張存波，張建德，王弘剛，杜廣星

(國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410073)

隨著電子設(shè)備的廣泛使用，目前的電磁環(huán)境復(fù)雜性增強(qiáng)，各種通信和無線電探測系統(tǒng)受到強(qiáng)電磁脈沖的威脅增大，射頻前端在強(qiáng)電磁脈沖下失效的可能性增大。文獻(xiàn)［1］報(bào)道了歐洲電氣化鐵路交通管理系統(tǒng)在微波信號輻射下的易損性實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明低噪聲放大器是系統(tǒng)中的易損器件，研究微波脈沖對低噪聲放大器的損傷效應(yīng)意義重大［2－3］。硅基雙極型晶體管是低噪聲放大器中應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體器件，研究微波脈沖對硅基雙極型晶體管的損傷特性具有重要的意義。文獻(xiàn)［4－6］利用半導(dǎo)體仿真軟件，通過分析硅基雙極型晶體管器件內(nèi)部電場強(qiáng)度、電流密度和溫度分布，研究了硅基雙極型晶體管器件在微波信號和階躍脈沖作用下的損傷效應(yīng)和機(jī)理;文獻(xiàn)［7－9］研究報(bào)道了硅基雙極型晶體管型低噪聲放大器微波損傷的實(shí)驗(yàn)研究，給出了微波脈沖參數(shù)以及不同管腳注入對晶體管損傷特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究更加注重效應(yīng)數(shù)據(jù)和規(guī)律的獲取，對損傷機(jī)制的分析較少，而仿真分析結(jié)果的實(shí)驗(yàn)證據(jù)較少。為了進(jìn)一步研究微波脈沖對硅基雙極型晶體管的損傷機(jī)理，需要從宏觀上分析晶體管損傷后的電特性，同時(shí)從微觀上觀測晶體管的損傷部位，為損傷機(jī)理的研究提供有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

本文研究了基極注入微波脈沖對硅基雙極型晶體管的損傷特性，測量了硅基雙極型晶體管被損傷前后的PN結(jié)電性能，并利用光誘導(dǎo)電阻變化技術(shù)和掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)進(jìn)行失效定位和損傷部位觀測，推斷出器件的損傷機(jī)理。

1 損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

以NPN型硅基雙極型晶體管為核心元件制作了低噪聲放大器，圖1為其原理圖:器件采用共發(fā)射極放大電路結(jié)構(gòu)，硅基雙極型晶體管發(fā)射極接地，基極接信號輸入端，集電極接信號輸出端，器件工作電壓為3V，放大器工作中心頻率為1.5GHz，增益 15dB。

圖1 低噪聲放大電路實(shí)物圖Fig．1 Picture of low noise amplifier circuit

圖2 為注入實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，將微波脈沖沿低噪聲放大器的輸入端注入放大器，研究微波脈沖對研制的低噪聲放大器損傷過程和損傷結(jié)果。注入微波脈沖的頻率為1．5GHz，脈寬為50ns，每次實(shí)驗(yàn)注入一個(gè)微波脈沖，每次注入實(shí)驗(yàn)后采用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀測量放大電路的增益;放大器增益下降10dB以上認(rèn)為器件損傷。逐步增加微波脈沖的注入功率，直到確認(rèn)放大器被損傷。通過更換損傷放大器中的硅基雙極型晶體管，放大電路增益恢復(fù)正常，從而確定，低噪聲放大器損傷效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是微波脈沖對低噪聲放大器中硅基雙極型晶體管造成損傷。

圖2 注入實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．2 Schema of injecting experiment equipment

2 失效分析

為了分析微波脈沖對硅基雙極型晶體管的損傷特性，隨機(jī)抽取了8個(gè)被微波脈沖損傷的硅基雙極型晶體管進(jìn)行了電特性測試和失效定位分析。對比測量了損傷前后硅基雙極型晶體管的電特性。并利用光誘導(dǎo)電阻變化技術(shù)和SEM對損傷的硅基雙極型晶體管進(jìn)行失效定位和損傷部位觀測。

