻[16—18]中報道了孤立GaAs PHEMT器件在電磁脈沖作用下的損傷效應.本文首先結合器件仿真軟件Sentaurus TCAD建立了GaAs PHEMT器件在EMP作用下的損傷模型,并通過實驗結果對該模型進行了驗證;然后分別從信號參數(shù)和外接電阻兩個方面出發(fā)討論了外界條件在器件EMP損傷過程中的影響,獲得了外界條件對器件損傷效應的影響規(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,基本結構為AlGaAs/InGaAs異質(zhì)結,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侖散射,在δ-摻雜層與InGaAs溝道層之間生長一層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.器件柵長為0.25μm,肖特基勢壘高度為0.9 eV.GaAs襯底層下表面設定為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器件結構Fig.1.Device structure of GaAs PHEMT.

2.2 仿真模型

研究半導體器件在EMP作用下的損傷過程,需要考慮器件的電熱效應.本文利用器件仿真軟件Sentaurus TCAD中的流體動力學模型模擬器件內(nèi)部載流子的輸運過程.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,從柵極對器件注入EMP信號,并維持至器件燒毀(這里定義器件峰值溫度達到1511 K作為器件燒毀的判據(jù)).由于EMP信號波形的復雜性,目前對于器件EMP損傷效應的研究多用階躍脈沖來模擬EMP信號[4,6,10],這里我們仿真使用上升時間為0.1 ns,幅度為7 V的階躍脈沖信號.

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

2.3 仿真結果與分析

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

圖4 (網(wǎng)刊彩色)0.1 ns時刻器件內(nèi)部參數(shù)分布情況 (a)電流密度(A/cm2);(b)電場強度(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間的變化關系,可以看出,隨著脈沖作用時間的持續(xù),器件溫度持續(xù)升高并在2.3 ns到達器件的燒毀點.在脈沖信號作用下,器件在柵極與溝道層之間形成電流溝道(圖4(a)).由于AlGaAs勢壘層為低摻雜區(qū)域,外加信號電壓主要降落在勢壘層上.圖4(b)為0.1 ns時刻器件的電場強度分布,柵極下方兩側(cè)形成電場強度峰值,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和電場強度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)).隨著脈沖時間的持續(xù),當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)的載流子在高電場下被及時輸運走,而柵極下方中間區(qū)域的空穴來不及被輸運而開始積累,導致此處的空穴密度高于柵極下方其他地方的空穴密度,電場強度峰值轉(zhuǎn)移到此處(圖5(a)).相應的電流密度分布也開始向中間擴散,并最終在柵極下方中間區(qū)域形成峰值電流溝道(圖5(b)).電場強度和電流密度的分布,決定了器件的最終燒毀點位于柵極下方中間區(qū)域(圖5(c)).

圖5 (網(wǎng)刊彩色)燒毀時刻器件內(nèi)部參數(shù)分布情況 (a)電場強度(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[20]對GaAs PHEMT器件進行了高功率微波(HPM)注入實驗.研究結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果基本符合.值得注意的是,雖然本文仿真使用的EMP信號與實驗采用的HPM信號樣式有所不同,但兩者對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,其損傷結果具有一定的相似性.仿真結果和實驗結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.

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

3 外界條件對器件損傷效應的影響

為了分析方便,本文利用器件損傷時間的快慢來表征外界條件對器件損傷效應的影響程度.由于外界條件建模的復雜性,這里用信號參數(shù)的變化來模擬注入信號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模擬器件外部的功能電路,研究了兩種典型外界條件對器件損傷效應的影響.

3.1 信號參數(shù)對器件損傷時間的影響

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

圖7 損傷時間隨信號幅度的變化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間與信號上升時間的關系,可以看出,器件的損傷時間隨著信號上升時間的增加而變長,且基本成線性關系.信號上升時間的增加,導致器件雪崩擊穿以及熱擊穿時間都延緩,進而導致器件損傷時間也相應地延長.

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

信號上升時間的變化能夠影響注入信號的電壓變化率,進而影響器件的位移電流.圖9為信號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上升時間的變化趨勢.從圖9可以看出,位移電流隨著上升時間的增加而減小,這是因為上升時間越長,電壓變化越緩慢.同時,位移電流在總電流中的比重也隨著上升時間的增加而減小,且其比重整體都較小,在上升時間為0.1 ns時該值最大才為0.06.位移電流相比于總電流而言較小,對器件損傷熱積累的貢獻基本可以忽略.因此,器件損傷時間變長的原因應該不是由位移電流所導致,而是由于器件的擊穿時間延緩所引起,這與文獻[21]中的分析相一致.這里需要注意的是,盡管位移電流對器件的損傷熱積累影響不大,但因其產(chǎn)生的瞬時高電流,會對電路中的信號產(chǎn)生相當強的干擾,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 外接電阻對損傷時間的影響

圖10為器件損傷時間與外接電阻的關系.無論源端外接電阻Rs還是漏端外接電阻Rd,都能夠延緩器件的損傷進程.當器件外接電阻時,注入信號的能量將有一部分消耗在外接電阻上,從而導致在相同時間內(nèi)器件獲得的能量減小,損傷時間變長.同時,從圖10可以看出,在相同阻值的條件下Rs對器件損傷時間的影響幅度要比Rd大,這是由器件的內(nèi)部損傷機理所決定的.實際中,器件柵極的電流主要來源于源極.當源極和漏極被外接相同阻值的電阻時,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,源極外接電阻對器件的損傷效應影響更大.

圖10 損傷時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

半導體器件是電子系統(tǒng)中的薄弱構成元件,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)的復雜性,實際中EMP信號并非直接作用到器件的端子上,其對器件的損傷效應受到各種因素的影響.本文從注入信號和器件外部電路兩個方面出發(fā),研究了這些外界因素在器件EMP損傷效應中的影響.研究結果顯示,器件的損傷進程受到注入信號參數(shù)變化的影響,其損傷時間與信號幅度成反比,與信號上升時間成正比.器件外接電阻能夠延緩器件的損傷進程,相比于漏端外接電阻,源端外接電阻對器件損傷效應的影響更大.本文的研究結果能使我們更加真實地了解器件的EMP損傷過程與效應,對于器件抗電磁脈沖損傷能力的設計具有重要的參考價值.在外電路的設計中,可研究構造能夠減弱注入信號幅度、使信號上升時間變得緩慢的保護電路單元;在器件的設計中,可以在保證器件性能參數(shù)達標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,研究了這些電路對器件EMP損傷效應的影響.實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.這些阻抗負載對于器件損傷效應的影響涉及到頻率效應,相比純電阻的影響更加復雜,目前正在對于器件的頻率損傷敏感參數(shù)進行研究.

[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物理學報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物理學報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物理學報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,馬弘舸,趙剛,王艷,鐘龍權2013強激光與粒子束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博士學位論文(西安:西安電子科技大學)]

[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,關穎,韓福斌,龔建成2002微電子學與計算機1917]