李嘉樂

（吉林大學(xué)，長春 130000）

引言

以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體具有更大的禁帶寬度和擊穿電場(chǎng)，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[1,2]。1993年M. Asif Khan等人研制出了第一只基于GaN材料的HEMT器件[3]，GaN基HEMT器件以其高擊穿電場(chǎng)、高電子速度和濃度、便于集成等優(yōu)勢(shì)，成為國際上射頻器、功率器、放大器等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。GaN可以承受高溫，適用于制備在高擊穿電場(chǎng)和高工作電壓下工作的功率器件。雷達(dá)等設(shè)備在工作中面臨復(fù)雜的電、射頻、熱和機(jī)械應(yīng)力環(huán)境，其中的GaN器件可能出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。為保證設(shè)備正常工作，其中的功率器件須具有極高的可靠性[4,5]。在雷電頻發(fā)季節(jié)，電網(wǎng)環(huán)境不夠穩(wěn)定，在雷雨中工作的功率器件可能面臨電網(wǎng)紋波、浪涌以及開關(guān)過沖等異常工作狀態(tài)[6]。而且，長期使用的設(shè)備會(huì)出現(xiàn)電源線路老化、接觸電阻升高等問題，也會(huì)引起功率器件失配等問題。GaN功率器件由于自身的熱電子效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)，其可靠性本就受到電應(yīng)力的影響，電參數(shù)不穩(wěn)定還可以使器件出現(xiàn)自激、電壓過沖、偏置異常、電壓拉偏等異常工作點(diǎn)，影響器件的可靠性。因此，對(duì)于GaN功率器件在異常工作狀態(tài)下的可靠性試驗(yàn)很有必要。本文對(duì)某型號(hào)GaN功率管進(jìn)行了電壓拉偏、耐電壓過沖、抗失配能力試驗(yàn)，探究了其在異常工作狀態(tài)下的可靠性。其結(jié)果對(duì)于同類型GaN器件在異常工作狀態(tài)下的抗干擾可靠性分析有借鑒意義。

1 試驗(yàn)對(duì)象

本文的試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)GaN基HEMT器件。該器件具有典型的GaN功率器件的特點(diǎn)，因此，對(duì)于該器件的可靠性分析可有效反映此類器件的可靠性。

2 試驗(yàn)方法和條件

對(duì)該器件進(jìn)行了以下3種試驗(yàn)。

2.1 電壓拉偏試驗(yàn)

挑選出滿足指標(biāo)要求的被測(cè)器件后，將被測(cè)器件按照如下方式加電：漏極調(diào)制信號(hào)嵌套射頻調(diào)制信號(hào)，其中射頻信號(hào)脈寬300 us，占空比20 %。漏極電壓Vds從35 V工作電壓開始，保持電壓不變，輸入功率Pin從30 dBm開始，以1 dBm逐步增加，直至輸出功率Pout達(dá)到飽和狀態(tài)。在每個(gè)功率點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行2 min，測(cè)試被測(cè)器件的柵流、輸出功率Pout、增益、功率附加效率、輸出功率密度。完成后以5 V為步進(jìn)，逐步增大漏極電壓Vds。

試驗(yàn)樣品數(shù)量共有3只，編號(hào)為1#、2#、3#，試驗(yàn)原理框圖如圖1所示。

圖1 電壓拉偏試驗(yàn)原理框圖

2.2 耐電壓過沖能力試驗(yàn)

將備選被測(cè)器件進(jìn)行紅外熱測(cè)試篩選，選擇管芯熱特性接近或一致的被測(cè)器件試驗(yàn)。

將被測(cè)器件按照如下條件加電：漏極調(diào)制信號(hào)嵌套射頻調(diào)制信號(hào)，射頻信號(hào)脈寬30 us，占空比1 %。漏極電壓Vds從40 V開始，以10 V為步進(jìn)，逐步增大。在每個(gè)Vds狀態(tài)下，維持Vds和匹配點(diǎn)不變，對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行掃描測(cè)試，將輸入功率從額定輸入值掃描到增益6 dB壓縮點(diǎn)，工作30 min，若被測(cè)器件無異常現(xiàn)象，則認(rèn)為在該電壓點(diǎn)正常。增加Vds，直至被測(cè)器件燒毀。

試驗(yàn)樣品數(shù)量3只，將編號(hào)為4#、5#、6#，試驗(yàn)原理框圖與電壓拉偏試驗(yàn)相同，如圖2所示。

圖2 抗失配能力試驗(yàn)原理框圖

2.3 抗失配能力試驗(yàn)

挑選滿足指標(biāo)要求的被測(cè)器件試驗(yàn)，當(dāng)被測(cè)器件在典型工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)電壓駐波比至3∶1，在360 °范圍內(nèi)選出30個(gè)相位點(diǎn)，并在每個(gè)頻點(diǎn)下使被測(cè)件工作5 min，觀察其雜波抑制情況。

