HEMT器件電磁脈沖毀傷機理仿真分析及試驗研究

安寧　柴常春　劉彧千

摘 要：以強電磁脈沖為典型代表的復雜電磁環境對雷達前端關鍵模塊與器件的可靠性不斷構成威脅。本文對雷達前端電路中低噪聲放大器的關鍵器件——GaAs HEMT進行了強電磁脈沖效應仿真研究與試驗驗證。利用仿真軟件構建了GaAs HEMT的二維熱電模型，并對器件柵極注入強電磁脈沖的情況進行了仿真，研究發現，該注入條件下器件內部峰值溫度呈現周期性的上升-下降-上升-下降趨勢，最終達到GaAs的熔點溫度， 導致器件燒毀，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域有明顯燒毀，與仿真結果相符。通過對仿真數據的處理和擬合，總結了器件燒毀功率閾值和能量閾值與注入微波脈寬的關系，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，與經驗公式相符。

關鍵詞： 低噪聲放大器;強電磁脈沖;HEMT器件;功率閾值;能量閾值; 電磁毀傷

中圖分類號：TJ95; TN959.73 文獻標識碼：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用于毫米波雷達的前端電路中，對經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，因此更容易受到強電磁脈沖的干擾與打擊。GaAs HEMT器件由于技術成熟、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。在強電磁脈沖的干擾下[1]，如果GaAs HEMT器件發生毀傷，會導致整個雷達前端電路的功能發生退化。

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

本文研究了強電磁脈沖注入下GaAs器件的損傷效應及機理[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，通過對器件內部電場強度、電流密度和溫度隨時間的變化情況進行分析，得到了HEMT器件的損傷機理。 將仿真結果與TEM下觀察到的實際剖片結果進行對比，得到良好的一致性。最后，通過對數據的處理和擬合，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系。

1 器件模型建立

1.1 器件結構模型

典型GaAs pHEMT結構如圖1所示，包括：半絕緣GaAs襯底;InGaAs溝道;Delta摻雜區，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域為金屬電極。

利用半導體仿真軟件Sentaurus-TCAD建立了與圖1結構相同的0.15 μm HEMT器件結構圖，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構）， 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仿真軟件通過數值迭代求解泊松方程、電流連續性方程和熱載流子方程來模擬計算器件內部微觀結構的電、熱學特性。在強電磁脈沖的注入下，器件內部的溫度會發生劇烈變化，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費米能級;q為電子的電量;T為溫度。

由于器件會產生自熱效應，為了求解器件內部的溫度分布情況，還需要考慮熱傳導方程[13]：

式中： c為晶格熱熔;k為熱導率;EC，EV分別為導帶底和價帶頂的能量;kB為玻爾茲曼常數;R為復合率。

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行了仿真。

漏極電壓為恒定2.5 V時，對器件進行開啟特性的仿真，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，從圖中的標注可以看出，當器件工作在Vgs=0 V，Vds=2 V時，器件的工作電流約為0.7 μA。

2 器件強電磁脈沖效應機理分析

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。在仿真條件上，設置器件的襯底為理想熱沉，初始仿真溫度設置為室溫（300 K）。由于器件內部主要由GaAs組成，所以設置當

器件內部峰值溫度達到GaAs的熔點1 511 K時，認為此時器件已經燒毀。

圖6為在柵極注入正弦電壓幅值為17 V，頻率為10 GHz時器件內部的峰值溫度隨著時間變化的響應情況。由圖中可以看出，器件內部的峰值溫度呈現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部的峰值溫度在器件內部的分布圖像， 從圖中可以看出，器件的峰值溫度出現在柵極下方，并且呈現出靠近源極的趨勢，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。

器件內部熱量的產生可以由下式給出：J=Q×E（4）

式中： Q為器件內部電流密度;E為器件內部電場強度。為了進一步得到器件在電磁脈沖作用下的燒毀機理，通過觀察在不同時刻器件內部物理量（主要是電流密度和電場強度）的變化來進行分析和解釋。

以第一個周期為例進行分析，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（此時注入信號為負半周期峰值）時刻的器件內部電流密度和電場強度分布圖像。當信號開始注入時，肖特基結正偏，器件處于放大狀態，隨著信號電壓的增大，由于曲率效應柵極下方靠近源漏端分別出現局部電場極大值。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從柵極到2DEG的導電溝道。隨著柵極電壓的增大，柵極下方靠近源極的局部區域先達到了雪崩擊穿的臨界場強（1.75×105 V/cm，從圖8（b）中可以看到，電場強度已經遠超過這個數量級），隨著柵極電壓的進一步增大，柵極下方靠近漏極的位置也達到了雪崩臨界擊穿電場，此時，源極（漏極）電流反轉成為反向電流。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;負半周期時，肖特基結反偏，柵極下方勢壘層中的耗盡區已經向下擴展到了GaAs襯底，導致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，HEMT二維電子氣導電溝道夾斷，電壓主要降落在肖特基結上，由于曲率效應導致電場超過雪崩臨界擊穿場強（由圖9（b）可以看出，此時的場強也遠大于臨界擊穿場強），因此雪崩擊穿產生大量的載流子在強電場作用下流向源極和漏極，由于部分載流子被耗盡，導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。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，正半周期雪崩產生的電子無法及時輸運，導致電子密度高于其他位置電子密度，因此，電場峰值更高。在高電場和強電流的作用下，正負半周期均產生大量的熱量，由于頻率很高，這種熱量無法及時擴散，器件的溫度產生積累，達到GaAs材料的燒毀溫度，器件發生燒毀。

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，負半周期主要由漏極和源極流向柵極。由于負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正值，在負半周期呈現負值，并且正半周期極大值的絕對值大于負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定的輸出波形，認為此時低噪聲放大芯片已經毀傷。

對毀傷樣品進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，源極一側的熔坑明顯大于漏極一側，與仿真結果一致。

4 HEMT器件強電磁脈沖脈寬效應分析

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結損傷的功率P、能量E與脈寬之間的經驗公式：

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;τ為脈沖寬度，即注入信號在器件燒毀之前的持續時間。

通過對仿真數據的處理和一定的數據擬合工作，得出圖12所示的柵極注入強電磁脈沖信號時，損傷能量閾值、損傷功率閾值與脈寬的關系表達式為

P=0.64τ-0.4（7）

E=0.13τ0.51（8）

可以看到，擬合出的表達式與PN結損傷的經驗表達式基本相符，表明半導體器件在受到脈沖信號的影響下，具有相似的規律，并且擬合出的表達式分別具有0.97和0.98的相關系數。表明擬合結果具有一定可信度。

綜合仿真結果可以看出，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 論

本文研究了毫米波低噪聲放大器關鍵器件的電磁脈沖效應，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電磁脈沖的注入條件下的損傷機理，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生燒毀的現象。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果。最后，通過數據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論，得到相關經驗公式，對后續相關研究有一定啟發。

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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。

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）