空間用GaN 功率器件單粒子燒毀效應激光定量模擬技術研究*

崔藝馨 馬英起? 上官士鵬 康玄武 劉鵬程 韓建偉

1) (空間天氣學國家重點實驗室，中國科學院國家空間科學中心，北京 100190)

2) (中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 100049)

3) (中國科學院微電子研究所，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、高開關頻率等優點[1-3]，相較于傳統Si 基器件在高壓電源領域具有更廣闊的應用前景，在航天中已得到初步應用[4，5].重離子可使GaN 功率器件發生單粒子效應(single event effect，SEE)，當引起器件單粒子燒毀(single event burnout，SEB)時會導致電源系統災難性故障，從而無法保證設備正常運行[6，7].因此，在空間電源系統中確定關鍵器件的抗輻射性能特別是突出的SEB 效應十分必要.

2015 年Scheick[8]首次在常關型GaN 功率器件中觀察到SEB 的出現，國際上前期工作主要分析了質子位移損傷對器件的影響[9-11].Zerarka 等[12]通過數據仿真提出了導致SEB 的兩種可能機制，Martinez 等[13]發現GaN HEMT 在發生SEB 時存在柵漏極短路點，研究表明器件SEB 敏感區域位于柵漏之間[8，14].上述試驗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制等方面開展大量工作.脈沖激光主要通過光電效應等效重離子誘發SEB 試驗結果，具有快速測定器件安全工作區、探測敏感區域范圍等優勢.針對Si 基功率器件SEB 試驗激光手段已被廣泛應用[15-17]，但在GaN 等寬禁帶半導體器件SEB 激光評估方面需要進行系列關鍵技術研究.Ngom 等[18]使用飛秒脈沖激光背部入射GaN HEMT 器件，討論波長對其穿透深度等參數的影響，獲得SEE 與入射波長的依賴關系;蒙彼利埃大學Roche 與美國海軍研究實驗室Khachatrian 等[19-21]基于單光子吸收(single-photon absorption，SPA)機制利用紫外波段脈沖激光對GaN HEMT 定制器件進行SEE研究獲得了單粒子瞬態(single event transient，SET)不同波形特征，并在GaN 材料中測試激光雙光子吸收(two-photon absorption，TPA)引起的空間電信號脈沖，從正面入射GaN 二極管產生SET響應，為激光TPA 技術用于模擬重離子誘發GaN器件SEB 提供試驗參考.激光與重離子等效關系一直以來是阻礙脈沖激光定量評估SEB 的關鍵技術問題，建立脈沖激光與重離子能量的對應關系、定量評估器件發生SEB 閾值亟需充分研究.

中國科學院國家空間科學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]，并據此計算了與重離子線性能量傳輸(linear energy transfer，LET)的等效關系.本文主要研究脈沖激光對GaN 功率器件SEB 效應的定量評估技術，在前期基礎上完善正面入射激光能量傳輸模型，并進行關鍵參數校正;同時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，據此建立激光與重離子LET 的定量對應關系.利用空間中心自行搭建的飛秒激光測試裝置，對兩款不同類型的GaN 功率器件開展試驗，將器件發生SEB 時的脈沖激光有效能量與重離子LET 數據進行對比，獲得了良好的等效關系.本文的工作將有助于GaN 功率器件的SEB 定量評估研究，為空間用GaN 功率器件的安全工作區域確定、機理研究及加固設計驗證提供技術支撐.

2 理論模型建立與數值計算

2.1 激光有效能量傳輸模型建立

基于AlGaN/GaN 異質結的GaN 功率器件，在GaN 層側因自發和壓電極化效應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電通道.在進行脈沖激光實驗時，激光穿過介質層聚焦于GaN 層2DEG 周圍有源區發生光電作用，當激光有效能量的轉化電荷超過器件承受閾值時發生單粒子燒毀效應.對基于AlGaN/GaN 異質結的GaN 功率器件進行有源區激光有效能量定量評估，根據器件不同的結構類型，可建立正面入射和背部入射的兩種有效能量傳輸模型.

