高电子迁移率晶体管微波损伤仿真与实验研究.pdf

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1、第26卷第6期强激光与粒子束V01．26，NO．62Ol4年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun．，2014高电子迁移率晶体管微波损伤仿真与实验研究张存波，王弘刚，张建德(国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073)摘要：针对A1C；aAs／InGaAs型高电子迁移率晶体管，利用TCAD半导体仿真工具，从器件内部空间电荷密度、电场强度、电流密度和温度分布变化分析出发，研究了从栅极注入1GHz微波信号时器件内部的损伤过程与机理。研究表明，器件的损伤过程发生在微波信号的正半周，负半周器

2、件处于截止状态；器件内部损伤过程与机理在不同幅值的注入微波信号下是不同的。当注入微波信号幅值较低时，器件内部峰值温度出现在栅极下方靠源极侧栅极与InGaAs沟道间，由于升温时间占整个周期的比例太小，峰值温度很难达到GaAs的熔点；但器件内部雪崩击穿产生的栅极电流比小信号下栅极泄漏电流高4个量级，栅极条在如此大的电流下很容易烧毁熔断。当注人微波信号幅值较高时，在信号正半周的下降阶段，在栅极中间偏漏极下方发生二次击穿，栅极电流出现双峰现象，器件内部峰值温度转移到栅极中间偏漏极下方，峰值温度超过GaAs熔点。利用扫描电子显微镜对微

3、波损伤的高电子迁移率晶体管器件进行表面形貌失效分析，仿真和实验结果符合较好。关键词：高电子迁移率晶体管；微波损伤；击穿；失效分析中图分类号：TN015文献标志码：Adoi：10．11884／HPLPB201426．063014随着电磁环境的日益复杂，现代半导体器件和集成电路极易受到外部有意电磁干扰(IEMI)的威胁。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结型晶体管(BJT)器件、金属半导体场效应晶体管(MES—FET)器件和PIN限幅二极管在外部有意电磁干扰下的损伤问题已有相关报道[]。文献[5]报道了欧洲电

4、气化铁路交通管理系统在微波信号辐射下的易损性实验研究，结果表明低噪声放大器(LNA)是系统中的易损器件。文献[6—7]研究报道了si基BJT型低噪声放大器的微波注入损伤实验，实验结果表明微波注入主要造成B—E结的局部硅熔化和基极发射极金属化损伤从而使器件失效。文献[8—9]利用半导体仿真软件，通过分析si基BJT器件内部电场强度、电流密度和温度分布，研究了si基BJT器件在微波信号和阶跃脉冲作用下的损伤效应和机理。高电子迁移率晶体管(HEMT)器件以其优越的性能被广泛的应用于低噪声放大器，目前关于HEMT器件在微波信号作用下

5、的损伤效应研究较少，特别是在失效机理方面的研究比较缺乏。本文利用半导体仿真工具TCAD，结合典型A1GaAs／InGaAsHEMT结构，分析了HEMT器件从栅极注入1GHz微波信号作用下器件内部空间电荷密度、电场强度、电流密度和温度随信号作用时间的分布变化规律，讨论了不同微波信号幅值作用下HEMT器件的易损部位。并利用扫描电子显微镜(SEM)对微波损伤的HEMT器件进行失效分析。仿真和实验结果相符较好，从物理机理上解释了微波信号对HEMT器件的损伤效应。1器件结构本文采用的是典型AI(；aAs／InGaAsHEMT结构(图1

6、)，该结构以文献E1o]中的结构为参考。图1中底部为GaAs衬底，In(Ga。As(a一0．75)沟道厚度为10nm，A1Ga(As(a=0．3)势垒层厚度为34．5nm，GaAs冒层厚度为30nm，N钝化层厚度为50nm，掺杂层的厚度为2nm，其中心位置在一0．031mm处。在一0处，沿Y轴的掺杂分布如图2所示。肖特基栅向势垒层的蚀刻深度为l5nm，栅长为0．25mm，栅两边是4Onm宽的绝缘氧化层，肖特基势垒高度为0．9eV。衬底下表面设定为300K的理想热沉，其他表面采用绝热边界条件。本文仿真了从栅极注入频率为1GHz

7、、初相为零的正弦电压信号时器件的瞬态响应。2仿真结果与分析本文利用TCAD仿真：【：具研究了图1所示的HEMT器件在源极接地、漏极偏压1．5V时，从栅极注入1GHz幅值分别为5V和9V的正弦信号下的瞬态响应过程。*收稿日期：2013-1115；修订日期：2O14—01—26基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：张存波(1987一)，5}；，博士研究生，从事高功率微波技术研究；zhangcunbo423@163．corn。O63O14—1强激光与粒子束Simulationandexperimentresearchonhig

8、helectronmobilitytransistormicrowavedamageZhangCunbo，WangHonggang，ZhangJiande(CollegeofOpto—electricScienceandEngineering，NationalUniversityofDef