漏极注入HPM对高电子迁移率晶体管的损伤机理

薛沛雯，方进勇，李志鹏，孙静

中国空间技术研究院 西安分院，西安 710100



漏极注入HPM对高电子迁移率晶体管的损伤机理

薛沛雯，方进勇，李志鹏，孙静*

中国空间技术研究院 西安分院，西安 710100

针对典型GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)低噪声放大器，利用半导体仿真软件Sentaurus-TCAD建立了HEMT低噪声放大器二维电热模型，考虑高电场下的载流子迁移率退化和载流子雪崩产生效应，分析了由漏极注入高功率微波(HPM)情况下器件内部的瞬态响应，通过分析器件内部电场强度、电流密度、温度分布随信号作用时间的变化，研究了其损伤效应与机理。研究结果表明，当漏极注入幅值17.5 V、频率为14.9 GHz的微波信号后，峰值温度随信号作用时间的变化呈现周期性“增加—减小—增加”的规律。在正半周期降温，在负半周期升温，总体呈上升趋势，正半周电场峰值主要出现在漏极，负半周电场峰值主要出现在栅极靠漏侧，端电流在第二周期之后出现明显的双峰现象。由于热积累效应，栅极下方靠漏侧是最先发生熔融烧毁的部位，严重影响了器件的可靠性，而漏极串联电阻可以有效提高器件抗微波损伤能力。最后，对微波信号损伤的HEMT进行表面形貌失效分析，表明仿真与试验结果基本相符。

高功率微波；高电子迁移率晶体管；损伤机理；漏极；失效分析

随着半导体器件尺寸不断缩小,系统集成度不断提高，其对外界电磁能量敏感度不断上升。另外，电磁环境日益复杂，使得半导体器件和集成电路极易受到高功率微波(HPM)的威胁。目前，已经展开HPM对器件与电路的损伤研究，取得了部分研究成果[1-2]。文献[3]建立了一维热失效模型，得到了与试验数据相符合的损伤功率与脉宽的半经验公式。文献[4]针对双极型晶体管研究了不同引脚注入下的损伤效应与机理，以及相位对烧毁时间的影响。文献[5-6]开展了一系列互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器在高功率微波(HPM)干扰下的试验研究与机理分析。文献[7]针对PIN限幅二极管电流丝的运动，研究了在注入不同峰值功率的电磁脉冲的情况下，限幅器的输入输出特性，以及器件热损伤阈值与脉宽的关系。文献[11]分析了GaAs HEMT的烧毁特性。据现有文献资料显示，目前运行的中低轨卫星多数没有采取抗HPM加固的技术措施，如果受到HPM武器的攻击，卫星上的低噪声放大器将遭受强烈的干扰直至彻底失效，而高电子迁移率晶体管作为低噪声放大器的核心器件，对其损伤机理进行研究具有十分重要的意义。现有HEMT器件在高功率微波作用下研究主要由栅极注入，并且主要针对低频段，极少有从漏极注入的情况，但高功率微波可能通过多种途径耦合进入电子内部，作用到低噪声放大器的各个引脚上，对其产生干扰甚至破坏，因此研究从漏极注入HPM后HEMT器件的损伤机理具有一定现实意义。

本文利用Sentaurus-TCAD软件，针对0.25 μm栅长的AlGaAs/InGaAs高电子迁移率晶体管，对从漏极注入17.5 V，14.9 GHz微波信号作用下的烧毁过程进行了仿真，根据器件内部电场强度、电流密度、温度分布随时间的变化，分析了其损伤机理，并研究了漏极串联电阻对器件微波损伤的影响。

1 仿真模型

1.1 器件结构与信号模型

本文在TCAD 中仿真采用的是典型的AlGaAs/InGaAs HEMT结构，如图1所示。HEMT主要由GaAs衬底、InGaAs沟道、AlGaAs势垒层、Si3N4钝化层、GaAs帽层组成，其中In(1-α)GaαAs(α=0.75)沟道厚度为10nm,AlαGa(1-α)As(α=0.3)势垒层厚度为34.5 nm,GaAs帽层厚度为30 nm,Si3N4钝化层厚度为50 nm,δ掺杂层厚度为2 nm,其中心位置在y=0.031 mm处。肖特基栅向势垒层的刻蚀深度为15 nm，栅长为0.25 μm，栅两边是40 nm宽的绝缘氧化层，肖特基势垒高度为0.9 eV。衬底下表面设定为300 K的理想热沉，其他表面采用绝热边界条件。

