CN114398851B - 一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，包括步骤：根据高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型；对待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型；根据目标模型在求解器中选定半导体物理场的接口、固体传热物理场的接口以及网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台；根据仿真平台的仿真结果分析前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。该研究方法考虑到了不同栅极之间的相互作用以及多物理场的耦合情况，可以分析实际的多栅指芯片在受到辐照干扰条件下的工作情况，对于潜在损伤区域能够有效预测，仿真结果准确性高。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件可靠性加固及预防技术领域，具体涉及一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法。
背景技术
高功率微波(High-power Microwav，HPM)是强电磁脉冲(ElectromagneticPulses，EMP)的一种。HPM效应是指其能够通过天线、传感器以及系统封装外壳的缝隙等方式耦合进电子系统内部并导致其发生扰乱、退化甚至损伤效应。在高度信息化的今天，世界的高速发展离不开半导体器件的贡献。随着半导体工艺技术的不断改进和创新，器件的特征尺寸不断缩小，单位面积的集成度不断提高，导致半导体器件的敏感阈值下降，它们极易受到高功率微波的影响而使设备宕机或永久性的损坏，国外不少国家已经将高功率微波武器投入战场使用，伊拉克是最早受到该种类型武器攻击的国家。近年来各国将触手伸向太空，各国竞相竞争太空的战略制高点。反卫星武器会成为各国夺取战略制高点的重要竞争手段。根据卫星工业协会的统计，目前仍在使用的地轨卫星多数不具备抗HPM加固，极易受到干扰造成严重的损毁，届时地面的通讯导航勘探系统将会瘫痪，给国家造成不可估量的严重后果。对半导体器件可靠性的研究及抗HPM效应能力的加固，无论是在国防还是民用领域，都显得十分的迫切。因此，亟需一种前端高功率半导体器件的辐照可靠性分析方法。
现有技术进行辐照可靠性分析时，对于已经损毁的器件进行剖片，利用扫描隧道显微镜对器件烧毁区域进行寻找定位，然后进行理论数值分析。然而，对已经损毁的器件进行分析具有一定的滞后性，不利于可靠性的预防；此外在实际的芯片版图绘制当中，为了保证芯片不同区域规格的匹配性，对器件的尺寸会有着严格的限制；半导体器件常常以多栅的形式呈现在实际电路中，即所谓的“叉指”，而现有的技术方法往往只针对单栅器件进行仿真分析，没有考虑到实际工作的器件多个栅之间的相互影响作用及由此引发的一些列多物理场的耦合情况，所以很难精确的模拟实际的芯片在辐照条件下的工作模式，仿真结果的准确性不高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，包括步骤：
S1、根据实际芯片电路中前端高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型；
S2、对所述待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型；
S3、根据所述目标模型在求解器中选定所述半导体物理场的接口、所述固体传热物理场的接口以及所述网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台；
S4、根据所述仿真平台的仿真结果分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
在本发明的一个实施例中，所述前端高电子迁移率半导体器件包括单栅器件或多栅器件。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：
S11、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的尺寸参数和结构参数构建器件的衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层、栅极、源极和漏极，得到几何模型；
