Главная Промышленная автоматика.


2 3 5 7 Время испытания, ч

Рис. 12.18. Зависимость тока стока насыщения / мощных ПТШ, пассивированных диэлектрической пленкой SiN, от времени старения при температуре канала 250° С на постоянном токе для одной 1Т)унпы приборов (о) и в режиме высокочастотного сигнала для другой группы (•)

щились. Более детальный анализ этих и других электрических параметров показывает, что существенные изменения нроизощли в свойствах активного канала, а именно: уменьщились скорость насыщения носителей тока и значение подвижности носителей тока при низких значениях напряженности поля. Причины таких изменений до конца неизвестны, однако предполагается, что они обусловлены ловущечными центрами. Интересно отметить, что уменьщение мощности насыщения Р,, как показано на рис. 12.16, неоднозначно следует за уменьщением тока насыщения /[.„ас- Резкое снижение нас "f" наработке 500 ч (при температуре 250° С) и обратный подъем не являются ощибкой измерения, так как данные однозначно повторялись для приборов с различных пластин. Такого провала не наблюдается в зависимости для тока насыщения/ц.,, который уменьщается монотонно. Эти различия в зависимостях в настоящее время пе объяснены, однако указывают на присутствие нескольких действующих механизмов.

Очень важно помнить, что прогнозы о среднем сроке службы и об интенсивности отказов базируются на данных ускоренных испытаний в режиме смещения но постоянному току. Данные испытаний в режиме высокочастотного сигнала в течение 3000 ч при температуре 250° С (уровень входной мощности составил 280 дБм, частота сигнала 4 ГГц, см. нодразд. 12.6.1) тех же самых типов приборов, на которых получены зависимости, приведенные на рис. 12.16 и 12.17, показывают те же самые деградационные эффекты, что и при испытаниях на постоянном токе. Это продемонстрировано на рис. 12.18 для тока насыщения /нас сравниваются результаты испытаний в режимах смещения но постоянному току и высокочастотного сигнала [16]. Более важным является тот факт, что мощность насыщения и коэффициент усиления приборов, испытанных в режиме высокочастотного сигнала, деградируют в той же степени, что и приборы, испытанные на постоянном токе по крайней мере в течение 3000 ч. Такой результат является многообещающим. Однако испытания на постоянном токе позволяют получить данные о наработке в виде значителыю большего числа нриборо-часов по сравнению с испытаниями в режиме высокочастотного сигнала. Так как испытания на постоянном токе не полностью воспроизводят реальные условия работы в режиме большого сигнала на высокой частоте, особенно в отношении токов затвора, необходимо накапливание данных испытаний в режиме высокочастотного сигнала для более точного прогнозирования отказов из-за деградации параметров.

12.6.4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ МОЩНЫХ GaAs ПТШ

Обобщая результаты, отказы мощных GaAs ПТШ можно классифицировать следующим образом: 1) выгорание, 2) отказы, связанные с металлизацией электродов, 3) изменение объемных и поверхностных свойств полупроводникового материала. Степень проявления первого из перечисленных типов отказов можно в значительной мере снизить, но при соответствующем конструировании приборов [ЗО] и, видимо, 212



можно достигнуть значения интенсивности отказов менее 10" ч" (при сроке службы 10 лет) [16]. Если не принимать специальных мер при конструировании приборов, то интенсивность отказов может составить (при температуре канала 110° С) от 1,7-10" до 10" ч [и]. Эффект выгорания приборов в значительной степени связан с особенностями конструкции прибора и может проявляться совершенно по-разному для разных конструкций.

Отказы, обусловленные металлизационными слоями, могут проявляться в виде деградации параметров омических контактов, электромиграции металлов в контактах стока, истока и затвора и, наконец, в образовании интерметаллических соединений между двумя или несколькими металлами. Деградация параметров контактов и образование интерметаллических соединений происходят в результате взаимной диффузии, предотвратить которую можно, подбирая соответствующим образом барьерные слои, применяя пространственное разделение взаимодействующих компонентов или выбирая невзаимодействующие пары материалов. В тех случаях, когда соответствующие меры не приняты или недостаточны, интенсивность отказов может оказаться катастрофически высокой и в значительной мере будет зависеть от особенностей конструкции приборов и качества изготовления. Интенсивность отказов, вероятно, будет различной.и от пластины к пластине. Поэтому, используя ускоренные испытания с выборкой из каждой пластины, можно будет отбирать также кристаллы, интенсивность отказов для которых находится в известных пределах. Электромигратщю можно снижать, используя толстые слои металла, увеличивая число зубцов затвора для уменьшения плотности токаи улучшения теплоотвода и по возможности отказываясь от металлизации алюминием. Однако системы металлизации без А1 порождают ряд других проблем, и наилучшие опубликованные результаты, известные в настоящее время, были получены на мощных ПТШ с затворами из А1, защищенного диэлектрической пленкой нитрида кремния [16]. Интенсивность отказов из-за деградации параметров (снижение мощности насыщения Р на 5 7) находится на уровне менее Ю ч" (однако для подтверждения этих результатов требуются дальнейшие испыташя в режиме высокочастотного сигнала).