注入信号等效成正弦电压信号，该信号数学表达式为：

(1)

式中：U0为信号幅值；D为信号衰减因子；td为时间延迟；f为频率。器件转移特性曲线如图2所示，可知器件为耗尽型，因此，设定栅极偏压Vgs=0 V，漏极偏压Vds=2 V,源级接地，漏极注入幅值为17.5 V，频率为14.9 GHz，初相φ为零的无衰减连续正弦电压信号，直至器件内部任一点达到GaAs的熔点1 511 K，此时判定器件烧毁。转移特性曲线如图2所示。

1.2 数值模型

本文使用Sentaurus-TCAD软件模拟从GaAs HEMT漏极注入高功率微波的烧毁过程。采用热力学模型与流体力学模型模拟内部载流子的传输过程[8]。除了解算泊松和载流子连续性方程之外，还解算了载流子温度和热流方程。模拟烧毁的过程需要考虑器件的自热效应，得到自热效应对器件内部温度分布的影响需求解以下方程：

(2)

式中：c为晶格热熔；k为热导率；T为温度，Pn和Pp分别为电子和空穴绝对热电功率；Jn和Jp分别为电子和空穴的电流密度；Ec和Ev分别为导带底和价带顶能量。

本文除了考虑掺杂浓度和载流子散射对迁移率的影响外，特别考虑了高电场对迁移率的影响，由高场决定的迁移率模型采用Canali迁移率模型[8]。

载流子产生复合过程将SRH复合，俄歇复合和载流子雪崩产生考虑在内，此外，还考虑了源、漏极由于高浓度掺杂而引发的载流子隧穿效应。

2 仿真结果与分析

首先，讨论当漏极注入幅值17.5 V，频率14.9 GHz微波信号时，器件内部的升温过程。仿真电路如图3所示。

图4是信号作用下器件内部峰值温度随时间的变化，实线代表温度，虚线代表微波信号，可以看出峰值温度随信号作用时间的变化呈现周期性“增加—减小—增加”的规律，在正半周期降温，在负半周期升温，而整体趋势随信号作用时间的持续而不断增高，具有累积效应，在第9个周期的负半周期烧毁，器件峰值温度达到GaAs熔点1 511 K[9]。由于温度随时间变化在第二周期后趋于稳定，为了解释以上现象，以第二周期为例进行分析，图5为负半周期峰值的电场强度与电流密度分布，图6为正半周期两个不同时间点的电场强度与电流密度分布。

在负半周期，施加于漏极的信号源为反向电压，此时电场峰值位于栅极偏漏侧，以及AlGaAs/InGaAs异质结界面处，电流在异结界面处由漏极流向源极，如图5(a)所示。随着信号电压不断升高达到负半周峰值(t=0.11 ns)时，栅极靠漏侧电势差达到GaAs材料的雪崩击穿电场值(1.75×105V/cm)，形成从栅极到二维电子气(2DEG)的导电沟道，雪崩击穿产生大量载流子使栅极靠漏极侧电流密度迅速上升，由于漏极加了反向电压，雪崩击穿产生的载流子无法及时运输，导致栅极靠漏测电流密度高于其他位置的电流密度，如图5(b)所示。功率密度是Q=J•E，其中J、E分别为电流密度和电场强度，所以温度由电流密度J和电场强度E两个参数共同决定，功率耗散产生的热量使器件温度迅速上升[10]。栅极下方靠漏极侧的电场强度和电流密度都非常大，当功率耗散产生的热量大于向周围扩散的热量时，温度持续升高，直至烧毁。由以上分析可知，温度在负半周期得到积累。