2．1 電特性測試

電特性測試主要通過測試雙極型晶體管的共基極集電結(jié)雪崩擊穿電壓VCBO、共發(fā)射極集電結(jié)雪崩擊穿電壓V以及發(fā)射結(jié)擊穿電壓CEO判斷損傷前后PN結(jié)的性能。

共基極反向截止電流(ICBO)是指發(fā)射極開路(IE=0)、集電結(jié)反偏(VCB＞0)時(shí)的集電極電流。發(fā)射極開路時(shí)，使ICBO趨于無窮大的集電結(jié)反向電壓VCB稱為共基極集電結(jié)雪崩擊穿電壓，記為VCBO。圖3給出了損傷前后雙極型晶體管的VCBO測量結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)電壓VCB，縱坐標(biāo)為集電極電流。當(dāng)VCB＞0時(shí)，集電結(jié)反偏;當(dāng)VCB＜0時(shí)，集電結(jié)正偏。從圖3中可知，未損傷芯片的集電結(jié)表現(xiàn)出良好的正向?qū)?，反向截止的PN結(jié)特性，晶體管的VCBO大于10V;損傷后晶體管的VCBO接近于0V，呈現(xiàn)為短路特性，集電結(jié)不再具有PN結(jié)特性。

圖3 共基極集電結(jié)擊穿特性Fig．3 Breakdown characteristics of collector junction in common base

共發(fā)射極反向截止電流(ICEO)代表基極開路(IB=0)、集電結(jié)反偏(VCB＞0)時(shí)從發(fā)射極穿透到集電極的電流?；鶚O開路時(shí)，使ICEO趨于無窮大的集電極發(fā)射極間電壓VCE稱為共發(fā)射極集電結(jié)雪崩擊穿電壓，記為 VCEO，VCEO比 VCBO低得多［10］。圖4給出了損傷前后雙極型晶體管的VCEO測量結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為基極開路時(shí)的集電極發(fā)射極間電壓VCE，縱坐標(biāo)為集電極電流。當(dāng)VCE＞0時(shí)，集電結(jié)反偏，當(dāng)VCE＜0時(shí)，集電結(jié)正偏。從圖4結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，未損傷芯片的集電結(jié)表現(xiàn)出良好的正向?qū)?，反向截止的PN結(jié)特性，晶體管的 VCEO大于4．5V;損傷后晶體管的VCEO接近于0V，呈現(xiàn)出短路特性，進(jìn)一步顯示集電結(jié)不再具有PN結(jié)特性。

圖4 共發(fā)射極集電結(jié)擊穿特性Fig．4 Breakdown characteristics of collector junction in common emitter

IEBO代表集電極開路(IC=0)、發(fā)射結(jié)反偏(VEB＞0)時(shí)的發(fā)射極電流。IEBO趨于無窮大時(shí)的發(fā)射結(jié)反向電壓稱為發(fā)射結(jié)擊穿電壓，記為VEBO。圖5給出了損傷前后雙極型晶體管的VEBO。圖中橫坐標(biāo)為集電極開路時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓VEB，縱坐標(biāo)為發(fā)射極電流。VEB＞0時(shí)發(fā)射結(jié)反偏，VEB＜0時(shí)發(fā)射結(jié)正偏。從圖中可知，未損壞芯片的發(fā)射結(jié)表現(xiàn)出良好的正向?qū)?，反向截止的PN結(jié)特性，晶體管的VEBO大于1V;損傷后的1#～7#晶體管的發(fā)射結(jié)呈現(xiàn)為短路特性，8#晶體管的發(fā)射結(jié)呈現(xiàn)電阻特性，均不再具有PN結(jié)的特性。

