научная статья по теме РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ МОЩНОСТИ ДОЗЫ В СВЧ МИС НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ МОЩНОСТИ ДОЗЫ В СВЧ МИС НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 2, с. 133-141

== МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

В ИЗДЕЛИЯХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ МОЩНОСТИ ДОЗЫ В СВЧ МИС НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ

ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ © 2014 г. В. В. Елесин

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail: vveles@spels.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований и расчетного моделирования радиационных эффектов в СВЧ-монолитных интегральных схемах на основе гетероструктурных полевых транзисторов при воздействии импульсного ионизирующего излучения. Предложена физическая модель, адекватно описывающая эффекты мощности дозы в полевом транзисторе в диапазоне воздействий до 1012 рад/с. На основе физической модели построена электрическая эквивалентная схема, учитывающая доминирующие ионизационные эффекты и предназначенная для использования в САПР. Результаты схемотехнического моделирования ионизационной реакции СВЧ МИС мало-шумящего усилителя согласуются с экспериментальными данными.

DOI: 10.7868/S0544126914020057

1. ВВЕДЕНИЕ

Псевдоморфные полевые транзисторы на гете-роструктурах АЮаАзДпОаАз (pHEMT) являются базовым элементом для создания современных монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ- и мм-диапазонов, находящих широкое применение в системах радиоэлектронной аппаратуры для космической, ядерной и военной техники. Согласно опубликованным результатам [1], рНЕМТ и МИС на основе рНЕМТ, имеют высокую радиационную стойкость к дозовому и нейтронному видам воздействия, что является прогнозируемым для полупроводниковых приборов на основных носителях с контактом Шоттки в качестве управляющего электрода [2].

Между тем, в современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе практически отсутствуют сведения о стойкости СВЧ МИС на рНЕМТ при воздействии импульсного ионизирующего излучения (ИИ), нет информации об эффектах мощности дозы и механизмах отказа. В этой связи экспериментальное исследование и расчетное моделирование эффектов мощности дозы в элементах МИС на основе рНЕМТ на полуизолирующем ОаА является актуальной задачей.

Ключевыми этапами решения указанной задачи являются:

— экспериментальное исследование элементов СВЧ МИС на рНЕМТ при воздействии импульсного ионизирующего излучения, выявление доминирующих эффектов мощности дозы,

определение параметров-критериев и уровней стойкости;

— разработка физической модели, описывающей доминирующие эффекты в рНЕМТ и адаптированной для использования в схемотехнических САПР;

— отработка электрической макромодели транзистора и апробация подхода к расчетному моделированию ионизационной реакции СВЧ МИС средствами схемотехнического САПР для прогнозирования и оценки предельных показателей радиационной стойкости на этапе проектирования.

2. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследований являлся тестовый монолитный однокаскадный СВЧ-малошумящий усилитель с рабочим диапазоном частот 1—3 ГГц, изготовленный по отечественной технологии [3]. Активным элементом малошумящего усилителя является АЮаАДпОаА рНЕМТ с длиной затвора — 0.35 мкм и шириной — 320 мкм, сформированный на полуизолирующей подложке из арсенида галлия. Технологическое сечение рНЕМТ показано на рис. 1а, упрощенная электрическая схема малошумящего усилителя и внешний вид топологии кристалла приведены на рис. 1б, 1в соответственно. Размер кристалла составляет 800 х х 1200 мкм2. Основные топологические размеры транзистора приведены на рис. 2.

Экспериментальное исследование параметров рНЕМТ малошумящего усилителя при воздействии импульсного ионизирующего излучения

(а)

ИСТОК

СТОК

и_

Контактный слой GaAs

ЗАТВОР

Контактный слой GaAs

Барьерный слой GaAs

Донорный слой AlGaAs

Спейсер-слой AlGaAs

Канальный слой InGaAs

Буферный слой GaAs

Полуизолирующая подложка GaAs

ВХОД

(б)

-АЛЛ-

не-

с

GaAs pHEMT

ВЫХОД

и

(в)

з

Рис. 1. Поперечное сечение pHEMT (а), электрическая схема (б) и фотография внешнего вида кристалла малошумя-щего усилителя (в).

Рис. 2. Основные топологические размеры транзистора.

проводилось на базе испытательного центра ОАО "ЭНПО СПЭЛС" с использованием моделирующей установки "АРСА", работающей в режиме тормозного гамма-излучения и лазерного имитатора "РАДОН-8" с перестройкой длины волны в диапазоне 880—920 нм [4]. Максимальная эквивалентная мощность дозы импульсного ионизирующего воздействия составила 1012 ед/с.