S12、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的材料参数为所述几何模型添加材料属性，得到所述待测模型。
在本发明的一个实施例中，对接半导体物理场，包括：
设定初始温度、相对介电常数、带隙、电子亲和性、导带价带的有效态密度、迁移率模型、掺杂剂电离程度、载流子输运方程、绝缘子界面、异质结参数、栅源漏参数、热离子参数、复合模型、掺杂条件以及俄歇复合作用模型。
在本发明的一个实施例中，耦合固体传热物理场，包括：
设定固体传热区域、温度离散化条件、瞬态条件下的传热模型、稳态条件下的传热模型、温度初始值、热绝缘面、热源以及热通量参数。
在本发明的一个实施例中，所述瞬态条件下的传热模型为：
其中，dz为厚度，ρ为材料密度，为哈密顿算子，T为温度，t为时间，k为导热系数，q为传导热通量，Cp为恒定应力下的比热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量。
在本发明的一个实施例中，所述稳态条件下的传热模型为：
其中，dz为厚度，ρ为电荷密度，为哈密顿算子，T为温度，k为导热系数，q为热通量，Cp为恒压热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量。
在本发明的一个实施例中，剖分网格结构，包括：
对所述待测模型的电极区域和异质结区域划分为细化网格，沟道区域划分为常规网格，剩余区域划分为自定义大小网格。
在本发明的一个实施例中，所述稳态条件包括外加漏极电压、源极电压和直流栅极电压；所述瞬态条件包括所述外加漏极电压、所述源极电压和HPM瞬态栅极电压及仿真时间。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
根据所述仿真结果中的热源分布情况、载流子分布情况、电势分布情况中的一种或多种分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的研究方法通过建立待测模型并对待测模型进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场，考虑到了不同栅极之间的相互作用以及多物理场的耦合情况，从而可以分析实际的多栅指芯片在受到辐照干扰条件下的工作情况，对于潜在损伤区域如高热源处、高载流子浓度处、高电势处能够有效预测并进行可靠性加固，仿真模型更加接近实际情况，仿真结果准确性高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法的流程示意图；
图2a-图2c为本发明实施例提供的三种结合模型的结构示意图；
图3a-图3c为本发明实施例提供的三种完成网格剖分后的待测模型的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种外加瞬态信号示意图；
图5a-图5c为本发明实施例提供的一种温度等值线分布情况示意图；
图6a-图6c为本发明实施例提供的一种热分布情况示意图；
图7a-图7c为本发明实施例提供的一种器件温升情况示意图；
图8a-图8c为本发明实施例提供的一种载流子分布情况示意图；
图9a-图9c为本发明实施例提供的一种电势分布情况示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法的流程示意图。该研究方法包括步骤：
S1、根据实际芯片电路中前端高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型。具体包括步骤：
S11、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的尺寸参数和结构参数构建器件的衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层、栅极、源极和漏极，得到几何模型。
具体的，前端高电子迁移率半导体器件包括衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层、栅极、源极和漏极，其中，衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层依次层叠，栅极、源极和漏极分布在二维电子气来源层上且栅极位于源极和漏极之间。因此，构建的几何模型由四个矩形区域、若干个线段区域及点区域构成，以组成器件的衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层、栅极、源极和漏极。