圖5 發(fā)射結(jié)擊穿特性Fig．5 Breakdown characteristics of emitter junction

通過測量硅基雙極型晶體管微波脈沖損傷前后的VCBO、VCEO和VEBO，發(fā)現(xiàn)微波脈沖損傷后硅基雙極型晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)表現(xiàn)為短路特性或電阻特性，都不再具有PN結(jié)特性，導(dǎo)致晶體管出現(xiàn)永久性的功能喪失。

2．2 損傷部位觀測

為了進(jìn)一步確定微波脈沖對雙極型晶體管芯片的損傷部位以及損傷的物理機(jī)制，在對晶體管芯片去封裝后，利用SEM對芯片表面進(jìn)行微觀觀測，芯片去封裝后的顯微照片如圖6所示。進(jìn)一步放大數(shù)倍對損傷芯片進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)芯片表面和芯片金屬電極無明顯損傷。

圖6 晶體管顯微照片F(xiàn)ig．6 Micrograph of transistor

光誘導(dǎo)電阻變化技術(shù)能快速準(zhǔn)確地定位集成電路中元件的短路、布線和通孔互聯(lián)中的空洞、金屬中的硅沉積等缺陷，具有高分辨能力，其測試精度可達(dá)nA級。利用光誘導(dǎo)電阻變化技術(shù)，分別設(shè)置發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)電壓VCB、基極開路時(shí)的集電極發(fā)射極間電壓VCE以及集電極開路時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓VEB為0．01V，利用激光束對芯片表面進(jìn)行掃描，通過感應(yīng)芯片局部電阻以及電流的微小變化，對器件損傷位置進(jìn)行定位。通過觀測發(fā)現(xiàn)圖6中1處為掃描的異常處，該處金屬電極下方的硅材料很有可能出現(xiàn)了燒傷，其典型掃描照片如圖7所示。圖7中區(qū)域1處表示掃描過程中該處電流密度偏大，區(qū)域2處表示該處電流密度偏小，說明電極下方存在物理損傷。

圖7 失效定位顯微照片F(xiàn)ig．7 Micrograph of fault location

去除芯片表面鈍化層以及頂層金屬后，用SEM進(jìn)行深入觀測，典型顯微照片如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)與圖7中區(qū)域1處異常對應(yīng)處存在明顯的“月牙形”的熔蝕，基區(qū)的硅材料出現(xiàn)熱擊穿特征，該處燒傷使得晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)出現(xiàn)短路，VCBO、VCEO和 VEBO都趨于0，喪失了PN結(jié)的特性，與前面的測量結(jié)果相呼應(yīng)，晶體管功能喪失。

圖8 晶體管損傷顯微照片F(xiàn)ig．8 Micrograph of damaged transistor

PN結(jié)燒傷機(jī)制如下:微波脈沖作用下，當(dāng)基極外加高的正偏壓時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正偏狀態(tài)，正偏狀態(tài)下PN結(jié)電流隨電壓的增加呈指數(shù)增加;當(dāng)基極外加高的負(fù)偏壓時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反偏狀態(tài)，當(dāng)反向偏壓增大到某一值時(shí)，PN結(jié)出現(xiàn)反向擊穿，反向電流會突然迅速增大。晶體管PN結(jié)的外加電壓主要降在PN結(jié)的勢壘區(qū)上，外加電壓使載流子在勢壘區(qū)中的電場下加速，通過碰撞把能量交給晶格，使晶格能量增加，從而使PN結(jié)的溫度升高。PN的正向和反向電流都具有正的溫度系數(shù)［10］，溫度升高會使電流增加，在電流和結(jié)溫之間形成正反饋。結(jié)溫升高使電流增加，電流增加使功率損耗增加，功率損耗增加使結(jié)溫上升，從而導(dǎo)致電流的進(jìn)一步增加。這一過程無限制地進(jìn)行下去，將導(dǎo)致電流與溫度無限增加，最終導(dǎo)致PN結(jié)器件被燒傷。