在正半周期，电流由漏极流向源极，随着漏极电压的增大，栅极下方势垒层耗尽区逐渐加宽，当势垒层扩展到GaAs衬底时，空间电荷区连通，在空间电荷区连通的区域内自由载流子全部耗尽，此时沟道夹断，当栅极靠漏侧电场强度达到雪崩击穿电场值时，产生的载流子被迅速漂移进漏极，如图6(a)(b)所示，可见电场强度峰值与电流密度峰值未出现在同一区域，信号功率所产生的热量比周围传导的热量少，使得第一周期正半周峰值温度无明显上升，第二周期之后正半周期温度在原有基础上开始下降。当信号电压继续增加时，空间电荷调制效应使电场峰值转移到漏极衬底处，然而此时电流密度峰值出现在靠漏极势垒层以及InGaAs沟道处，如图6(c)(d)所示，因此峰值温度仍然在栅极下方靠漏侧。当t>0.084 ns时，随着漏极注入电压的降低，电场强度减小，电流流向源极，漏端电流密度下降。

2.1 电流密度随时间的变化

图7是器件烧毁前栅极电流密度随时间的变化规律，由图可知，电流从第6个周期出现了明显的双峰现象，因此以第6周期为例，在正半周期，栅极下方靠漏测达到雪崩击穿的临界值，栅电流在初始时刻出现电流峰值，由于电子在高电场下及时被运走，电流密度开始下降，然而温度具有累积效应，随着温度持续升高，栅极下方热激发的载流子迅速增加，导致此处电流密度增大，栅极电流再次上升，出现了双峰现象[11]。稳定后栅极电流密度约为-0.000 75 A/μm，漏极电流密度约为0.014 6 A/μm，源级电流密度约为-0.011 A/μm，可见电流在正半周期主要从漏极流向源极。在负半周期，随着输入信号电压的增大，栅极靠漏测电场强度快速增大，发生雪崩击穿，导致栅极电流密度迅速增大，栅极电流密度为0.047 A/μm，漏极电流密度为-0.062 A/μm，源极电流密度为0.01 A/μm，可见电流主要由栅极流向漏极，其次由源极流向漏极，与之前分析一致。图8是第7周期正半周期峰值处以及烧毁时刻(负半周)内部电流密度分布图，由图可得，正半周期电流密度峰值出现在漏极，同时二维电子气导电沟道导通，电子被及时运走，在负半周期，电流密度峰值出现在栅极下方靠漏侧，由于漏极上加有反向电压，电子聚集于此，导致此处温度升高，最先到达GaAs的熔点[12]。

2.2 电场强度随时间的变化

图9为第7周期正半周峰值(t=0.41 ns)和烧毁时刻(t=0.59 ns)器件内部电场强度分布，可以看出，在正半周期，随着注入电压的增大，电场峰值出现在漏极，栅极下方靠漏侧以及栅极下方靠源侧，因为信号电压从漏极注入，所以漏极电压相对更大，雪崩击穿首先在这个位置出现，而在负半周，电场峰值转移到栅极下方靠漏侧，发生雪崩击穿后，电流密度峰值也出现在此处。

2.3 温度随时间的变化

由热传导方程可知，温度变化一方面来自热量传输，一方面来自热量产生，而单位时间单位体积内热量的产生量可以表示为Q=J•E，可见温度是由电流密度和电场强度决定的。在正半周期，由于电子在高电场下及时被运走，功率耗散产生的热量小于向周围扩散的热量，温度缓慢下降，但是由于在负半周产生热量大于向周围扩散的热量，温度得到积累，整体呈上升趋势。在第6个周期之后，器件在温度大于GaAs材料的本征激发温度(750°C)，GaAs材料中的一些价电子就可以挣脱共价键的束缚形成自由电子[13]，使得参与导电的载流子大幅增加，器件内部电流快速增大，在强电场和大电流的双重作用下，升温过程更加剧烈，温度在正负半周交替积累，最终达到GaAs材料的熔点。由仿真结果看出，栅极下方靠漏侧是最先烧毁点。烧毁时刻温度分布如图10所示。