进一步的，在构建几何模型时，根据前端高电子迁移率半导体器件的尺寸参数定义矩形区域的宽度和厚度以及电极的相关尺寸。
请参见图2a-图2c，图2a-图2c为本发明实施例提供的三种结合模型的结构示意图。图2a-图2c中，Sub-GaN代表衬底，其材料为GaN，Channel-GaN代表沟道层，其材料为GaN，AlGaN Spacer代表隔离层，其材料为AlGaN，2DEG AlGaN代表二维电子气来源层，其材料为AlGaN，S代表源极，D代表漏极，G代表栅极。
具体的，前端高电子迁移率半导体器件包括单栅器件或多栅器件，即，前端高电子迁移率半导体器件可以为单栅器件，也可以为双栅器件，也可以为三栅器件，等等，本实施例不做进一步限制。因此，根据前端高电子迁移率半导体器件所建立的几何模型也包括单栅器件或多栅器件，如图2a中的几何模型为单栅器件，2b中的几何模型为双栅器件，2c中的几何模型为三栅器件。
在一个具体实施例中，单栅结构中，器件横向宽度为2.0um，从第一层至最后一层厚度分别为0.04um、0.02um、0.2um、0.4um。双栅结构中，器件横向宽度为2.0um，从第一层至最后一层厚度分别为0.04um、0.02um、0.2um、0.4um。三栅结构横向宽度为3.5um，从第一层至最后一层厚度分别为0.04um、0.02um、0.2um、0.4um，电极与第一层材料接触横向距离为0.2um。
S12、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的材料参数为所述几何模型添加材料属性，得到所述待测模型。
具体的，在几何模型构建完成之后，为模型添加材料属性。如今第三代半导体材料研究取得进展，由于第三代半导体的宽禁带特性，愈来愈多的功率器开始采用第三代半导体材料制作；HEMT器件是雷达前端链路的关键器件，采用第三代半导体材料能够显著地提高其工作性能；因此，本实施例中几何模型选用的材料包括铝镓氮和氮化镓，其中，二维电子气来源层及隔离层采用铝镓氮材料，沟道层及衬底采用氮化镓材料，从而得到待测模型。铝镓氮和氮化镓的材料属性见表1。
表1铝镓氮和氮化镓的材料属性
| 材料 | 铝镓氮 | 氮化镓 |
| 相对介电常数 | 8.9-0.4*def.x | 8.9 |
| 导热系数[W/(m*K)] | 130 | 130 |
| 密度[kg/m^3] | 6070 | 6070 |
| 恒压热容[J/(kg*K)] | 490 | 490 |
| 带隙[V] | 3.507+2.723*def.x | 3.39 |
| 电子亲和性[V] | 3.922-1.923*def.x | 4.1 |
| 有效态密度，价带[1/cm^3] | (T/1[K])^(3/2)*8e15 | (T/1[K])^(3/2)*8.9e15 |
| 有效态密度，导带[1/cm^3] | (T/1[K])^(3/2)*2.3e14 | (T/1[K])^(3/2)*4.3e14 |
| 电子迁移率[cm^2/(V*s)] | 1000 | 1000 |
| 空穴迁移率[cm^2/(V*s)] | 350 | 200 |
| 俄歇复合因子[cm^6/s] | 1.70E-30 | 1.00E-30 |
S2、对所述待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型。
首先，对待测模型的所有区域进行对接半导体物理场。
本实施例中，对接半导体物理场指：设定初始温度、相对介电常数、带隙、电子亲和性、导带价带的有效态密度、迁移率模型、掺杂剂电离程度、载流子输运方程、电荷参数、绝缘子界面、异质结参数、栅源漏参数、热离子参数、复合模型、掺杂条件以及俄歇复合作用模型。
具体的，初始温度设定为293.15K。
相对介电常数、带隙、电子亲和性、导带价带的有效态密度、迁移率模型均采用材料数据，具体请参见表1。
本研究方法采用理想条件，不考虑器件实际工作中带隙变窄，并且，掺杂剂电离程度为完全电离，即Nd+＝Nd，Na-＝Na。
所涉及的载流子输运方程即泊松方程为：
Ec＝-(V+χ0),Ev＝-(v+χ0+Eg,0)
