一种P型栅GaNHEMT器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法

一种p型栅gan hemt器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种p型栅gan hemt器件的单粒子烧毁模型。


背景技术：

2.p型栅gan hemt(高电子迁移率晶体管)作为第三代半导体高频功率器件，器件具有内部结构简单易制备、寄生参数小、稳定的阈值电压、高频率、高功率密度、低损耗等特点，在航天、核工业等领域有着广泛的应用。但是在空间应用中，p型栅gan hemt器件受到高能粒子的辐照，会产生单粒子烧毁，严重影响在轨效能的发挥。因此，对器件单粒子烧毁的规律及防护研究显得尤为重要。地面单粒子试验是研究器件单粒子效应的常用技术手段，可以较为精准地评估出器件的抗辐照能力，但是难以掌握器件内部微观参数变化，不利于揭示损伤机理，并且粒子加速器资源有限、辐照粒子能量不易调节、经济成本高等因素制约了相关研究。与之相比，通过仿真手段开展单粒子研究，也是一种有效的技术途径，弥补加速器的不足。


技术实现要素：

3.发明目的：针对上述现有技术，提出一种p型栅gan hemt器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法，用于精确计算单粒子烧毁时器件内部电参数空间分布特性、器件的安全工作电压范围，确定器件内部单粒子烧毁敏感区域。
4.技术方案：一种p型栅gan hemt器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法，采用p型栅gan hemt器件的单粒子烧毁仿真模型计算单粒子烧毁时器件内部电参数空间分布特性、器件的安全工作电压范围，确定器件内部单粒子烧毁敏感区域；其中，所述单粒子烧毁仿真模型的建立方法包括如下步骤：
5.步骤1：根据p型栅gan hemt器件的结构和参数，通过半导体器件建模工具tcad进行二维电学模型构建；
6.步骤2：通过所述二维电学模型得到器件的典型电学参数或曲线的仿真数据，然后对器件进行实验测试得到对应的典型电学参数或曲线的真实数据，通过对比所述仿真数据与真实数据来校准器件的参数，获得优化后的p型栅gan hemt器件的二维电学模型；
7.步骤3：利用tcad构建p型栅gan hemt器件的单粒子烧毁仿真模型；
8.步骤4：采用所述单粒子烧毁仿真模型，仿真粒子辐照后器件漏电流随时间的变化特性，计算不同v
ds
的偏置条件下器件的漏电流特性，以此确定器件单粒子烧毁阈值电压；
9.步骤5：通过将单粒子烧毁的试验阈值电压与相同条件下的仿真结果进行对比，获得优化后的单粒子烧毁仿真模型。
10.进一步的，所述步骤2中，所述器件的典型电学参数或曲线包括器件的转移特性、输出特性和击穿电压，迭代优化器件的参数，具体的优化过程依次为：1)改变器件的p型栅的厚度和掺杂浓度；2)改变势垒层的厚度和al的组分；3)改变gan沟道层的厚度和宽度；4)
改变极化模型中的参数。
11.进一步的，所述步骤3中，利用tcad构建模型时，根据器件的电学特性，选取一种碰撞离化模型，并设置入射粒子的信息参数，包括粒子的入射位置、角度、径迹宽度、线性能量转移、电荷生成脉冲的峰值时间和宽度。
12.进一步的，所述步骤5中，首先施加栅极偏压，使器件处于关闭态，改变器件漏极偏置条件，得到辐照过程中在不同漏极电压的偏置条件下器件漏电流特性，通过观测漏电流的末端电流维持在一个定值，从而判断是否发生单粒子烧毁，以此获得单粒子烧毁的试验阈值；然后将单粒子烧毁的试验阈值电压与相同条件下的单粒子烧毁仿真结果进行对比，如果不一致，优化器件步骤3中偏置条件、粒子入射位置以及载流子迁移率参数，最终使得单粒子试验与仿真结果一致时，获得准确的单粒子烧毁仿真模型。
13.有益效果：本发明的一种p型栅gan hemt器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法，基于建立的单粒子烧毁模型，可以精确计算单粒子烧毁时器件内部电参数空间分布特性、器件的安全工作电压范围，确定器件内部单粒子烧毁敏感区域，可实现p型栅gan hemt器件单粒子烧毁的敏感性评价，为其空间应用防护设计提供技术保障，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
14.图1为本发明的流程图；
15.图2为p型栅gan hemt器件结构示意图；
16.图3为器件的转移特性曲线试验与仿真对比图；
17.图4为器件的输出特性曲线试验与仿真对比图；
18.图5为漏极电流随时间变化图；
