陳志勇

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

微波器件作為微波通信設(shè)備的重要部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上影響著通信質(zhì)量，其可靠性研究和設(shè)計也越來越受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)在微波毫米波單片電路工作中有源器件失效起主導(dǎo)作用，因此研究有源器件的平均失效前壽命相當(dāng)有針對性。通過對MMIC中有源器件的MTTF研究，希望從中找出影響其失效時間的主導(dǎo)因素，從而能從工藝方面指導(dǎo)提高器件和電路的工作壽命。由于GaAs PHEMT管高電子遷移率，以及其在高頻的優(yōu)越性能和高功率的特點，使其應(yīng)用越來越廣泛，對于PHEMT的研究也備受重視。由于PHEMT管的各項參數(shù)比普通的MESFET更加敏感，工作條件下的性能退化受各種電應(yīng)力的影響更顯著，這些退化均會對器件的失效時間產(chǎn)生影響，研究PHEMT管的失效機理和時間顯得越來越迫切，尤其對單片中的集成管芯研究更是迫在眉睫。目前大部分對MMIC的老化都是在直流條件下，但是如果要做微波參數(shù)的相關(guān)評價，單用管芯是不夠的，因此設(shè)計了一塊單級功耗可調(diào)的功率放大器，保證有效地輸入微波信號以及防止震蕩，單級是為了保證失效部位集中便于分析，功耗可調(diào)是為了方便壽命加速試驗應(yīng)力恒定而設(shè)計。本文在可靠性方面暫時只做直流壽命的評價。

2 砷化鎵0.25μm PHEMT及MMIC技術(shù)

圖1是PHEMT的結(jié)構(gòu)示意圖，具體制作方法為：首先在半絕緣襯底上用MBE或MOCVD生長GaAs層500nm，用作緩沖層，然后在其上生長一層不摻雜的InGaAs層作為器件的溝道，接著生長一層不摻雜的AlGaAs層，厚度約為4nm左右，作為阻擋層，在其上再生長一層n-AlGaAs層，用Si摻雜1×1018/cm3，厚度為30nm，最后生長Si摻雜濃度在3×1018/cm3的n-GaAs層40nm。在n-GaAs層上挖槽直到n-AlGaAs層，在槽上制作0.25μm的T型柵，用AlTi/Au材料。然后蒸發(fā)AlGe/Au形成源漏歐姆電極。為改善歐姆接觸的質(zhì)量，歐姆電極做在n-GaAs層上，而不做在n-AlGaAs層上[2]。

圖1 GaAs PHEMT結(jié)構(gòu)示意圖[1]

有源層（N型GaAs摻雜工藝）形成包括外延沉積和離子注入兩種方式，介質(zhì)層一般用等離子體沉積，歐姆接觸是蒸發(fā)的，TaN電阻是濺射形成的，連接線是先蒸發(fā)再電鍍的，平板印刷用在柵極形成，還大量應(yīng)用了金屬剝離工藝。

3 單級功率放大器設(shè)計

本文采用的模型為PPH25X功率管模型，管芯為80μm 10根，共0.8mm，采用4只管芯并聯(lián)成3.2mm管芯，其中各管芯源端通過接地孔接地，各柵極和漏極分別通過微帶線相連，如圖2所示，由于工藝需要，在各管芯漏與漏之間加了5Ω的摻雜注入電阻。

圖3所示為該PHEMT管合適的小信號等效電路。這里外部元件Rg、Lg、Rd、Rs和Ls是柵極、源、漏極的體和歐姆電阻、引線電感。Cgp和Cdp是柵源焊盤電容。電容Cdsd和電阻Rdsd模擬由于器件溝道的捕獲效應(yīng)引起的MESFET和HEMT管I-V特性的色散，它會引起在高頻時直流測量和S參數(shù)測量之間的偏移。溝道充電電阻Rgs，反饋柵漏電容Cgd，輸出電導(dǎo)Gds，漏源電容Cds和跨導(dǎo)gm描述管芯本征模型。柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd代表電荷耗盡區(qū)，是非線性函數(shù)。