2.4 漏极串联电阻对烧毁时间的影响

为了研究漏极串联电阻Rd的作用，给图3中漏极串联5Ω的电阻，如图11所示，当漏极注入了幅值17.5 V,频率为14.9 GHz的信号后，图12给出了串联电阻后温度随时间变化的曲线，结果表明漏极串联电阻可以明显减缓器件内部温度累积效应，延长器件工作时间。图中可看出温度在上升到1 451 K时开始出现下降趋势。由于漏极在正弦电压作用下，会迅速产生大的漏电流，而在漏极串联电阻后，因负反馈作用使得加在漏极的电压降低，从而减缓器件的升温速度，对HEMT器件起到限压作用[14-15]。由此可见，漏极串联电阻可以有效提高器件抗微波损伤能力。

3 仿真结果与试验对比

采用微波注入方式进行试验，使用前级激励源和功率放大器产生微波脉冲，模拟HPM脉冲[16]，通过可调衰减器后注入到待测HEMT器件，使用示波器，噪声分析仪组成微波测量系统，监测待测器件的输入输出波形。器件注入Ku波段高功率微波信号，直至器件烧毁。

图13为利用扫描电子显微镜对微波损伤的HEMT器件进行表面形貌微观检测的典型失效照片，图13(a)圆圈部分为器件烧毁位置，图13(b)为(a)图局部放大部分，由图中可以看出，HEMT器件栅极条出现烧毁熔断，烧毁部位形成熔球，由图13(b)可观测出烧毁点出现在栅极下方，与之前分析的理论基本符合，因此，本文建立的HEMT模型可用来分析器件在微波注入下的损伤效应。

4 结束语

本文借助Sentaurus-TCAD软件建立仿真模型对GaAs HEMT漏极注入高功率微波的损伤效应和机理进行了研究。研究结果表明，由于热积累效应，栅极下方靠近漏侧是最容易烧毁的部位，当温度大于GaAs材料的本征激发温度(750°C)，电流密度迅速增大，在强电场和电流密度双重作用下，温度急剧升高直至烧毁，而漏极串联电阻可以有效地提高器件抗微波损伤能力。最后，对微波信号损伤后的高电子迁移率晶体管进行表面形貌失效分析，验证了仿真和试验具有良好的一致性，对HEMT器件的防护加固具有重要指导作用。

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(编辑：高珍)

Damage mechanism of the high electron mobility transistor induced by HPM from drain electrode

XUE Peiwen, FANG Jinyong, LI Zhipeng, SUN Jing*

ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an),Xi′an710100,China

A two-dimensional electro-thermal model of the typical HEMT was established by simulation software Sentaurus-TCAD. Mobility degradation in high electric field, Avalanche generate effect and self-heating effect were considered, by analyzing the distributions and variations of the electric field, the current density and the temperature, a detailed investigation of the damage effect and mechanism of high power microwave (HPM) on AlGaAs/GaAs pseudomorphic high-electron-mobility transistor (pHEMT) under the injection of 14.9 GHz equivalent voltage signals from the drain electrode was performed. The simulation results suggest that intrinsic excitation, avalanche breakdown, thermal breakdown all contribute to damage process, the temperature behaves as periodic “increasing-decreasing-increasing” oscillation and the whole trend continuously increases with time and it decreases during positive half cycle and increases during negative cycle. The gate current density appears double peak phenomenon because avalanche breakdown and thermal excitation. Heat accumulation occurs during the negative half cycle and below the gate near the drain side is most susceptible to burn-out. Meanwhile, the drain terminal series resistance can enhance the capability of the device to withstand microwave damage effectively.

high power microwave； high electron mobility transistor； damage mechanism；drain electrode；failure analysis

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0016

2016-10-25；

2016-11-30；录用日期：2017-01-24；网络出版时间：2017-05-31 11:00:30

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1100.009.html

薛沛雯(1992-)，女，硕士研究生，xuepeiwenl@163.com，研究方向为高功率微波效应、半导体器件

*通讯作者：孙静(1980-)，男，高级工程师，willim_002@126.com，研究方向为高功率微波效应

薛沛雯,方进勇,李志鹏,等.漏极注入HPM对高电子迁移率晶体管的损伤机理[J].中国空间科学技术,2017,

37(3)：93-100.XUEPW,FANGJY,LIZP,etal.DamagemechanismofthehighelectronmobilitytransistorinducedbyHPMfromdrainelectrode[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(3)：93-100(inChinese).

V416.8

A

http:∥zgkj.cast.cn