對于GaN HEMT 等背部有金屬的GaN 功率器件，可選擇對器件開正面封裝，使脈沖激光從正面進行輻射試驗.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有源區產生電子-空穴對，從而引發單粒子效應.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，激光會經歷器件表面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.依據幾何光學的傳播特性，建立脈沖激光能量傳輸衰減的計算模型.最終達到有源區的激光能量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層對激光的反射率;R2是SiNX層與AlxGa1—xN 層交界面對激光的反射率;R3是AlxGa1—xN 層與GaN 層交界面對激光的反射率;t1是SiNx層的材料透光系數;t2是AlxGa1—xN 層的材料透光系數;t1，t2均與材料對激光的吸收作用有關 ;E′是界面層間多次反射進入有源區的激光脈沖能量.GaN HEMT 功率器件往往會有場板、帽層等更為復雜的設計影響激光能量的傳輸效率.在進行有源區激光有效能量定量計算時，可結合器件的實際結構，將復雜結構的材料系數加入Eeff的公式計算，從而使得計算結果更為精準.

對于橫向結構肖特基(SBD)二極管等背部沒有金屬的GaN 功率器件，選擇對器件開背部封裝，使脈沖激光從背部進行輻射試驗;對于襯底較薄的GaN HEMT 器件，也可以在背部金屬上進行特定大小(開孔大小至少覆蓋一組源柵漏極結構重復單元)的金屬開孔，完成背部襯底減薄的輻射實驗.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.

當激光從背部入射進行輻射實驗時，器件表面的激光會經歷襯底層的反射、因材料光子吸收導致襯底層的光衰減、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有源區誘發器件產生單粒子效應.傳輸角度考慮器件為理想化的垂直正入射.依據幾何光學的傳播特性，建立脈沖激光能量傳輸衰減的計算模型.最終達到有源區的激光能量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是器件襯底表面對激光的反射率;R4是GaN 層與襯底交界面對激光的反射率;R3是AlxGa1—xN 層與GaN 層交界面對激光的反射率;R0是金屬布線層與AlxGa1—xN 層交界面對激光的反射率;t4是襯底的材料透光系數;t3是GaN 層的材料透光系數;t2是AlxGa1—xN 層的材料透光系數;t4，t3，t2均與材料對激光的吸收作用有關;E′是界面間多次反射進入有源區的激光脈沖能量.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雜結構，背部輻射還需考慮金屬二次反射對有源區有效能量的影響，即當激光穿過垂直方向上有金屬電極的有源區時，(1b)式中R0不為0，需要考慮金屬反射的作用.

2.2 關鍵參數確定

為了定量模擬激光誘發GaN 功率器件單粒子燒毀效應，需要確定激光與器件的關鍵參數.激光關鍵參數主要為激光波長的選擇，器件關鍵參數主要為脈沖激光能量傳輸模型中各層材料的透光系數與反射率，同時對界面間激光多次反射的能量值等參數也應進行分析.

2.2.1 激光波長選擇

在選擇試驗激光波長時，激光入射器件的光生電流敏感程度與選擇的波長有很大的關系.激光輻照半導體材料時，根據產生一個電子-空穴對所吸收的光子數量，分為單光子吸收、雙光子吸收、多光子吸收機制.TPA 指在高激光強度下吸收兩個光子產生單個電子-空穴對，同時僅在光束焦點附近作用效果顯著，傳輸光路中因光束尺寸的增加使得激光強度不足以產生TPA，與SPA 相比具有更好的空間分辨率與更長的穿透深度.GaN 禁帶寬度為3.4 eV，發生TPA 的波長范圍為364—729 nm.圖3 表示了不同波長在GaN 材料中的穿透深度，商用GaN HEMT 功率器件的有源區多在正面6 μm以下位置，背部入射時器件緩沖層厚度也多在4 μm以上，因此在進行激光模擬GaN 功率器件單粒子燒毀效應試驗中，選擇TPA 的實驗波長時以600—729 nm 之間為佳.

