不同頻率高功率微波對高電子遷移率晶體管的損傷效應(yīng)

薛沛雯，方進(jìn)勇，李志鵬，孫 靜

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

不同頻率高功率微波對高電子遷移率晶體管的損傷效應(yīng)

薛沛雯，方進(jìn)勇，李志鵬，孫 靜

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

針對典型的GaAs高電子遷移率晶體管 （HEMT），研究了不同頻率高功率微波從柵極注入HEMT后的影響。利用半導(dǎo)體仿真軟件Sentaurus-TCAD建立了HEMT器件二維電熱模型，考慮了高電場下的載流子遷移率退化和載流子雪崩產(chǎn)生效應(yīng)，通過分析器件內(nèi)部電場強(qiáng)度，電流密度，溫度分布隨信號作用時(shí)間的變化來探索其損傷過程及機(jī)理，獲得了其在不同頻率高功率微波作用下的燒毀時(shí)間，燒毀位置處的電場強(qiáng)度，電流密度以及溫度的變化。研究結(jié)果表明，隨著注入HPM頻率的增大，燒毀時(shí)間不斷減小，燒毀部位在柵極下方靠源側(cè)，電場強(qiáng)度在柵極靠源側(cè)以及漏側(cè)出現(xiàn)峰值，并隨頻率增大而增大，電流密度隨著頻率的增大，先增大后減小，在6 GHz達(dá)到最大值，器件的燒毀點(diǎn)在柵極靠源側(cè)，隨著頻率的增加，發(fā)熱區(qū)逐漸縮小，在6 GHz燒毀點(diǎn)溫度達(dá)到1 670 K。

高電子遷移率晶體管；高功率微波；頻率；損傷效應(yīng)

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

隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體尺寸的不斷縮小使得電子器件及電子系統(tǒng)極易收到干擾或產(chǎn)生永久性損傷[1-4]。目前，已經(jīng)展開了HPM對器件與電路的損傷研究，取得了部分研究成果。文獻(xiàn)[3]針對雙極晶體管探索了頻率從300 MHz到10 GHz電場強(qiáng)度，電流密度，溫度的分布隨頻率變化情況，文獻(xiàn)[4]研究了CMOS反相器在注入800 MHz～4 GHz的高功率微波信號后的損傷效應(yīng)以及在不同信號頻率下的電磁敏感度。

目前，針對高電子遷移率晶體管高功率微波損傷效應(yīng)的研究頻率主要集中在1 GHz左右，很少有更高頻率的研究，然而，空間中電磁波的頻率不僅僅處于低頻段，因此有必要進(jìn)行不同頻率高功率微波效應(yīng)對HEMT影響的研究。

1 仿真模型

1.1 器件結(jié)構(gòu)與信號模型

本文在TCAD中仿真采用的是典型的AlGaAs/InGaAs HEMT結(jié)構(gòu)，如圖1所示。HEMT主要由GaAs襯底，InGaAs溝道，AlGaAs勢壘層，GaAs帽層，Si3N4的鈍化層組成，其中（In（1-α）GaαAs（α=0.75）溝道厚度為 10 nm，AlαGa（1-α）As（α=0.3）勢壘層厚度為34.5 nm，GaAs帽層厚度為30 nm，N鈍化層厚度為50 nm，摻雜層厚度為2 nm，其中心位置在y=0.031 mm處。肖特基柵向勢壘層的刻蝕深度為15 nm，柵長為0.25 nm，柵兩邊是40 nm寬的絕緣氧化層，肖特基勢壘高度為0.9 eV.襯底下表面設(shè)定為300 K的理想熱沉，其它表面采用絕熱邊界條件。

圖1HEMT器件結(jié)構(gòu)

注入信號等效成正弦電壓信號，該信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，Uo是信號幅值，D是信號衰減因子，td是時(shí)間延遲，f是頻率。由于器件為耗盡型，設(shè)定柵極偏壓Vgs=0 V，漏極偏壓Vds=2 V，源級接地，柵極注入幅值為25 V，頻率為1～11 GHz，初相φ為零的無衰減連續(xù)正弦電壓信號，直至器件內(nèi)部任一點(diǎn)達(dá)到GaAs的熔點(diǎn)1 511 K，此時(shí)判定器件燒毀。

1.2 數(shù)值模型

本文使用Sentaurus-TCAD軟件模擬從GaAs HEMT柵極注入高功率微波的燒毀過程。采用熱力學(xué)模型與流體力學(xué)模型模擬內(nèi)部載流子的傳輸過程。 除了解算泊松和載流子連續(xù)性方程之外，還解算了載流子溫度和熱流方程[5]。 模擬燒毀的過程需要考慮器件的自熱效應(yīng)，得到自熱效應(yīng)對器件內(nèi)部溫度分布的影響需求解以下方程：

其中c是晶格熱熔，k是熱導(dǎo)率，T代表溫度，Pn和Pp分別代表電子和空穴絕對熱電功率，Jn和Jp分別代表電子和空穴的電流密度，Ec和Ev分別代表導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能量。

本文除了考慮摻雜濃度和載流子散射對遷移率的影響外，特別考慮了高電場對遷移率的影響，由高場決定的遷移率模型采用Canali遷移率模型[6-7]。

載流子產(chǎn)生復(fù)合過程將SRH復(fù)合，俄歇復(fù)合和載流子雪崩產(chǎn)生考慮在內(nèi)，此外，還考慮了源，漏極由于高濃度摻雜而引發(fā)的載流子隧穿效應(yīng)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 燒毀時(shí)間隨頻率的變化

