重离子辐照对GaN MMIC功率放大器引起的单事件效应的研究

《Micro and Nanostructures》：Investigation of Single-Event Effects Induced by Heavy Ion Irradiation on GaN MMIC Power Amplifiers

GaN MMIC PA单事件效应研究揭示重离子辐照下电场调制与介质破裂导致器件失效，SEB阈值与离子LET相关。

　　

张豪|郑学锋|朱天|王斌|王晓强|向健|罗宏伟|马晓华|郝月

中国西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室，邮编710071

摘要

本研究系统地研究了重离子辐照对氮化镓（GaN）微波单片集成电路（MMIC）功率放大器中单事件效应的影响。实验结果表明，辐照后饱和漏电流和射频输出功率显著下降，同时漏电流增加。值得注意的是，在GaN HEMT和MIM电容器中都观察到了单事件烧毁现象。研究确定了两种失效机制：在HEMT器件中，退化和烧毁是由于电子俘获后导致的局部电场调制；在MIM电容器中，失效是由于单事件介电击穿引起的。研究还揭示了两种不同的单事件烧毁模式，这些模式取决于离子的线性能量传递（LET）。当LET值在37.3至82.1 MeV·cm2/mg之间时，源漏烧毁占主导地位；而当LET值达到98 MeV·cm2/mg及以上时，栅漏烧毁更为常见。这种转变与离子撞击后栅极和漏极边缘电场分布的LET依赖性调制有关。

引言

基于氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的微波单片集成电路（MMIC）功率放大器（PA）已成为太空卫星通信系统和高频高功率通信载荷的有希望的候选者，这主要归功于它们在太空环境中对电离辐射的优异耐受性[1]、[2]、[3]。然而，GaN MMIC在恶劣的太空环境中仍会经历性能退化。例如，低地球轨道卫星中的组件会持续受到高能粒子的轰击[4]。尽管太空中的重离子通量密度相对较低，但高能重离子引起的单事件效应（SEE）由于其显著的线性能量传递（LET）[4]、[5]、[6]，仍会带来严重的可靠性风险，可能导致航天器灾难性故障。 近年来，GaN HEMT在重离子辐照下的SEE效应在功率电子领域得到了广泛研究[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。以往的研究主要集中在重离子引起的电气性能退化和潜在轨迹上。一些实验结果观察到了被称为单事件烧毁（SEB）的灾难性故障，表明SEB阈值电压（V_SEB）远低于器件的额定击穿电压。这一现象严重限制了GaN器件的太空应用。已经提出了几种退化和失效机制，包括与双极效应和背通道效应相关的电荷积累、显著的电荷放大、由潜在轨迹引起的栅极泄漏以及单事件栅极破裂（SEGR）。 然而，关于GaN MMIC PA在射频应用中的相关研究尚不足。由于存在介电绝缘层，SEGR更可能发生在GaN MMIC PA中的MIM电容器中[11]、[12]，这可能导致滤波网络和级间匹配电路的不稳定或失效。因此，与单个GaN HEMT相比，GaN MMIC PA对重离子的耐受性可能较差。此外，GaN MMIC通常在高压条件下工作，有时处于脉冲模式，这可能会产生超过其额定工作偏压的显著电压过冲。这些条件增加了触发SEB的可能性。另外，对于LET水平超过75 MeV·cm2/mg的GaN MMIC的退化行为仍理解不足，尽管这是商业化和标准化电子元件在太空应用中的关键标准[13]、[14]、[24]。因此，为了在太空基RF系统中可靠地部署这些器件，研究GaN MMIC在高LET重离子辐照下的SEE机制至关重要。 在这项研究中，对受到重离子辐照的GaN MMIC PA进行了SEE硬度保证测试，以研究其辐射响应和失效机制。在高LET重离子辐照下检查了器件的电气性能退化情况。为了定位受损区域并确定相关的漏电流路径，进行了TCAD模拟，以更全面地理解SEB背后的物理机制，从而确定了两种主要的失效机制。此外，还研究了入射离子LET对SEB机制的影响，揭示了两种不同的烧毁模式及其相应的SEB机制。

MMIC工艺和电路设计

本研究调查了一种采用GaN-on-SiC MMIC工艺制造的8.0-12.0 GHz两级PA。该工艺采用0.40 μm栅长的AlGaN/GaN肖特基HEMT，栅漏间距分别为3.5 μm和1.7 μm。MMIC工艺还包括各种无源元件，如NiCr电阻器、MIM电容器、有源层GaN电阻器、低损耗微带线以及穿过基板的通孔。MIM电容器的介电层由...

电气性能退化

为了研究GaN MMIC PA在重离子辐照下的SEE效应，制造的PA被垂直辐照了LET值为78.1 MeV·cm2/mg、能量为1721.4 MeV的Ta离子。离子通量为1 × 10? ions/cm2·s，总注量为1 × 10? ions/cm2，符合SEE鉴定测试的典型条件[13]、[14]、[20]、[25]。在辐照过程中，GaN MMIC的漏极电压（V_DS-Stress）从30 V开始，以10 V的步长逐渐增加...

结论

总之，本研究系统地评估了GaN MMIC PA中的SEE效应。实验结果表明，78.1 MeV·cm2/mg的重离子辐照会导致关键电气参数的显著退化，PA的V_SEB介于50 V和60 V之间，远低于其额定击穿电压。在电路中的GaN HEMT和MIM电容器中都观察到了SEB现象。在HEMT中，入射的重离子产生电子-空穴对，这些电子-空穴对从...

CRediT作者贡献声明

郝月：资金获取、正式分析、数据管理。 马晓华：资金获取、正式分析、数据管理。 罗宏伟：方法论、正式分析、数据管理。 向健：方法论、数据管理。 张豪：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。 王晓强：

未引用参考文献

[2]、[5]、[7]、[8]、[9]、[18]、[19]、[27]、[28]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB3611900和2021YFB3602404）的支持，部分得到了国家自然科学基金（项目编号U2241220、61974115、12035019和62234013）的支持，以及国家辐射应用创新中心（项目编号KFZC2022020401）的资金支持。