Главная Промышленная автоматика.

случае, когда приборы пассивированы диэлектрической пленкой (и не наблюдается для приборов с открытыми затворами из А1).

3. Образование соединений в металлизационных слоях затворов.

4. Повышение контактного сопротивления. В некоторых экспериментах измерялись высокочастотные параметры, однако расчеты интенсивности отказов основывались на параметрах по постоянному току. Было получено значение энергии активации процессов 1 эВ. Исследованиям было подвергнуто 230 приборов. Распределение отказов приведено, хотя данные об интенсивности отказов и доверительных границах не представлены. Средняя наработка до отказа составляла от 10* до 10 ч.

В работе [41] бьши исследованы приборы с затвором из Аи-Мо и с системой металлизации типа Au-Ni-Au-Ge в контактах к стоку и истоку. Кристаллы приборов были защищены органическим покрытием. Ускоренные испытания заключались в хранении приборов без подачи смещения в диапазоне температур от 176 до 265°С. Для всех приборов периодически измерялись параметры по постоянному току, для некоторых образцов была установлена корреляция между коэффициентом шума и проводимостью стока. Механизмом отказов, которьн! был выявлен, являлась деградация параметров омических контактов с энергией активации процесса около 0,8 - 1 эВ.

Деградировавшие контакты исследовались с помощью ионной микро-спектроскопии, что выявило диффузию Ni в GaAs и обратную диффузию Ga. Прогнозировалась средняя наработка до отказа примерно 10 ч при температуре 80°С. Исследованию бьшо подвергнуто 400 приборов. Данных о распределении отказов, интенсивности отказов и доверительных границах не приведено.

В работе [24] бьши главным образом исследованы системы металлизации Au-Ti-W в качестве затвора и Au-Ti-W-Au-Ni-Au-Ge в качестве контактов к стоку и истоку. О пассивации приборов ничего не сообщается. Ускоренные испытания включали в себя испытания при температуре до 300°С в режиме полного смещения по постоянному току, частичного смещения (U = О, /gO) и без смещения. Измерялись параметры по постоянному току и коэффициент передачи S21 на частоте 6 ГГц. Снижение S21 на 1 дБ считалось отказом. Механизмами отказов, которые были выявлены, являлись деградация параметров омических контактов с энергией активации процесса около 1,06 эВ при частичной подаче напряжения смещения по постоянному току и без него, деградация параметров канала (снижение концентрации донорных примесей) в том случае, когда было подано полное смещение по постоянному току. Энергия активации этого процесса была равна 1,5 эВ, причем канал, выполненный с помощью метода ионного легирования, деградировал медленнее, чем канал, выполненный с помощью эпитаксии из паровой фазы. Прогнозировалась средняя наработка до отказа на уровне 10* ч при 150° С для случая исходного материала высокого качества. Количество приборов, подвергнутых испытаниям, не приводится, сообщается, что общее количество приборо-часов испытаний составляет 2-10. Ни распределения отказов, ни их интенсивности, а также доверительных границ не приведено.



12.5.5. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НАДЕЖНОСТИ МАЛОШУМЯЩИХ GaAs ПТШ Обобщив сказанное, можно сделать вывод о том, что в рассмотренных работах охвачено большое количество различных механизмов отказов приборов, таких как выгорание затвора, выгорание стока, электромиграпии и образование соединений в структуре затвора, электролитическая коррозия затворов из А1, образование резистивных перемычек в затворах Au-W-Ti, деградапия омических контактов и изменение параметров канала. Продемонстрированы, за исключением деградации канала, способы предотвращения или по крайней мере снижения влияния всех механизмов. Интенсивность отказов из-за деградапии канала оценивается менее чем 2 • 10" ч" за 20 лет работы.

Изучение механизмов отказов малошумящих ПТШ как промышленного, так и военного назначения продолжается в настоящее время. Большое внимание уделяется структурам, в которых для изготовления затвора не применяется А1, в связи с тем, что в нем легко образуются разрывы. Конечно, А1 имеет и ряд важных достоинств, таких как легкость обработки, отсутствие химических соединений с GaAs при достаточно высокой температуре (свыше 400°С) [27]. И публикуемые работы показывают, что соответствующим образом сконструированные и изготовленные приборы с затворами из А1 в герметичном корпусе имеют высокую надежность [12]. Однако необходимость использования надежной герметиза1щи (или пока еще не разработанной вязкой, бездефектной, непроницаемой защиты с малыми потерями) является серьезным ограничением, так как использование приборов в усилителе в виде кристаллов приводит к тому, что приходится весь усилитель изготавливать свободным от следов влаги и золоченых остатков, а также целиком его герметично запаивать. Однако исчерпывающие исследования, которые установили бы полное превосходство малошумящих ПТШ на GaAs с затворами без использования А1, еще не проведены. В частности, еще не доказано, что приборы с затвором из тугоплавких металлов нечувствительны к воздействию влаги.

