不同频率高功率微波对高电子迁移率晶体管的损伤效应

2017-10-12薛沛雯方进勇李志鹏

电子设计工程 2017年19期

关键词：高功率迁移率栅极

薛沛雯，方进勇，李志鹏，孙静

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

不同频率高功率微波对高电子迁移率晶体管的损伤效应

薛沛雯，方进勇，李志鹏，孙静

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

针对典型的GaAs高电子迁移率晶体管（HEMT），研究了不同频率高功率微波从栅极注入HEMT后的影响。利用半导体仿真软件Sentaurus-TCAD建立了HEMT器件二维电热模型，考虑了高电场下的载流子迁移率退化和载流子雪崩产生效应，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来探索其损伤过程及机理，获得了其在不同频率高功率微波作用下的烧毁时间，烧毁位置处的电场强度，电流密度以及温度的变化。研究结果表明，随着注入HPM频率的增大，烧毁时间不断减小，烧毁部位在栅极下方靠源侧，电场强度在栅极靠源侧以及漏侧出现峰值，并随频率增大而增大，电流密度随着频率的增大，先增大后减小，在6 GHz达到最大值，器件的烧毁点在栅极靠源侧，随着频率的增加，发热区逐渐缩小，在6 GHz烧毁点温度达到1 670 K。

高电子迁移率晶体管；高功率微波；频率；损伤效应

Abstract:This paper presents the damage effect of high power microwave with different frequency on GaAs high-electron-mobility transistor from gate electrode.A two-dimensional electro-thermal model of the typical HEMT is established by simulation software Sentaurus-TCAD.Mobility degradation in high electric field and avalanche generate effect are considered，analyze the distributions and variations of the electric field，the current density and the temperature.The simulation results suggests that the burnout time decreases with the signal frequency，below the gate near source side is susceptible to damage because of heat accumulate，the electric field peak occurs gate near source side and increases with the signal frequency， the current density increases and then decreases with the signal frequency， and reach the peak at 6 GHz， the heating area continuous reduce with the frequency，the temperature reach 1 670 K at 6 GHz.

Key words:high-electron-mobility transistor； high power microwave； frequency； damage effect

随着高功率微波技术的发展，半导体尺寸的不断缩小使得电子器件及电子系统极易收到干扰或产生永久性损伤[1-4]。目前，已经展开了HPM对器件与电路的损伤研究，取得了部分研究成果。文献[3]针对双极晶体管探索了频率从300 MHz到10 GHz电场强度，电流密度，温度的分布随频率变化情况，文献[4]研究了CMOS反相器在注入800 MHz～4 GHz的高功率微波信号后的损伤效应以及在不同信号频率下的电磁敏感度。

目前，针对高电子迁移率晶体管高功率微波损伤效应的研究频率主要集中在1 GHz左右，很少有更高频率的研究，然而，空间中电磁波的频率不仅仅处于低频段，因此有必要进行不同频率高功率微波效应对HEMT影响的研究。

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，GaAs帽层，Si3N4的钝化层组成，其中（In（1-α）GaαAs（α=0.75）沟道厚度为 10 nm，AlαGa（1-α）As（α=0.3）势垒层厚度为34.5 nm，GaAs帽层厚度为30 nm，N钝化层厚度为50 nm，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 nm，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，其它表面采用绝热边界条件。

图1HEMT器件结构

注入信号等效成正弦电压信号，该信号数学表达式为：

其中，Uo是信号幅值，D是信号衰减因子，td是时间延迟，f是频率。由于器件为耗尽型，设定栅极偏压Vgs=0 V，漏极偏压Vds=2 V，源级接地，栅极注入幅值为25 V，频率为1～11 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。

1.2 数值模型

本文使用Sentaurus-TCAD软件模拟从GaAs HEMT栅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。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[5]。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：

其中c是晶格热熔，k是热导率，T代表温度，Pn和Pp分别代表电子和空穴绝对热电功率，Jn和Jp分别代表电子和空穴的电流密度，Ec和Ev分别代表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[6-7]。

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 仿真结果分析

2.1 烧毁时间随频率的变化

本文使用Sentaturus-TCAD研究了烧毁时间随频率的变化，在栅极注入幅值25 V，频率1～10 GHz无衰减正弦电压信号，直至器件内部任意一点达到GaAs的熔点1 511 K，此时判定器件烧毁，图2是烧毁时间随频率的变化，可以看出烧毁时间随频率增大而减小，在10 GHz左右达到最小值0.029 ns，注入1 GHz高功率微波信号的烧毁时间几乎是10 GHz的3倍。

图2 烧毁时间随频率的变化

2.2 电场强度随频率的变化

图3（a）为栅极注入频率1 GHz高功率微波信号后烧毁时刻的电场强度分布，由仿真结果可知，器件电场强度峰值主要分布在栅极靠源侧，图3（b）为Y=0.02 μm处的电场强度随频率的变化规律。可以看出，在栅极靠源侧及漏侧的电场强度明显大于其他地方的电场强度，随着频率的增大，在栅极下方靠源侧及漏侧的电场强度随之增大，在栅极正下方有一小部分的电场强度随频率增大而减小。从1 GHz到10 GHz时，栅极下方靠源侧电场强度由1.3×107V/cm增加到1.7×107V/cm，栅极下方靠漏侧电场强度由5.3×106V/cm 增加到 1.2×107V/cm。