其中，ρ为电荷密度，q为电荷量，p为空穴浓度，n为电子浓度，为电离施主浓度，为电离受主浓度，/>为哈密顿算子，Jn、Jp为电子空穴的电流密度，μn、μp分别为电子空穴的迁移率，Ec、Ev分别代表导带底部边缘的能量和价带顶部边缘的能量，Dn、Dp分别代表少子电子和少子空穴扩散系数，Nc、Nv为导带和价带的有效态密度，T代表温度，kB为玻尔兹曼常数，Eg,0为禁带宽度，V为导带处电势，χ0为亲和能，v为价带处电势。
然后为待测模型设定零电荷、绝缘子界面、异质结参数。待测模型的异质结参数为：异质结连续类型设定为不连续，连续性模型为连续准费米能级。
接着为上边界设定的栅源漏区域设置栅源漏参数。漏极电压为2V，源极电压为0V，漏极和源极的接触类型均为理想的欧姆接触。栅极为理想的肖特基接触，栅极为注入HPM信号的端口，栅极的金属功函数设定为4.5V。不考虑额外的电流。栅极上所输入的瞬态稳态电压均采用以下数值模型公式：
其中，γn、γp为泊松比，为本征载流子浓度的平方。
肖特基接触的计算采用数值模型公式：
ΦB＝Φ-χ0
其中，ΦB肖特基势垒高度，为有效理查逊常数，Φ为电势，vs,n、vs,p为电子、空穴的饱和速度，n0、p0为稳态电子、空穴浓度。
热离子参数是指沟道层中的热离子电流及空穴的Richardson系数，热离子电流及空穴的Richardson系数分别为110[A/(K*cm)^2]、90[A/(K*cm)^2]。
接着构建复合模型，其中，复合模型包括电子和空穴的复合、载流子和陷阱的复合、电离中心和载流子的复合。构建时，陷阱辅助复合采用Shockley-Read-Hall模型，电子空穴寿命为10微秒，缺陷和本征水平之间的能量等同。复合数值模型采用如下公式：
其中，ni,eff为本征载流子浓度，ΔEt为复合中心能级与本征费米能级之差，Nc0为导带有效状态密度，Nv0为价带有效状态密度，Ei为本征费米能级，ΔEg禁带宽度变化量，τn、τp为电子、空穴寿命，Rn、Rp为电子、空穴复合率。
接着，对待测模型进行掺杂。为第一层铝镓氮二维电子气来源层添加施主浓度1e20[1/cm^3]，使用掺杂和陷阱密度连续参数；为最后一层氮化镓衬底添加受主杂质，浓度为1e14[1/cm^3]，杂质完全电离。
进一步还需要考虑待测模型的俄歇复合作用，其所涉及到的俄歇复合因子Cn、Cp分别来自于材料，俄歇复合作用所使用的数值模型为：
其中，Cn、Cp为电子空穴复合常数。
通过上述设定，完成半导体物理场的对接。
在完成半导体物理场设定后还需要耦合一固体传热物理场用于模拟器件实际的发热情况。
具体的，设定待测模型的所有区域为固体传热区域，温度离散化条件采用二次拉格朗日单元，选温度T为因变量。
瞬态电压条件下使用的计算传热模型公式为：
其中，dz为厚度，ρ为材料密度，为哈密顿算子，T为温度，t为时间，k为导热系数，q为传导热通量，Cp为恒定应力下的比热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量。
稳态电压条件下的传热模型公式为：
其中，dz为厚度，ρ为材料密度，为哈密顿算子，T为温度，t为时间，k为导热系数，q为传导热通量，Cp为恒定应力下的比热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量。
然后，设定温度初始值、热绝缘面、热源以及热通量参数。
温度初始值设置为293.15K，热绝缘面设定为衬底面，热源为整个器件。
热通量参数包括热通量模型，其数值模型即固体传热数值模型的公式为：
-n·q＝dzq0
q0＝h(Text-T)
其中，n为电子浓度，q为电荷量，q0为对流热通量，Text为外部温度，T为温度，h为传热系数，传热系数h为5E8，外部温度Text定义为293.15K。
最后，对待测模型剖分网格结构。
请参见图3a-图3c，图3a-图3c为本发明实施例提供的三种完成网格剖分后的待测模型的结构示意图，其中，图3a为单栅结构的剖分网格结构，图3b为双栅结构的剖分网格结构，图3c为三栅结构的剖分网格结构。
