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栅极导电层Au迁移导致放大器失效原因分析

2013-07-23 10:29
汉水狂客
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  针对限幅低噪声放大器使用过程中出现输出不稳定现象,利用扫描电镜和能谱仪对场效应管栅极表面的金属缺失层和栅源之间的金属堆积物进行微观分析,寻找放大器工作不正常的原因。结果表明:场效应管栅极Au层的电迁移,使导线局部电阻增大,温度升高,导致Au 的热迁移加重,引起导线出现孔洞和栅源中间堆积金属颗粒,使栅极导线出现开路和栅源极间产生不稳定接触,最终导致场效应管的工作参数漂移和放大器工作不正常。

  电迁移是导电金属材料在通过高密度电流时,金属原子沿着电流运动方向(电子风)进行迁移和质量可控的扩散现象,它与金属材料的电流密度和温度数值密切相关。当凸点及其界面处的局部电流密度超过电迁移门槛值时,高速运动的电子流形成的电子风与金属原子发生剧烈碰撞,进行部分的冲量交换,迫使原子沿着电子流方向运动,从而发生凸点互连的电迁移。通常电迁移能在阴极造成金属原子的流失而产生微空洞,使互连面积减小导致断路,在阳极造成金属原子的堆积而形成凸起的“小丘”,导致短路,从而引起IC及元器件失效。电迁移是引起IC及电子产品失效的一种重要机制。因此,有必要针对Au的电迁移特性进行研究,明确Au电迁移对电路的影响。

  某限幅低噪声放大器在交付用户使用一段时间后出现输出不稳定现象,在确认失效样品电参数后,开封检查观察到内部没有短路、断路现象或明显的缺陷区。由于放大管中主要功能元件是两级砷化镓金属半导体场效应晶体管(MESFET),采用新的同型号的MESFET 将其置换后,功能恢复正常。根据以上检测排除,最终锁定场效应管失效。

  笔者借助扫描电子显微镜和X 射线能谱仪对该MESFET中的异常导电层不同微区进行了微观分析,找出了产生此问题的原因。

  1 实验

  实验仪器为日本JEOL 公司生产的JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM),配有美国EDAX 公司生产的Genesis2000XMS 型X 射线能谱仪(EDS)附件。

  实验样品为失效的GaAs-MESFET,图1 为其结构图,衬底材料是具有高电阻率的本征砷化镓,在沟道上制作栅极金属,与n型半导体之间形成肖特基势垒接触,源极和漏极金属与n+ 型半导体之间形成欧姆接触。该MESFET采用n+-GaAs-Au欧姆接触系形成源漏接触电阻和Al-W-Au的砷化镓肖特基势垒接触系统。

栅极导电层Au迁移导致放大器失效原因分析

  2 结果与讨论

  2.1 Au 导电层的微观形貌和成分对比分析

  对失效场效应管进行SEM 观察,结果见图2.由图2(b)可知,正常导电层(区域A)完好,场效应管栅极表面(区域B)存在明显的金属层缺失(孔洞),栅源两极之间(C 区域)可见金属颗粒堆积(小丘)。

栅极导电层Au迁移导致放大器失效原因分析

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