本文使用Sentaturus-TCAD研究了燒毀時(shí)間隨頻率的變化，在柵極注入幅值25 V，頻率1～10 GHz無衰減正弦電壓信號，直至器件內(nèi)部任意一點(diǎn)達(dá)到GaAs的熔點(diǎn)1 511 K，此時(shí)判定器件燒毀，圖2是燒毀時(shí)間隨頻率的變化，可以看出燒毀時(shí)間隨頻率增大而減小，在10 GHz左右達(dá)到最小值0.029 ns，注入1 GHz高功率微波信號的燒毀時(shí)間幾乎是10 GHz的3倍。

圖2 燒毀時(shí)間隨頻率的變化

2.2 電場強(qiáng)度隨頻率的變化

圖3（a）為柵極注入頻率1 GHz高功率微波信號后燒毀時(shí)刻的電場強(qiáng)度分布，由仿真結(jié)果可知，器件電場強(qiáng)度峰值主要分布在柵極靠源側(cè)，圖3（b）為Y=0.02 μm處的電場強(qiáng)度隨頻率的變化規(guī)律。可以看出，在柵極靠源側(cè)及漏側(cè)的電場強(qiáng)度明顯大于其他地方的電場強(qiáng)度，隨著頻率的增大，在柵極下方靠源側(cè)及漏側(cè)的電場強(qiáng)度隨之增大，在柵極正下方有一小部分的電場強(qiáng)度隨頻率增大而減小。從1 GHz到10 GHz時(shí)，柵極下方靠源側(cè)電場強(qiáng)度由1.3×107V/cm增加到1.7×107V/cm，柵極下方靠漏側(cè)電場強(qiáng)度由5.3×106V/cm 增加到 1.2×107V/cm。

圖3 燒毀時(shí)刻電場強(qiáng)度分布

2.3 電流密度隨頻率的變化

圖4（a）是柵極注入1 GHz高功率微波信號后燒毀時(shí)刻的電流密度分布，由圖中可看出電流主要由柵極流向源極，其次流向漏極，由圖4（a）可知，隨著信號電壓不斷升高，柵極電流不斷增大，同時(shí)柵源之間電勢差相較于柵漏之間電勢差更大，使得柵極下方靠源側(cè)電勢差首先達(dá)到GaAs材料的雪崩擊穿電場1.75×105V/cm[8-10]，形成從柵極到二維電子氣之間的導(dǎo)電溝道，此時(shí)，大量載流子由柵極流向源極，使得柵極下方靠近源極的電流密度迅速增大，同時(shí)，柵極下方靠漏極的電場強(qiáng)度也超過擊穿臨界電場，該位置也出現(xiàn)從柵極到二維電子氣的導(dǎo)電溝道[11-14]，漏極電流轉(zhuǎn)成反向電流。此時(shí)電流從柵極分別流向源漏兩端，且流向源極的電流較流向漏極的電流大。

圖4 燒毀時(shí)刻電流密度分布

圖4是燒毀時(shí)刻不同頻率信號作用下器件內(nèi)部電流密度沿y軸方向（y=0.03 μm）的分布變化，此處為二維電子氣所在處，由圖4（b）可知，在 2～6 GHz頻段電流密度隨頻率的增大而增大，由圖4（c）可知，在6～10 GHz電流密度隨頻率的增大而減小，圖中表明沿y軸方向源極電流密度最大，柵極靠漏側(cè)電流密度最小，在6 GHz左右達(dá)到電流密度最大值1.97×108A/μm。

2.4 溫度隨頻率的變化

根據(jù)之前的工作可以得出器件溫度在正負(fù)半周交替積累，晶格溫度不斷上升，最終在柵極靠近源側(cè)達(dá)到GaAs材料的熔融溫度[15]。圖5分別是頻率為1GHz，3 GHz，6 GHz，10 GHz的信號作用下燒毀時(shí)刻器件內(nèi)部溫度分布，可見不同頻率信號作用下燒毀時(shí)刻器件內(nèi)部溫度分布基本相同，柵極靠源側(cè)溫度最高，隨著頻率的增加發(fā)熱區(qū)逐漸縮小，在6 GHz時(shí)，燒毀點(diǎn)溫度最高達(dá)到1 670 K。

3 結(jié) 論

本文利用Sentaurus-TCAD仿真軟件建立了GaAs高電子遷移率晶體管的二維電熱模型，通過從柵極注入不同頻率的高功率微波信號來探索器件在不同頻率信號注入下的燒毀時(shí)間，電場強(qiáng)度，電流密度以及溫度分布，研究表明，隨著注入頻率的增大，燒毀時(shí)間不斷縮小，電場強(qiáng)度不斷增大，電流密度隨頻率先增大后減小，在6 GHz達(dá)到最大值，器件的燒毀點(diǎn)在柵極靠源側(cè)，隨著頻率的增加，發(fā)熱區(qū)逐漸縮小。

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

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

圖5 不同頻率信號注入下燒毀時(shí)刻溫度分布

TN386

A

1674－6236（2017）19-0114-04

2016-10-09稿件編號201610019

薛沛雯（1992—），女，陜西西安人，碩士。研究方向：高功率微波效應(yīng)，半導(dǎo)體器件。