针对单栅器件或者多栅器件模型，本实施例均采用下述方法进行网格结构的剖分：对所述待测模型的电极区域和异质结区域划分为细化网格，其最大单元大小0.0134，最小单元大小为0.002，最大单元增长率为1.13，曲率因子0.3。狭窄区域分辨率为1。沟道区域划分为常规网格，其最大单元大小0.026，最小单元大小为0.004，最大单元增长率为1.15，曲率因子0.3，狭窄区域分辨率为1。剩余区域划分为自定义大小网格，最大单元大小0.056，最小单元大小为0.006，最大单元增长率为1.2，曲率因子0.4，狭窄区域分辨率为1。同时，针对网格参数作如下设置：自有三角形网格x、y方向缩放几何比例均为1，选择跨移除的控制实体进行平滑，迭代次数为8，要处理的最大单元深度为8采用自动的细分方法。剖分得到的网格结构请参见图3a-图3b。
至此模型构建完成。
S3、根据所述目标模型在求解器中选定所述半导体物理场的接口、所述固体传热物理场的接口以及所述网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台。
具体的，选定半导体及固体传热物理场接口及剖分网格结构，进行稳态、瞬态的设置。求解变量的初始值，不求解的变量值均由物理场控制，在输出中存储物理场设置为全部类型。
稳态求解器进行参数扫描计算，稳态条件包括外加漏极电压、源极电压和直流栅极电压。在一个具体实施例中，源极电压为0，外加漏极电压VD设定为0.01V，对直流栅极电压VG进行扫描，range(2,0.25,3)。
瞬态条件包括外加漏极电压、源极电压、HPM瞬态栅极电压和仿真时间。在一个具体实施例中，外加漏极电压、源极电压与稳态条件下的电压相同。请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种外加瞬态信号示意图，对栅极注入HPM瞬态信号，图4中所注入的HPM波幅值为6V，频率为5G赫兹。瞬态求解器对仿真时间的单位可以设置为纳秒级别，输出时间的范围可以为range(0,0.2,2)，容差由物理场所控制。
需要说明的是，稳态条件和瞬态条件的设定并不限于上述数值，具体可以根据实际需求进行设定。
至此得到搭建好的仿真平台，利用该仿真平台进行计算模拟，得到单栅器件和多栅器件的仿真结果。具体的，在进行计算模拟时，可以先进行单栅器件的建模仿真分析，然后进行双栅、三栅等多栅器件的建模仿真分析，在进行多栅器件的建模仿真时，保证器件材料、结构、物理模型等条件与单栅器件完全一致。
S4、根据所述仿真平台的仿真结果分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
具体的，根据仿真结果横向对比栅极个数所带来的差异化影响，对研究对象的工作情况进行分析，通过观测其内部不同时刻电场大小及分布、电势大小及分布、电子浓度大小及分布、空穴浓度大小及分布、发热情况，得到器件在辐照条件下损伤的区域。
本实施例的研究方法通过建立待测模型并对待测模型进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场，考虑到了不同栅极之间的相互作用以及多物理场的耦合情况，从而可以分析实际的多栅指芯片在受到辐照干扰条件下的工作情况，对于潜在损伤区域如高热源处、高电势处、高电势处能够有效预测并进行可靠性加固，仿真模型更加接近实际情况，仿真结果准确性高。
本实施例的研究方法采用有限元建模分析方法，根据器件的实际模型，利用仿真软件构造单一器件模型，对其电极端进行注入高功率微波信号，观测器件的内部参数变化及分布情况，从而明确器件的工作状况，对于潜在损伤区域，如高热源处、高载流子浓度处、高电势处能够有效预测并进行可靠性加固。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例通过建模仿真分析热源分布情况以研究器件的热损伤情况。具体包括步骤：
S1、根据实际芯片电路中前端高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型。
S2、对所述待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型。
S3、根据所述目标模型在求解器中选定所述半导体物理场的接口、所述固体传热物理场的接口以及所述网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台。
步骤S1～S3的具体实施方式请参见实施例一，本实施例不再赘述。
具体的，利用仿真平台进行计算模拟时，漏端电压为0.01V，源端电压为0V；栅极电压注入HPM信号，HPM波幅值为6V，频率为5G赫兹；仿真时长2纳秒，步长设置为0.2。
具体的，在研究器件的热损伤情况时，半导体模型的边界即为与外界进行热量交换的临界面，模型底部模拟接触的是大地，传热系数为130。侧面边界的接触为空气，传热系数为5E8，类型为非固体。