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

2.2.2 介質層透光系數與反射率確定

在正面入射模型中，對GaN 功率器件的介質層透光系數進行分析，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層時，光子能量不足以引發SPA 與TPA，透射損耗較低，因此在激光有效能量傳輸模型中，SiNX層材料對光子近乎不吸收，可視為完全透光;AlxGa1—xN 介質層厚度極薄，如表1 所列，在TPA 適宜波長范圍內，常用材料Al0.2Ga0.8N 因吸收導致的光損在0.1%左右，激光穿過該介質層的光損可以忽略;當襯底材料為藍寶石時，藍寶石對于TPA 波段的激光波長透明.因此在模型計算中，各層材料對激光無吸收影響，主要考慮材料界面的反射率導致的光損失.

表1 不同波長的激光在不同厚度的Al0.2Ga0.8N中的吸收系數與光損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(藍寶石襯底)中，應考慮金屬布線層的二次反射對有源區能量的影響，而到達金屬布線層的能量則受GaN 層的透光系數制約.GaN 層的透光系數t1與β呈反比關系，其中β(cm/GW)是GaN 材料的TPA 系數.β與激光波長相關，即背部入射的激光有效能量傳輸模型受波長的影響較大.

計算器件介質層間的界面反射率，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 器件常用材料系數為例，在TPA 適宜波長范圍內，不同波長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下區別很小，在正面入射的激光有效能量傳輸模型中，SiNX，AlxGa1—xN，GaN 介質層在TPA 使用波段內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，藍寶石作為襯底時，反射率可取0.08，折射率可取1.76 計算.

器件介質層間的界面兩側為兩種不同的介質，在進行界面反射率計算時，需要利用菲涅爾公式進行修正，修正公式如下式所示:

其中n1，n2分別為界面兩側不同介質的折射率;R為界面反射率，激光從界面兩側介質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，介質層間的界面反射率普遍較小，即激光入射器件各層材料時，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 帽層等復雜結構設計時，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)式進行計算后介質層間的界面反射率仍舊較小;AlN 材料禁帶寬度較大，對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GaN 功率器件進行通用計算.

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的過程中，激光在介質層的界面間會進行多次反射.為了清楚地顯示激光在介質間多次反射的過程，并定量分析多次反射后的透射能量大小，圖4 以三層介質為例示意界面間激光反射過程，為清楚表現激光傳輸的狀態，所示光束有一定的入射角度，計算中僅考慮正入射情況.

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

計算透射的所有能量，發現多次反射后透射能量之和趨于級數收斂，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.將上述結果與器件界面反射率帶入激光有效能量傳輸模型計算，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 值計算方法

在進行GaN 功率器件脈沖激光能量等效LET值計算時，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.依據脈沖激光和重離子在器件敏感區域單位長度上產生等量的電離電荷，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為重離子產生一個電子-空穴對所需能量與脈沖激光兩個光子能量的比值，Eion是粒子在GaN 材料中激發一對電子-空穴對所需的能量，為8.9 eV.

脈沖激光有效能量等效LET 值的表達式簡化如下:

其中λ為激光波 長;h與c均為常 數;ω與s在激光測試系統中為固定參數;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 波長下可簡化為

其中k為某波長下ELET 的激光等效系數;Eeff激光有效能量單位為nJ.

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

其中a為取值12 的經驗常數;K為取值1940 的材料參數;Ep是直接帶隙半導體的一個與材料無關的參數，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，函數關系.將參數帶入，600—729 nm波長下的β值如圖5 所示.

圖5 不同波長下GaN 材料的 β 值Fig.5.β of GaN materials at different wavelengths.

3 試驗裝置與試驗對象

3.1 試驗裝置

中國科學院國家空間科學中心單粒子效應飛秒脈沖激光試驗裝置如圖6 所示，主要由激光器、光路系統、載物臺、測試系統、計算機組成.飛秒脈沖激光器脈寬為35 fs，脈沖重復頻率為5 KHz;激光聚焦光斑尺寸達亞微米級，能量在1 nJ—1 μJ范圍調節;XYZ三維載物臺分辨率為1 μm，移動速度為速度為5000 μm/s;測試系統的電流采樣率為0.05 s.試驗中，選擇TPA 適宜范圍內620 和720 nm 兩個激光波長進行具體測試.