Отказы из-за выгорания и нарушения металлизатщонных слоев являются в известной степени преадевременными, и их следует сводить к минимуму или предотвращать. Если будут исключены эти виды отказов, на первый план в мощных ПТШ выступят отказы, связанные с объемными или поверхностными свойствами полупроводникового

материала. Такие изменения свойств материала наблюдаются давно [12,16], однако они встречаются не во всех случаях [24].

Изменения поверхностных и объемных свойств полупроводникового материала (явление компенсации примесей и снижение подвижности носителей тока) могут быть связаны с образованием или перераспределением ловушечных центров. Однако в настоящее время работы по изучению этих процессов при старении приборов пока неопубли-кованы.

Общий характер механизмов отказов при воздействии температурно-временных факторов для малошумящих и мощных ПТШ наглядно представлен в табл. 12.1. Указаны типы металлизационных систем и электроды прибора, в которых они использованы. Приведены наихудшие по среднему сроку службы данные при ускоренных испытаниях и условия этих испытаний. Указаны диапазоны энергий активации для каждого процесса. Эти диапазоны определены с учетом результатов многих исследований по надежности GaAs ПТШ. В случае электромиграции разброс значений существенно больший, так как сказывается влияние размера зерен и, следовательно, условий нанесения металлизационных слоев, а также свойств загцитных пленок и специально вводимых или неконтролируемых примесей. Полной уверенности, что будет найдена система ме-



таллизации, удовлетворяющая всем требоваютям, пока не существует. Кроме того, в больщинстве случаев средний срок службы и энергия активации процесса измеряются в условиях старения без воздействия высокочастотного сигнала, а в некоторых случаях и без смещения но постоянному току. Отсюда экстраполяция результатов по надежности приборов в режиме большого высокочастотною сигнала (как, например, для мощных ПТШ) едва ли будет достоверной. Цель данной таблицы - дать в первую очередь справочные дагшые по возможным механизмам отказов, которые могут возникать в той или иной структуре прибора, и приближмщую, определяющую наихудший результат, оценку среднего срока службы. Для более детального ознакомления с теми или иными механизмами отказов можно обратиться к источникам информации, ссьшки на которые приведены в таблице.

Таблица 12.1. Сводка зависимостей механизмов отказов ПТШ от времени

и температуры

Механизм отказа, тип структуры

Условия старения

Энергия, активации, эВ

Источник информации

Выгорание

700 ч, 265 С, смещение по посгояиному току

0,9 - 1,6

[11,16]

Электролитическая коррозия, затвор из А1

3 ч (85/85)

[12,20]

Электромиграция затвор из Л1

168 ч, 130° С, ВЧ сигаал 400 ч, 260° С, ВЧ сигнал

0,3 - 0,7 0,3-0,7

[28] [17]

затвор из Аи

10 ч, 260° С, смещение но постоянному току

0,5 - 1,0

сток и исток из Аи-С;е-1п

60 ч, 250 С, смещение по постоянному току

[21,22]

Электромиграш1Я, образование интерметаллического соединения Ли-А!, затвор из Ли-Л1

94 ч, 250° С, смещение по постоянному току

[12]

Постепенная деградация параметров вследствие объемных и поверхностных эффектов в Cia.\s (канал)

30 ч, 250° С, смещение по постоянному току

0,8 1,8

[12, 16,24]

Образование интерметаллического соединения, затвор из Al-Au, Al-Pl

94 ч, 250° С, смещение по постоянному гоку

0,6-1,0

5, 12, 23,40

Повышение сопротивлегшя омических контактов, сток и исток из Au-Ge-GaAs

31 ч, 250° С, без смещения по постоянному току

0,8-1,8

1,2,3,4, 12,41





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

0.004