经过长时间的计算模拟，得到仿真结果。
S4、根据所述仿真平台的仿真结果分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
本实施例中，通过仿真结果中的发热情况即热源分布情况来分析前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
请参见图5a-图5c，图5a-图5c为本发明实施例提供的一种温度等值线分布情况示意图，其中，图5a为单栅器件，图5b为双栅器件，图5c为三栅器件。通过与待测模型的结构图对比发现，热点集中在电极下方区域。根据仿真结果可以看出，在除电极外其他条件完全一致的情况下，单栅器件的发热量与双栅器件相比有着明显的差异，相差接近40度，由此看来单栅理论模型的仿真热分析对于实际工作的多栅器件并不能很好的吻合，因此仿真结果不是非常可靠，而本实施例考虑到了不同栅极之间的相互作用以及多物理场的耦合情况，从而可以分析实际的多栅指芯片在受到辐照干扰条件下的工作情况。此外对比三栅器件，由于电极增加所带来的温升效应可以通过增大器件尺寸得到很好的解决。
请参见图6a-图6c，图6a-图6c为本发明实施例提供的一种热分布情况示意图，其中，图6a为单栅器件，图6b为双栅器件，图6c为三栅器件。由图中可以得出，热源集中在两个相邻电极的沟道区域附近，具体热源数量也与电极个数息息相关，其中单栅器件有两个热源区域，双栅区域四个热源区域，三栅器件有六个热源区域。单栅器件高温区与低温区的过渡很平缓，几乎看不到边缘的轮廓感；双栅器件的温度梯度比单栅要大，轮廓较为明显；三栅器件轮廓最为明显，由热源中心至外温度梯度最大。
请参见图7a-图7c，图7a-图7c为本发明实施例提供的一种器件温升情况示意图，其中，图7a为单栅器件，图7b为双栅器件，图7c为三栅器件。由图中可以得出，1ns时间间隔内器件的温升情况与注入信号相联系，HPM信号正半周期器件温度上升，在后半周期器件温度有略微的下降，一个周期内热量耗散小于热量的积聚导致器件整体温度的升高。随着栅极数量的递增温度变化梯度逐步增大，单栅器件的温度变化梯度最小，三栅器件的温度变化梯度最大。栅双栅器件尺寸一致的情况下，双栅器件的温度要比单栅高；这一点很容易理解，单栅器件有两个热源中心，分布在栅的两侧，双栅器件四个热源中心，在尺寸一定的情况下发热情况肯定要比双栅器件明显。而三栅器件的热源中心虽然最多，考虑到其尺寸较大，与外界接触面积较大，热扩散能力最强，虽然发热严重但是散热能力强，温度并没有比单栅器件大幅提高。热源区域即为器件的潜在损伤区域，在器件的生产制作过程中要特别注意并进行可靠性加固可提高器件工作的抗逆性。
实施例三
在实施例一的基础上，本实施例通过建模仿真分析载流子及电势分布情况以研究器件的热损伤情况。具体包括步骤：
S1、根据实际芯片电路中前端高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型。
S2、对所述待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型。
S3、根据所述目标模型在求解器中选定所述半导体物理场的接口、所述固体传热物理场的接口以及所述网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台，利用该仿真平台进行计算模拟。
步骤S1～S3的具体实施方式请参见实施例一，本实施例不再赘述。
具体的，利用仿真平台进行计算模拟时，外加漏端电压为0.01V，源端电压为0V；栅极电压注入HPM信号，HPM信号为幅值6V、频率为5GHz的正弦脉冲；研究时间段为5个时钟周期，仿真时长为2纳秒，步长设置为0.2。
经过长时间的计算模拟，得到仿真结果。
S4、根据所述仿真平台的仿真结果分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
本实施例经过仿真各个时间段器件内部各参数的变化图，截取部分特殊值点，进行比对分析电子浓度及电势的分布情况，从而分析前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