去除測(cè)試系統(tǒng)的阻抗調(diào)節(jié)器，將被測(cè)器件接入測(cè)試系統(tǒng)并加電，設(shè)置被測(cè)器件至典型工作狀態(tài)。按規(guī)定的頻點(diǎn)設(shè)置規(guī)定的輸入功率，測(cè)試輸出功率Pout1。將阻抗調(diào)節(jié)器接入測(cè)試系統(tǒng)，將被測(cè)器件接入測(cè)試系統(tǒng)并加電，設(shè)置被測(cè)器件至典型工作狀態(tài)，依次調(diào)節(jié)電壓駐波比至5:1和10:1，在360 °范圍內(nèi)選取30個(gè)相位點(diǎn)，并在每個(gè)頻點(diǎn)下使被測(cè)件工作5 min，完成后去除阻抗調(diào)節(jié)器，對(duì)被測(cè)件按規(guī)定的頻點(diǎn)設(shè)置規(guī)定的輸入功率，測(cè)試輸出功率Pout2。

試驗(yàn)樣品數(shù)量3只，將其編號(hào)為7#、8#、9#，試驗(yàn)如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電壓拉偏試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)1#樣品，試驗(yàn)結(jié)果見表1。器件在35 V漏極電壓正常工作條件下，各項(xiàng)參數(shù)均滿足器件指標(biāo)要求，提升至70 V漏極電壓后，器件工作正常，輸出功率和增益均有小幅下降，效率下降至接近原來一半左右，可以看到，電壓拉偏能力在 70 V 及以上，為正常工作電壓的2倍。

表1 電壓拉偏試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)1#被測(cè)器件，試驗(yàn)過程中的典型的參數(shù)如柵流、輸出功率、增益、功率附加效率、輸出功率密度等隨輸入功率的變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑬帕髟谳斎牍β蔬_(dá)41 dBm之前基本不變，在輸入功率41 dBm之后急速反偏；增益隨輸入功率的增大而減小，在輸入功率達(dá)41 dBm之后加速減??；功率附加效率和功率密度隨輸入功率增大而增大，在輸入功率達(dá)41 dBm左右飽和。且隨著漏極電壓的升高，柵流和功率附加效率減小，輸出功率、增益和輸出功率密度增大。

圖3 功率變化圖

圖3

3.2 耐電壓過沖能力試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥吹?，被測(cè)器件耐電壓過沖能力在80 V及以上，為正常工作電壓的2倍。燒毀的被測(cè)器件如圖4所示，被測(cè)器件耐電壓過沖能力試驗(yàn)燒毀的位置為中間的兩個(gè)管芯，其中漏極損壞情況嚴(yán)重，邊緣的兩個(gè)管芯受影響不大。

圖4 耐電壓過沖能力試驗(yàn)燒毀局部圖

表2 耐電壓過沖能力試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)4#被測(cè)器件，試驗(yàn)過程中的典型的參數(shù)如柵流、輸出功率、增益、功率附加效率、輸出功率密度等隨輸入功率的變化如圖5所示。柵流在輸入功率41 dBm之前基本不變，在之后急速減小；輸出功率、功率附加效率、輸出功率密度隨輸入功率增大而增大，在41 dBm左右飽和；增益隨輸入功率增大而減小。

圖5

圖5

3.3 抗失配能力試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果見表3及表4。被測(cè)器件在3:1抗失配工作條件下，每個(gè)相位點(diǎn)的雜波抑制度均能夠達(dá)到-63 dBc；在5:1和10:1抗失配工作條件下，試驗(yàn)過程中被測(cè)器件均未發(fā)生燒毀，功率變化量均ΔP小于1 dB。

表3 3:1抗失配能力試驗(yàn)結(jié)果

表4 5:1及10:1抗失配能力試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)GaN功率器件異常工作狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)，分別為電壓拉偏試驗(yàn)、耐電壓過沖能力試驗(yàn)和抗失配能力試驗(yàn)。本文的工作分析了該器件在三種工作狀態(tài)下的工作特性，并給出其失效條件。該器件的電壓拉偏能力和耐電壓過沖能力都在正常工作電壓的兩倍以上，當(dāng)漏極電壓達(dá)到正常工作電壓的近兩倍時(shí)，器件工作正常，輸出功率和增益均有小幅下降，效率下降至接近原來一半左右；在5:1和10:1抗失配工作條件下，被測(cè)器件在試驗(yàn)過程中均未發(fā)生燒毀，功率變化量均小于1dB。本文的工作對(duì)于同種類的GaN功率器件的異常工作狀態(tài)可靠性分析具有借鑒意義。