12.6. МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ МОЩНЫХ GaAs ПТШ

12.6.1. ОТКАЗЫ МЕТА1ШИЗАЦИ0ННЫХ СЛОЕВ

Режим работы по току и температуре мощных ПТШ сильно отличается от режима работы малошумящих приборов. Например, в составе аппаратуры, когда температура окружающей среды поднимается до 52° С, максимальная температура канала мощного транзистора с общей шириной затвора 6 мм (что соответствует Pj, = 2 Вт) может составлять 110° С, в то время как для малошумящего ПТШ она будет около 60° С. В связи с этим даже только из-за одного механизма отказа, такого как образование интерметаллического соединения Au-Al с энергией активации процесса 1 эВ, средний срок службы мощного ПТШ будет на два порядка меньше, чем у малошумящего ПТШ при одинаковых условиях окружающей среды. Соответствующие интенсивности отказов резко изменяются от пренебрежимо малого значения 10" ч~ при температуре 60° С до очень высокого значения Ю" ч" при температуре 110° С. Это не означает, что в мощных ПТШ не могут использоваться те же системы металлизации, что и в мало-204



шумящих приборах, однако должны быть приняты дополнительные меры для улучшения изолящти Аи от А1. Последующие данные покажут, что это в действительности возможно.

Плотность постоянного тока в мощных ПТШ находится в области значений 10* -10 А/см, пиковые значения гшотности токов на высокой частоте могут достигать величин, на порядок больших. Напротив, в малошумящих ПТШ плотность тока может составлять 10 А/см и размах сигнала на высокой частоте может быть невелик. Если принять типовое значение энергии активации процесса электромиграции А1 равным 0,5 эВ и учесть квадратичную зависимость процесса образования разрывов металлизационных слоев от плотности тока, следует ожидать, что средний срок службы мощных ПТШ по сравнению с малошумящими может быть снижен в 10 -10 раз. На практике отказы мощных ПТШ реально наблюдаются, в то время как в малошумящих приборах они могут происходить крайне редко (если они усиливаются образованием интерметаллического соединения Au-Al, как показано в подразд. 12.5.2). Плотность тока в контактных площадках истока и стока мощных ПТШ та же самая или даже выше, чем плотность Тока в затворе. Золото, которое обычно используется в верхнем слое контактной системы металлизации, значительно более устойчиво к электромиграции, чем алюминий. Несмотря на зто электромиграция в стоке и истоке из-за высокой плотности тока является сильнодействующим механизмом отказов в мощных ПТШ [21].

Экспериментальные результаты подтверждают этот факт, хотя ситуация и не является такой угрожающей, как может показаться. Исследование мощных ПТШ с затворами из алюминия, защищенных пленкой SiO, с общей шириной 6 мм, подвертутых старению при температуре канала 260° С с подачей высокочастотного сигнала, показывают, что в отдельных случаях наблюдается электромиграция материала затвора [17]. Более поздние исследования ПТШ с затворами из А1, защищенных пленкой SijN,, не обнаружили дефектов металлизационного слоя затвора (о чем свидетельствуют точные измерения напряжения отсечки, сопротивления металлизационного слоя затвора или емкости затвора) после 6000 ч старения при температуре 250° С в режиме высокочастотного сигнала [16]. В этой работе плотность прямого тока затвора сохранялась на уровне 2 10 А/см в течение всего процесса старения. В исследовании процессов эле ктро ми грации металлизационного слоя затвора, защищенного пленкой Si3N,, как в местах пересечений, так и по длине затвора, на постоянном токе средний срок службы составлял 200-400 4 при тех же самых температуре и плотности постоянного тока [17]. Такая в значительной мере неожиданная устойчивость мощных ПТШ может быть объяснена тем, что при воздействии высокочастотного сигнала благоприятным образом сказывается изменение полярности тока затвора, как уже отмечалось в разд. 12.4.

Чтобы избежать эффектов образования интерметаллических соединений и электромиграции, которым алюминий в значительной мере подвержен, бьши предприняты больщие усилия по разработке мощных ПТШ с металлизацией затвора на основе системы тугоплавкий металл-золото. Однако до сих пор не существует реальных доказательств того, что такие структуры превосходят по надежности приборы с металлизацией из А1. Хотя некоторЬ!е сравнительные исследования показывают, что металлизация затвора на основе тугоплавкого металла является более устойчивой [28], все же лучшие приборы с затворами из А1 [l 6, 17] имеют средний срок службы при повышенной температуре по крайней мере в 50 раз больший, чем приборы с металлизащтей тугоплавкий металл-золото [6, 28]. На рис. 12.12 приведено сравнение средней наработки до отказа при подаче высокочастотного сигнала для приборов с затворами из А1 (из неопубликованной работы [17]) и результатов, полученных для приборов с металлизацией затвора Au-W-Ti [28]. Приборы с затворами из Ale общей шириной 6 мм подвергались старению при подаче сигнала частотой 4 ГГц и мощностью 28 дБм





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 [68] 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0038