3 結(jié)論

微波脈沖從基極進(jìn)入硅基雙極型晶體管后，當(dāng)注入微波功率足夠大時(shí)，導(dǎo)致基區(qū)的局部硅材料的熔蝕損傷，該損傷使得發(fā)射結(jié)和集電結(jié)短路，不再具有PN結(jié)特性，從而導(dǎo)致晶體管功能喪失，是雙極型晶體管的損傷機(jī)制。研究結(jié)果明確給出了硅基雙極型晶體管損傷后的電特性、損傷部位和損傷圖像，為深入研究微波脈沖對硅基雙極型晶體管損傷機(jī)理提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，同時(shí)對硅基雙極型晶體管微波脈沖防護(hù)加固設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

References)

［1］ Mansson D，ThottappillilR，Backstrom M，etal．Vulnerability of european rail traffic management system to radiated intentional EMI［J］．IEEE Trans．Electromagn．Compat．2008，50(1):101－109．

［2］ 王弘剛，張建德．高電子遷移率晶體管微波損傷仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2014，26(6):65－70．Wang Honggang，Zhang Jiande．Simulation and experiment research on high electron mobility transistor microwave damage［J］．High Power Laser Part Beam，2014，26(6):65－70．(in Chinese)

［3］ Zhang C，Wang H，Zhang J，et al．Failure analysis on damaged gaAs HEMT MMIC caused by microwave pulse［J］．IEEE Trans．Electromagn．Compat．2014，DOI:10．1109．

［4］ 陳曦，杜正偉，龔克．基極注入強(qiáng)電磁脈沖對雙極型晶體管的作用［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2007，19(3):449－452．Chen Xi，Du Zhengwei，Gong Ke． Effects of high power electromagnetic pulse injected from base on the bipolar junction transistor［J］．High Power Laser Part．Beam 2007，19(3):449－452．(in Chinese)

［5］ 柴常春，席曉文，任興榮，等．雙極晶體管在強(qiáng)電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng)與機(jī)理［J］．物理學(xué)報(bào)，2010，59(11):8118－8124．Chai Changchun，Xi Xiaowen，Ren Xingrong，et al．The damage effect and mechanism of the bipolar transistor induced by the intense electromagnetic pulse［J］．Acta Physica Sinica，2010，59(11):8118 －8124．(in Chinese)

［6］ 馬振洋，柴常春，任興榮，等．雙極型晶體管微波損傷效應(yīng)與機(jī)理［J］．物理學(xué)報(bào)，2012，61(7):078501．Ma Zhenyang，Chai Changchun，Ren Xingrong，et al．The damage effectand mechanism of the bipolar tansistor caused by microwaves．Acta Physica Sinica，2012，61(7):078501．(in Chinese)

［7］ 范菊平，張玲，賈新章．雙極型晶體管高功率微波的損傷機(jī)理［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2010，22(6):1319－1322．Fan Juping， Zhang Ling， Jia Xinzhang． HPM damage mechanism on bipolar transistors［J］．High Power Laser Part．Beam，2010，22(6):1319 －1322．(in Chinese)

［8］ 柴常春，楊銀堂，張冰，等．硅基雙極低噪聲放大器的能量注入損傷與機(jī)理［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，29(12):2403－2407．Chai Changchun， Yang Yintang， Zhang Bing， et al．Mechanism of energy-injection damage of silicon bipolar lownoise amplifiers［J］．Journal of Semiconductors，2008，29(12):2403 －2407．(in Chinese)

［9］ 柴常春，張冰，任興榮，等．集成Si基低噪聲放大器的注入損傷研究［J］．西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(5):898－903．Chai Changchun，Zhang Bing，Ren Xingrong，et al．Injection damage of the integrated silicon low-noise amplifier［J］．Journal of Xidian University，2010，37(5):898 － 903．(in Chinese)

［10］ 陳星弼，張慶中．晶體管原理與設(shè)計(jì)［M］．第2版．北京:電子工業(yè)出版社，2006．Chen Xingbi，Zhang Qingzhong．Principle and design of transistor［M］．2nd ed， Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006．(in Chinese)