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

3.2 試驗對象

本研究所用典型器件有兩款，器件1 為HDGIT 結構的X-GaN 系列商用增強型器件，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，反剖器件的結構與參數如圖7 所示;器件2 為中國科學院微電子研究所自主研發的藍寶石襯底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.通過對兩款器件進行全芯片激光掃描測試與典型位置理論值計算，完成對激光有效能量傳輸模型與激光等效重離子LET 值的技術研究.

圖7 驗證器件結構參數及激光入射位置 (a) 器件1;(b) 器件2Fig.7.Device structure parameters and laser incident positions:(a) Device 1;(b) device 2.

4 試驗過程、結果及數據對比分析

4.1 激光試驗過程及結果

試驗中，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.兩款測試器件均處于關閉狀態.使用飛秒激光對器件進行掃描，當激光掃描至器件輻射敏感位置時會觀察到電流瞬態變化，入射能量越強，可用于發生TPA的光子數越多，有源區將產生更多的電子，繼而導致器件電流增大，當超出器件可承受的最大電流時，器件發生單粒子燒毀.圖8 為發生SEB 后的器件實物表征;記錄激光誘發SEB 的能量值與器件工作狀態，結果如表3 所列.

圖8 器件發生SEB 后的實物圖 (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 激光試驗結果Table 3.Laser test results.

4.2 激光等效重離子LET 計算

4.2.1 激光有效能量計算

計算激光ELET 首先需要通過脈沖激光有效能量傳輸模型獲取有源區的Eeff.帶入2.2 關鍵參數計算，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 波長下的β值進行計算，得到兩個波長下的有效能量與入射激光能量的比值分別93.7%和143%.表4 為兩個試驗器件發生SEB 的有源區有效能量Eeff計算值.

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

4.2.2 重離子LET 試驗結果

器件1 的重離子SEB 輻照數據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 輻照數據在中國原子能科學院回旋加速器上進行，使用的離子為74Ge20+離子.

重離子造成的SEB 結果與最低工作電壓如表5所列.

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

4.2.3 激光ELET 與重離子LET 對比

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

使用(4a)式和(4b)式可以得到兩個波長的激光ELET 值并與重離子LET 值對比，結果如表6所列.

表6 激光ELET 與重離子LET 對比Table 6.Comparison of laser ELET and Heavy ion LET.

圖9 為620 與720 nm 波長誘 發SEB 時，激光與重離子LET 的對比關系.

圖9 不同波長下器件發生SEB 的 與LET 關系對比圖 (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 對比看出，器件1 與器件2 的激光ELET與重離子LET 等效關系，理論與試驗符合.對于正面入射激光有效能量傳輸模型，不同的波長入射得到的ELET 差距不大.而對于背部入射激光有效能量傳輸模型，器件2 在驗證過程中入射激光波長為620 nm 時，較大的雙光子吸收系數使得激光在GaN 層的透光系數較小，從而有源區受到的金屬二次反射影響較弱，二次反射能量與有源區能量占比約為2.8%;入射激光波長為720 nm 時，較小的雙光子吸收系數使得激光在GaN 層的透光系數較大，從而有源區受到的金屬二次反射影響較強，二次反射能量與有源區能量占比約為36.5%.因此對于材料參數未知的器件，背部入射模型的入射波長選擇620 nm 優于720 nm.

5 結論

本文主要進行空間用GaN 功率器件單粒子燒毀效應激光定量模擬關鍵技術研究，對基于AlGaN/GaN 異質結的GaN 功率器件，建立了適用于HEMT和SBD 等結構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、器件材料反射率與透光系數、界面間激光多次反射能量等普適參數，并計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.

在試驗測試的過程中，使用兩款器件進行激光輻射測試并與重離子實驗數據做比較，其中正面入射的能量傳輸模型有源區能量占比為88.1%，620和720 nm 波長下背部入射的能量傳輸模型有源區能量占比分別為93.7%和143%;兩款器件的激光ELET 理論計算和重離子試驗結果符合性較好.同時，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 波長對器件進行測試;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導致的結果差異.試驗結果驗證了激光有效能量傳輸模型與ELET 的推導對定量模擬GaN 功率器件SEB 的可行性與準確性.