圖2 并聯(lián)管芯示意圖

圖3 PHMET管芯小信號模型[4]

而大信號模型的各項參數(shù)是采用實際load-pull負(fù)載牽引得出的值，已經(jīng)包含在模型之中，做電路設(shè)計時只需要對模型做負(fù)載牽引仿真就可以得出最佳負(fù)載阻抗值。為了方便后面可靠性的研究，結(jié)合現(xiàn)有的實驗條件和X波段的用途，特意設(shè)定了以下設(shè)計目標(biāo)：工作頻率為8.5GHz～10.5GHz，輸入功率24.8dBm，輸出功率大于32.5dBm，輸入駐波VSWR≤2.0，線性增益8dB。這里設(shè)計單級功放的主要流程為偏置以及穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)三部分的實現(xiàn)：首先，對并聯(lián)管芯做直流參數(shù)的掃描，確定其靜態(tài)工作點為Vds=8V，Vgs=-0.5V，Ids=0.35mA，然后給予管芯如圖4、圖5的偏置網(wǎng)絡(luò)。

圖4 柵偏置點網(wǎng)絡(luò)

圖5 源偏置點網(wǎng)絡(luò)

圖中電感和電容主要防止微波信號進(jìn)入直流電源，各電壓設(shè)置成靜態(tài)工作點的電壓即可。將該偏置網(wǎng)絡(luò)加在管芯上仿真，發(fā)現(xiàn)電路k1不穩(wěn)定，但不穩(wěn)定區(qū)域主要在低頻端，所以在柵與輸入匹配之間加入了一個電阻與電感的并聯(lián)，提高電路的穩(wěn)定性，得到的電路圖如圖6所示，為了仿真順利進(jìn)行，有必要在momentum里設(shè)置工藝參數(shù)為：介質(zhì)層lay1（砷化鎵介質(zhì)）：80μm，εr=12.9；lay2：0.3μm，εr=6.8；lay3（電容介質(zhì)）：0.22μm，εr=6.8；互聯(lián)層：lay2與lay3之間diel為1.2μm，電阻率為20mΩ/□，bond層為TaN，厚度0.1μm，電阻率為25Ω/□，lay3和lay4之間為微帶線層，厚度3.3μm，電阻率為金的電阻率，取8mΩ/□。Lay3上有通孔作為接地連接。以上參數(shù)設(shè)置完成，做聯(lián)合仿真就可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖6 加穩(wěn)定和偏置網(wǎng)絡(luò)的電路圖

為了讓功率管得到最大輸出功率，在ADS里面調(diào)用load-pull仿真模型，對電路圖做負(fù)載牽引，得到最大功率輸出阻抗點6.725+j×0.931。在smith原圖里面將該阻抗匹配到50Ω，如圖7所示。圖8即為根據(jù)smith圓得到的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在得到輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以后將匹配網(wǎng)絡(luò)加到圖6的電路圖中，按照上面的方式進(jìn)行源匹配，找到的最大功率的源阻抗為2.91+j×9.074。依然在smith圓中進(jìn)行匹配，得到匹配網(wǎng)絡(luò)如圖9。最后將整體電路替換成實際版圖，然后進(jìn)行版圖聯(lián)合momentum仿真，版圖和仿真結(jié)果如圖10。由仿真結(jié)果可以看出在0～20GHz范圍內(nèi)穩(wěn)定因子均大于1，圖11是所希望的頻段8.5GHz～10.5GHz范圍內(nèi)的穩(wěn)定因子，可以看出該電路在該頻段內(nèi)穩(wěn)定。

圖7 Smith圓圖匹配示意圖

圖12所示為電路的輸入輸出駐波，上面一條曲線為輸入駐波，下面一條為輸出駐波，可以看出駐波在中頻范圍均小于2，設(shè)計比較合理。圖13、圖14為該電路的小信號增益和在輸入為24dBm情況下的輸出功率，輸出功率大于2W，小信號增益在8dB左右。