19.图6为器件发生单粒子瞬态时内部电场强度分布图；
20.图7(a)为器件发生单粒子瞬态时内部电流密度x分量分布图；
21.图7(b)为器件发生单粒子瞬态时内部电流密度y分量分布图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
23.如图1所示，一种p型栅gan hemt器件内部单粒子烧毁敏感区域确定方法，采用p型栅gan hemt器件的单粒子烧毁仿真模型计算单粒子烧毁时器件内部电参数空间分布特性、器件的安全工作电压范围，确定器件内部单粒子烧毁敏感区域。其中，单粒子烧毁仿真模型的建立方法包括如下步骤：
24.步骤1：根据p型栅gan hemt器件的结构和参数，通过半导体器件建模工具tcad进行二维电学模型构建。
25.如图2所示，器件衬底材料可以选用si或sic，本实施例采用的是sic衬底。衬底之上是一层厚度0.4μm的aln缓冲层，缓冲层上面是厚度2μm的gan沟道层和厚度0.015μm的algan势垒层，其中algan中al的组分为0.3。势垒层之上有一个p型掺杂的gan层，掺杂浓度为3
×
10
17
cm
‑3，厚度为0.5μm，宽度为1μm。p型栅上面是一个肖特基接触的金属电极，器件有两个欧姆接触的源极和漏极。整个器件模型结构的宽度为6μm。
26.器件电学特性仿真中选用的物理模型有：srh复合模型、cvt集成模型、auger复合模型、fermi
‑
dirac载流子统计模型、polarization极化模型、碰撞离化模型。
27.步骤2：通过二维电学模型得到器件的典型电学参数或曲线的仿真数据，器件的典型电学参数或曲线包括器件的转移特性、输出特性和击穿电压。然后对器件进行实验测试得到对应的典型电学参数或曲线的真实数据，对比仿真数据与真实数据，迭代优化校准器件的参数，具体的优化过程依次为：1)改变器件的p型栅的厚度和掺杂浓度；2)改变势垒层的厚度和al的组分；3)改变gan沟道层的厚度和宽度；4)改变极化模型中的参数。通过上述四个参数优化的过程，将达到仿真结果与试验测量值相接近，如图3和图4所示，从而获得优化后的p型栅gan hemt器件的二维电学模型。该过程是按照参数对仿真模型结果的敏感性来排序的，即先优化的参数对仿真结果进行粗调，然后结合后面的参数进行精调，最终实现仿真数据与器件真实数据相接近。
28.步骤3：利用tcad构建p型栅ganhemt器件的单粒子烧毁仿真模型。
29.具体的，根据器件的电学特性，选取一种碰撞离化模型，本实施例中选取selb碰撞模型；通过汇编语言设置入射粒子的信息参数，包括粒子的入射位置为在栅极右边1μm处，角度为垂直入射，入射深度为2.5μm，径迹宽度为0.05μm，线性能量转移为37mev
·
cm2/mg，电荷生成脉冲的峰值时间t0为4ps，电荷生成脉冲的峰值宽度t
c
为4ps。
30.步骤4：采用单粒子烧毁仿真模型，仿真粒子辐照后器件漏电流随时间的变化特性，计算不同v
ds
的偏置条件下器件的漏电流特性，以此确定器件单粒子烧毁阈值电压。
31.步骤5：通过将单粒子烧毁的试验阈值电压与相同条件下的仿真结果进行对比，获得优化后的单粒子烧毁仿真模型。
32.具体的，首先施加栅极偏压，使器件处于关闭态，此时v
gs
＝0v；改变器件漏极偏置条件，具体采用步长为10v，使v
ds
从100v加到800v，得到辐照过程中在不同漏极电压的偏置条件下器件漏电流特性，通过观测漏电流的末端电流维持在一个定值，从而判断是否发生单粒子烧毁，以此获得单粒子烧毁的试验阈值。然后将单粒子烧毁的试验阈值电压与相同条件下的单粒子烧毁仿真结果进行对比，如果不一致，优化器件步骤3中偏置条件、粒子入射位置以及载流子迁移率参数，最终使得单粒子试验与仿真结果一致时，获得准确的单粒子烧毁仿真模型。
33.本实施例中，仿真所得的器件单粒子烧毁阈值电压高于650v，如图5所示，而在重离子辐照试验中，相同let的条件下，v
ds
为650v时器件未出现单粒子烧毁，仿真与试验结论相一致，进一步说明模型的有效性。
34.本发明应用建立的单粒子烧毁仿真模型计算获得器件内部电参数空间分布特性，例如通过电场强度分布可以看出在缓冲层和漏极下方有1.8mv/cm的电场强度，如图6所示，从电流密度分布可以看出有106a/cm2数量级的电流密度，如图7所示，从而确定器件内部单粒子烧毁相对敏感的区域。应用此模型也可以开展不同的器件偏置条件、粒子入射参数(如入射位置、角度、let等)情况下的仿真分析，确定器件单粒子烧毁的安全工作电压范围、敏感区域等参数，从而实现器件单粒子烧毁敏感性的评价，为其空间应用防护设计提供技术保障。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。