Главная Промышленная автоматика.

(температура канала 67°С) ожидаемое число отказов, которые происходят из-за выгорания за первый год работы, составляет 1,5 -10 ч~, затем оно снижается. Верхняя доверительная граница по предварительной оценке будет в 4 или 5 раз выше. При температуре окружающей среды 52° С (температура каггала 94° С) прогнозируемое число отказов на порядок выше, чем при температуре 25° С (конечно, как правило, ие бывает такой ситуации, когда столь высокая температура воздействует постоянно). В том случае, если транзистор работает при токе стока 0,7 А вместо 0,53 А, температура канала повышается точно на 10° С и интенсивность отказов возрастает в 2 - 3 раза.

На основе результатов работы [ЗО], а также результатов, обширных испытаний многих других типов приборов [П] развивались работы по созданию нового поколения мощных GaAs ПТШ с высокой устойчивостью к выгоранию. Задача исследования отказов из-за выгорания приборов с затвором из А1 и с защитной пленкой из нитрида кремния поставлена в работе [1б]. При испыта1ши 270 приборов при общем сроке службы в 2-10 приборо-часов был зафиксирован всего один отказ из-за выгорания. Во время написания данной работы это исследование было единственной научной публикацией, в которой приведено достаточное количество данных (полученных из испытаний в режиме смещения по постоянному току и в режиме высокочастотного сигнала в диапазоне температур 175 -250С), подтверждающих существование почти свободных от выгорания мощных GaAs ПТШ. К сожалению, невозможно определить энергию активации процесса выгорания приборов. Однако даже наиболее пессимистические прогнозы показывают, что интенсивность отказов из-за выгорания составляют не более 5 -Ю ч" при температуре к;шала 110°С и, возможно, менее 10 ч" за 10-летний срок службы.

12.6.3. ПОСТРПГННАЯ ДЕГРАДАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

Разрушение металлизационного слоя затвора, описанное в подразд. 12.6.1, частичное выгорание зубцов затвора в гребенчатой структуре, о котором сообщается в подразд. 12.6.2, повышение сопротивления контактов, рассмотренное в подразд. 12.5.2, 12.5.3, вызывают деградацию высокочастотных параметров мощных ПТШ, Все эти механизмы отказов бьши подробно обсуждены. Существуют еще два механизма отказов, таких как объемные и поверхностные эффекты в полупроводниковом материале и проникновение металлизационного слоя затвора в канал. Объемные и поверхностные эффекты в материале полупроводника уже упо.мпнались в подразд. 12,5.3 как ответственные за постепенную деградацию параметров и постепенно присутствующие в мало-шумя1цих ПТШ [12, 24], а также возможные и в мощных ПТШ [16], Эти эффекты могут быть связаны со следующими процессами: 1) изменением концентрации донорных (мелких) и акцепторных уровней; 2) образованием ловушек (глубоких уровней); 3) образованием структурных дефектов. Из трех перечисленных процессов наиболее вероятным является процесс образования глубоких уровней, которые в известном смысле связаны с двумя остальными. Ловушки могут влиять на распределение напряженности поля, концентрацию носителей и подвижность.

Показателем присутствия ловушек в ПТШ на GaAs являются чувствительность к воздействию света, гистерезис выходных вольт-ампернЬ1х характеристик шш различие между постоянным и импульсным токами стока (если это различие не связано с воздействием тепла). Некоторью разработчики [31 -ЗЗ] используют различные виды спектроскопии глубоких уровней Для исследования ловушек [34]. В [ЗЗ] сообщено о ловушках электронов в активном слое в том случае, когда этот слой выполнен методом эпитаксии из паровой фазы при относительно низкой температуре (650° С) с использованием в качестве источника GaAs. Обнаружены ловушки для дырок, расположенные на границе между буферным и активным слоями в структурах, выращенных методом



эпитаксии из паровой фазы при более высокой температуре (750° С) с использованием в качестве источника GaAs. Во всех перечисленных работах GaAs ПТШ не были подвергнуты старению. Не сообщается о сравнительных исследованиях плотности ловущеч-ных центров до и после ускоренных испытаний и о корреляции их наличия с эффектами деградации параметров, хотя по крайней мере одна такая попытка была предпринята [35]. Так как наличие ловуЩек сказывается на высокочастотных параметрах, а их движение стимулируется повыщением температуры, напряженности электрического ноля и рекомбинацией носителей тока [Зб] (все эти воздействия присутствуют в мощных ПТШ) и так как легирующие примеси на границах раздела канала, буферного слоя и подложки являются источником ловущечных центров, следует ожидать, что ловущки будут играть существенную роль в постепенном изменении параметров мощных ПТШ. Заслуживает внимания тот факт, что была обнаружена непосредственная связь между рекомбинацией носителей тока, сопровождающаяся размножением ловущечных центров, и постепенным изменением параметров лавинно-пролетных диодов на GaAs с барьером из Pt [37].