Контроль параметров тестового малошумяще-го усилителя при подготовке и в процессе радиационных исследований проводился в диапазоне частот 0.5—5 ГГц средствами СВЧ-зондовой станции Summit 12000B, векторного анализатора цепей N5230A, анализатора спектра N9020A, анализатора параметров полупроводниковых приборов B1500. В ходе исследования показателей стойкости малошумящего усилителя к импульсному воздействию с использованием специально разработанной СВЧ-измерительной оснастки проводился контроль амплитудно-временных характеристик импульсной реакции тока истока/потребления (А/п) и мощности выходного сигнала/коэффициента усиления малошумящего усилителя, кроме того осуществлялся контроль тиристорного эффекта и катастрофических отказов. Исследование параметров амплитудно-временных характеристик ионизационной реакции тока потребления (А/п) осуществлялось с помощью токосъемного резистора Rt = 1 Ом в цепи истока малошумящего усилителя, исследование амплитудно-временных характеристик ионизационной реакции коэффициента усиления проводилось с помощью понижающего смесителя или калиброванного быстродействующего детектора. Более подробно измерительная оснастка и методика контроля параметров при экспериментальных исследованиях описаны в работе [5].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Типовые осциллограммы ионизационной ре-

акции основных информативных параметров ма-лошумящего усилителя — А/п и коэффициента усиления, представлены на рис. 3 в двух времен-

ных масштабах: 25 нс/дел и 500 мкс/дел. Проведенный анализ полученных экспериментальных результатов позволяет выделить в амплитудно-

временных характеристиках ионизационной ре-

акции А/п и коэффициента усиления две основ-

ных составляющих:

— кратковременную (см. рис. 3а, 3в): увеличе-

ние А/п малошумящего усилителя и снижение ко-

эффициента усиления (мощности выходного

СВЧ-сигнала) малошумящего усилителя, сравни-

мые по длительности с импульсом ИИ;

— долговременную (см. рис. 3б, 3г): после

окончания воздействия импульса ИИ имеет место уменьшение тока в цепи питания и коэффи-

циента усиления малошумящего усилителя относительно исходных значений с долговременным (миллисекундным) восстановлением по комплексному экспоненциальному закону.

Зависимость амплитуды кратковременной составляющей ИР Д/п от уровня эквивалентной мощности дозы (Р [рад/с]) показана на рис. 4 [5]. Согласно представленным результатам амплитуда кратковременной составляющей Д/п линейно возрастает с ростом Р до уровня примерно 2 х 109 рад/с, дальнейшее увеличение Р приводит к сублинейной зависимости. Рост амплитуды долговременной составляющей Д1п насыщается при уровне эквивалентной мощности дозы (5—7) х 108 рад/с.

Уровень бессбойной работы малошумящего усилителя по критерию увеличения амплитудного значения Д/п на 30% или уменьшения коэффициента усиления на 20% составляет примерно 2 х 108 рад/с. Время потери работоспособности малошумящего усилителя по критерию уменьшения коэффициента усиления на 20% насыщается при средних уровнях воздействия и не превышает 3 мкс при максимальном значении эквивалентной мощности дозы.

Тиристорный эффект и катастрофические отказы не были обнаружены до эквивалентного уровня воздействия 1012 рад/с.

4. МОДЕЛЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ, УЧИТЫВАЮЩАЯ ЭФФЕКТЫ МОЩНОСТИ ДОЗЫ

Маршрут разработки радиационно-стойких СВЧ МИС подразумевает этап создания моделей активных элементов (транзисторов), учитывающих доминирующие радиационные эффекты. В свою очередь, эти модели используются при расчетах средствами схемотехнических САПР при прогнозировании радиационной стойкости на этапах проектирования.

При взаимодействии импульсного ионизирующего излучения с полупроводниковым материалом происходит генерация неравновесных электронно-дырочных пар. Арсенид галлия (ОаАз) является прямозонным материалом и характеризуется малым временем жизни неравновесных носителей заряда (менее 10-8 с), значительный вклад в результирующее время жизни вносят процессы излучательной и оже-рекомбинации, проявляющиеся при концентрациях неравновесных носителей превышающих 1016 см-3 [2].

Переходные ионизационные токи, наблюдаемые в полупроводниковых структурах при воздействии импульсного ИИ определяются процессами дрейфа и диффузии избыточных носителей заряда под влиянием электрического поля и градиентов концентрации носителей. Эффекты формирова-

20 мА/дел, 25 нс/дел (в)

2 мА/дел, 500 мкс/дел

(г)

50 мВ/дел, 25 нс/дел

0.05 дБ/дел, 500 мкс/дел

Рис. 3. Осциллограммы кратковременной (а) и долговременной (б) составляющих ИР А/п малошумящего усилителя при исследовании на МУ "АРСА" (3.1 х 109 ед/с). Осциллограммы выходного СВЧ-сигнала малошумящего усилителя: кратковременной после понижающего смесителя (в) и долговременной после инвертирующего детектора (г).

ния ионизационных токов в приборах на ОаАз-подложках по сравнению с кремниевыми имеют ряд специфических особенностей [6]. Прежде всего — несущественная роль диффузионной составляющей из-за малого времени жизни неравновесных носителей. Процессы, связанные с дрейфовым механизмом собирания носителей, можно считать в первом приближении идентичными.

Второй особенностью приборов на ОаА является наличие глубоких примесных уровней в полуизолирующей подложке и буферном слое, введение которых необходимо для получения материала с высоким удельным сопротивлением. Наличие этих примесных центров, играющих роль центров прилипания, ответственно в ряде случаев за долго-

временные процессы в структурах на полуизолирующих подложках ОаА [2].

Для количественного опис

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»