请参见图8a-图8c，图8a-图8c为本发明实施例提供的一种载流子分布情况示意图，其中，图8a为单栅器件，图8b为双栅器件，图8c为三栅器件。由图中可以得出，在0.1ns时刻，注入脉冲信号值达到最大，此时刻三种器件电子分布并无明显差别，浓度极值均为同一数量级，浓度极值区域均分布在栅极下方的沟道层中，原因在于该脉冲频率较高，从二维电子气来源层出发的电子还没来得及大部分进入到沟道层中，大量电子在隔离层中积累起来；在二维电子气来源层中，栅极下方的区域电子浓度更高。与稳态条件所不同的是，瞬态条件下隔离层中电子浓度也可以达到很高的浓度。
请参见图9a-图9c，图9a-图9c为本发明实施例提供的一种电势分布情况示意图，其中，图9a为单栅器件，图9b为双栅器件，图9c为三栅器件。由图中可以得出，电势的分布和载流子的分布没有严格的依赖关系，和栅压的关联更为直接。每个器件在电极下方都会出现高电势点，呈离散圆形放射状分布，上边界紧邻铝镓氮以及氮化镓异质结交界面，这与不同材料之间所形成的异质结参数有关。
通过分析载流子及电势的分布情况，为实际工作的前端高电子迁移率半导体器件的载流子浓度及分布以及可靠性加固起到理论指导作用；高载流子浓度区域边界往往会有较大电场，且会出现局部的高电势点，导致电势梯度升高，容易造成击穿，即为器件的潜在损伤区域，在器件的生产制作过程中要特别注意并进行可靠性加固可提高器件工作的抗逆性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据实际芯片电路中前端高电子迁移率半导体器件的参数进行几何建模，得到待测模型；
S2、对所述待测模型依次进行对接半导体物理场、耦合固体传热物理场、剖分网格结构，得到目标模型；
对接半导体物理场，包括：设定初始温度、相对介电常数、带隙、电子亲和性、导带价带的有效态密度、迁移率模型、掺杂剂电离程度、载流子输运方程、绝缘子界面、异质结参数、栅源漏参数、热离子参数、复合模型、掺杂条件以及俄歇复合作用模型；
耦合固体传热物理场，包括：设定固体传热区域、温度离散化条件、瞬态条件下的传热模型、稳态条件下的传热模型、温度初始值、热绝缘面、热源以及热通量参数；所述瞬态条件下的传热模型为：
其中，dz为厚度，ρ为材料密度，为哈密顿算子，T为温度，t为时间，k为导热系数，q为传导热通量，Cp为恒定应力下的比热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量；
所述稳态条件下的传热模型为：
其中，dz为厚度，ρ为材料密度，为哈密顿算子，T为温度，t为时间，k为导热系数，q为传导热通量，Cp为恒定应力下的比热熔，Q为热源，q0为初始时刻条件下的比热容，Qted为热弹性阻尼，u为平移运动的速度矢量；
剖分网格结构，包括：对所述待测模型的电极区域和异质结区域划分为细化网格，沟道区域划分为常规网格，剩余区域划分为自定义大小网格；
S3、根据所述目标模型在求解器中选定所述半导体物理场的接口、所述固体传热物理场的接口以及所述网格结构，并进行稳态条件和瞬态条件的设置，得到搭建好的仿真平台；
S4、根据所述仿真平台的仿真结果分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
2.根据权利要求1所述的基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，其特征在于，所述前端高电子迁移率半导体器件包括单栅器件或多栅器件。
3.根据权利要求1所述的基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的尺寸参数和结构参数构建器件的衬底、沟道层、隔离层、二维电子气来源层、栅极、源极和漏极，得到几何模型；
S12、根据所述前端高电子迁移率半导体器件的材料参数为所述几何模型添加材料属性，得到所述待测模型。
4.根据权利要求1所述的基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，其特征在于，所述稳态条件包括外加漏极电压、源极电压和直流栅极电压；所述瞬态条件包括所述外加漏极电压、所述源极电压和HPM瞬态栅极电压及仿真时间。
5.根据权利要求1所述的基于仿真分析的前端半导体器件辐照可靠性研究方法，其特征在于，步骤S4包括：
根据所述仿真结果中的热源分布情况、载流子分布情况、电势分布情况中的一种或多种分析所述前端高电子迁移率半导体器件的潜在损伤区。
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