Взаимное проникновение металла затвора и GaAs может приводить к изменению свойств канала из-за двух механизмов. Один из них, заключающийся в продвижении границ эффективного барьера Шотки в глубь канала, приводит к соответствующему уменьщению его толщины. Этот эффект проявляется в уменьшении тока стока /hjc и уменьшении напряжения отсечки. Другой механизм заключается в легирующем воздействии атомов диффундирующих металлов (или окислов металлов, которые всегда присутствуют на границе раздела металл-GaAs), в результате чего изменяется концентрация донорных примесей, что также приводит к уменьшению тока стока При исследовании взаимодействия А1 с GaAs в затворе GaAs ПТШ в течение 24 ч при температуре 275° С [38] деградации выходных вольт-амперных характеристик не было обнаружено, хотя некоторая деградация отмечалась при температуре 450° С. При исследовании малошумящих ПТШ на GaAs с затворами из А1 [l2] средний срок службы составлял но крайней мере 1500 ч при температуре 250° С и никаких уменьшений напряжения отсечки нрактически не было обнаружено. Следовательно, хотя сужение канала вследствие взаимной диффузии Al-GaAs и может происходить, существенного влияния на ограничение надежности ПТШ на GaAs оно не оказывает.

Не исключается возможность снижегая уровня легирования канала малошумящцх приборов, вследствие чего иногда наблюдается уменьшение TOKa/(,„j,(, [l2]. Ток насыщения не является самым важным параметром малошумяцщх транзисторов (таким, как коэффициент шума или коэффициент усиления), однако для мощных ПТШ следует ожидать уменьшения коэффициента усиления и мощности насыщения. Как будет показано далее, ограничения, обусловленные появлением деградационных эффектов, для приборов с затвором из А1 являются вполне приемлемыми. Публикации по исследованию взаимодействия других систем металлиза1щи затвора с GaAs в реальных ПТШ пока отсутствуют. Исследований по взаимодействию GaAs с различными металлами (не связанных с конкретными структурами ПТШ) существует достаточно много [l, 2, 27]. Исходя из результатов этих исследований можно подобрать несколько подходящих вариантов металлизации затвора, хотя и не свободных от некоторых недостатков (высокое Электрическое сонротивлеуше, несовместимость с GaAs по коэффициенту теплового расширения, склонность к окислению и т.д.). Исследование возможности нежелательного легирующего воздействия этих металлов на GaAs также не бьшо проведено.

Некоторые детали природы механизмов отказов из-за постепенного ухудшения параметров мощных GaAs ПТШ приведены в статье [16]. В процессе старения периодически контролировались отдельные параметры по постоянному току и высокочастотные параметры. Изменения двух из них, а именно тока насыщения и выходной мощ-



Рис. 12.16. Типичные характеристики тока стока насыщения и мощности насыщения при старении и температуре канала 175, 210 и 250° С (напряжение на стоке t/p = 14 В, ток стока 1 = = 0,55 А) для улучшенной модификации ПТШ, пассивированных диэлектрической пленкой SijN [16]

ности насыщения/ (нача-стоте 4 11ц), представлены


Время испытания, ч

2SD 210

по Т,С

на рис. 12.16. При температуре 250° С (температура кана-ла) в условиях смещения по постоянному токубез подачи высокочастотного сигнала мощность насыщения уменьшалась на 5% в течение 250ч. Соответствующее изменение коэффициента усиления (на рисунке не показано) составляло 0,2 дБ. Снижение выходной мощности насыщения в такой степени происходит после 6500 ч старения при температуре 200° С, в то время как при температуре 175° С никаких заметных изменений не происходило вплоть до времени написания данной работы (8000 ч). Эти значения дают рост зависимости Аррениуса, представленной на рис. 12.17. Полученное значение энергии активации механизма отказов, связанного с деградацией параметров, составляет 1,8 эВ. В худшем случае, если принять во внимание погрешности в измерении температуры, энергия активации составляет не менее 1,2 эВ.

С использованием этих значений энергии активации интенсивность отказов ( по критерию уменьшения мощности насыщения на 5%) составит не более 10"ч~ в худшем случае и, возможно, не более 10~ч" за 10 лет службы.

После ускоренного старения этих приборов на постоянном токе при температуре 285° С найдено, что емкость затвора, сопротивление металлизационного слоя затвора, напряжение отсечки и сопротивление Омических контактов не претерпели никаких изменений, хотя ток насыщения и максимальная проводимость канала заметно умень-

Рис. 12.17. Зависимость среднего срока службы от температуры канала при старении на постоянном токе для мощных ПТШ, пассивированных ди-электричеЬкой пленкой SijN. Снижение мощности насыщения на 5 % на частоте 4 ГГц при комнатной температуре классифицировалось как отказ [16]:

-среднее значение;---худший случай из-за

ограничений, связанных с наличием погрешности


2,2 2,k





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