图3 烧毁时刻电场强度分布

2.3 电流密度随频率的变化

图4（a）是栅极注入1 GHz高功率微波信号后烧毁时刻的电流密度分布，由图中可看出电流主要由栅极流向源极，其次流向漏极，由图4（a）可知，随着信号电压不断升高，栅极电流不断增大，同时栅源之间电势差相较于栅漏之间电势差更大，使得栅极下方靠源侧电势差首先达到GaAs材料的雪崩击穿电场1.75×105V/cm[8-10]，形成从栅极到二维电子气之间的导电沟道，此时，大量载流子由栅极流向源极，使得栅极下方靠近源极的电流密度迅速增大，同时，栅极下方靠漏极的电场强度也超过击穿临界电场，该位置也出现从栅极到二维电子气的导电沟道[11-14]，漏极电流转成反向电流。此时电流从栅极分别流向源漏两端，且流向源极的电流较流向漏极的电流大。

图4 烧毁时刻电流密度分布

图4是烧毁时刻不同频率信号作用下器件内部电流密度沿y轴方向（y=0.03 μm）的分布变化，此处为二维电子气所在处，由图4（b）可知，在 2～6 GHz频段电流密度随频率的增大而增大，由图4（c）可知，在6～10 GHz电流密度随频率的增大而减小，图中表明沿y轴方向源极电流密度最大，栅极靠漏侧电流密度最小，在6 GHz左右达到电流密度最大值1.97×108A/μm。

2.4 温度随频率的变化

根据之前的工作可以得出器件温度在正负半周交替积累，晶格温度不断上升，最终在栅极靠近源侧达到GaAs材料的熔融温度[15]。图5分别是频率为1GHz，3 GHz，6 GHz，10 GHz的信号作用下烧毁时刻器件内部温度分布，可见不同频率信号作用下烧毁时刻器件内部温度分布基本相同，栅极靠源侧温度最高，随着频率的增加发热区逐渐缩小，在6 GHz时，烧毁点温度最高达到1 670 K。

3 结论

本文利用Sentaurus-TCAD仿真软件建立了GaAs高电子迁移率晶体管的二维电热模型，通过从栅极注入不同频率的高功率微波信号来探索器件在不同频率信号注入下的烧毁时间，电场强度，电流密度以及温度分布，研究表明，随着注入频率的增大，烧毁时间不断缩小，电场强度不断增大，电流密度随频率先增大后减小，在6 GHz达到最大值，器件的烧毁点在栅极靠源侧，随着频率的增加，发热区逐渐缩小。

[1]Bäckström M G，Lövstrand K G.Susceptibility of electronic systems To high-power microwaves:summary of test experience[J].IEEE Trans.On Electromagnetic Compatibility，2004，46（3）：396-403.

[2]Laurin J,Zaky S G,Balmain K G.On the prediction of digital circuit susceptibility to radiated EMI[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 1995，37（4）：528-535.

[3]杨会军，李文魁，李峰.高功率微波及其效应研究进展综述[J].航天电子对抗， 2013（3）：15-19.

[4]余世里.高功率微波武器效应及其防护[J].微波学报，2014（5）：147-150.

[5]Ma Z Y， Chai C C， Ren X R，et al.Microwave damage susceptibility trend of abipolar transistor as a function of frequency[J].Ata phys.Sin，2012,21（9）:098502（1-6）.

[6]Jie C，zhengwei D.Device simulation studies on latch-up effects in CMOS inverters induced by microwave pulse[J].Microelectronics Reliability，2013（53）：371-378.

[7]张存波，王弘刚，张建德.高电子迁移率晶体管微波损伤仿真与实验研究 [J].强激光与粒子束，2005，26（6）:063014（1-6）.

[8]马振洋，柴常春，任兴荣，等.双极晶体管微波损伤效应与机理[J].物理学报， 2012，61（7）：078501（1-7）.

[9]闫涛，李平.HEMT低噪声放大器不同位置注入微波损伤效应仿真研究 [C]//第十届高功率微波学术研讨会论文集，2015：420-427.

[10]Ma Z Y， Chai C C， Ren X R，et al.The pulsed microwave damage trend of a bipolar transistor as a function of pulse parameters[J]//Acta phys.Sin，2013，22（2）：028502（1-5）.

[11]刘阳，柴常春，赵刚.强电磁脉冲作用下GaN HEMT损伤效应研究 [C]//第十届高功率微波学术研讨会论文集，2015：840-844.

[12]范菊平.典型半导体器件的高功率微波效应研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[13]柴常春，张冰，任兴荣，等.集成Si基低噪声放大器的注入损伤研究[J].西安电子科技大学学报，2010（37）：898-903.

[14]马振洋.双极晶体管微波损伤效应与机理研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[15]付红.HEMT器件高功率微波损伤机理研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

Microwave damage susceptibility trend of a high electron mobility transistor as a function of frequency

XUE Pei-wen，FANG Jin-yong，LI Zhi-peng，SUN Jing
（China Academy of Space Technology（Xi'an），Xi'an710100，China）