圖8 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

圖9 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

圖10 完整的電路版圖

圖11 穩(wěn)定性仿真結(jié)果

圖12 輸入輸出駐波

圖13 小信號仿真結(jié)果

圖14 功率仿真結(jié)果

經(jīng)過流片最后得到的電路圖照片和測試結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 電路顯微圖

圖16 輸出功率測試結(jié)果

圖17 小信號增益測試結(jié)果

圖18 駐波測試結(jié)果

由以上兩個測試結(jié)果可以看出小信號增益在9.5GHz附近大約為7.5左右，雖然與仿真測試結(jié)果相差近1dB，但是從右邊功率掃描可看出在9.5GHz左右輸出功率32.83dBm，在2W左右，這是滿足可靠性試驗的。圖18則是輸入輸出駐波的測試結(jié)果，其中S11在需要的頻段小于2.5，輸出駐波基本在1.1以下，結(jié)果也是可以接受的。

4 壽命加速實驗的理論依據(jù)

壽命與溫度關(guān)系的阿列尼烏斯模型是化學(xué)家阿列尼烏斯在分析了大量的化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，它能夠有效地反映在化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系。阿列尼烏斯模型的具體表達(dá)式如下：

材料、元器件的微量化學(xué)物理變化，將引起產(chǎn)品特性參數(shù)的退化，當(dāng)其特性參量退化到某一臨界值時，產(chǎn)品就可能產(chǎn)生失效，而退化所經(jīng)歷的時間就是產(chǎn)品的壽命。實踐證明，壽命與溫度T之間的關(guān)系式符合阿列尼烏斯模型，可以將阿列尼烏斯模型進(jìn)行如下的變換：

由此可見產(chǎn)品壽命t的對數(shù)值與試驗溫度T的倒數(shù)成正比例關(guān)系，這在后面求MTTF時將會用到。

5 壽命加速實驗及結(jié)果分析

摸底試驗可以找出最高溫度點在260℃～280℃之間。為了保證加速曲線的準(zhǔn)確性，初步設(shè)定平臺溫度為150℃、170℃、190℃三個溫度點。失效判定標(biāo)準(zhǔn)為源漏電流降低30%。實際操作時，我們采用自己設(shè)計的控制電路板卡加電，好處是可以控制ids，保持電流的恒定，也就是功耗的恒定。最終我們得出三個溫度下的中位壽命分別為24h、103h和410h，可以大致畫出壽命加速曲線如圖19所示。

其中縱坐標(biāo)為時間的對數(shù)，橫坐標(biāo)為1 000/T，T為絕對溫度值。經(jīng)過外推可以得出溝道溫度在125℃時的中位失效時間為1.32×107h。

圖19 壽命加速曲線

6 總結(jié)

本文微波單片單級放大器的設(shè)計過程中測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差別，事后分析主要有三個方面的原因：（1）本單級放大器最終是為了作為評價可靠性的一個載體，勢必對柵間距做了一些改動，使器件的模型不完全準(zhǔn)確；（2）做設(shè)計時使用的工藝參數(shù)不夠準(zhǔn)確；（3）工藝線上工藝參數(shù)的不穩(wěn)定性。綜合這幾方面的因素導(dǎo)致設(shè)計沒有完全符合仿真，但是用于評估可靠性的應(yīng)用足夠。

[1]王義，李拂曉，唐世，等.8.5GHz～10.5GHz GaAs準(zhǔn)單片功率放大器[J].電子與封裝, 2007, 7（10）：29-32.

[2]謝永桂.超高速化合物半導(dǎo)體器件[M].宇航出版社，1998.301-302.

[3]羅小勇.PHEMT MMIC寬帶單片功率放大器設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué), 2005.

[4]格列別尼科夫.射頻與微波功率放大器設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.58-59.

[5]羅雯，魏建中，陽輝.電子元器件可靠性試驗工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.15-16.