陳偉偉,陳 熾,羅 聃,夏維娟,胡 寬,殷 康,楊 飛

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

近年來,隨著低軌互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起,衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。傳統(tǒng)的行波管放大器(traveling wave tube amplifier,TWTA)因受體積大、成本高以及高壓工作帶來的可靠性問題等諸多因素限制[1],已難以適應(yīng)衛(wèi)星技術(shù)的快速進(jìn)步。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、器件技術(shù)以及功率合成技術(shù)的快速發(fā)展,固態(tài)功率放大器(solid state power amplifier,SSPA)在體積、重量以及成本等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。此外,固態(tài)功率放大器可以采用高集成的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),非常適用于新一代衛(wèi)星的研制[2]。根據(jù)國內(nèi)外報(bào)道,目前在Q波段以下的固態(tài)功率放大器已逐步替代行波管放大器實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用[3-4]。

固態(tài)功率放大器通常采用砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)微波功率器件或GaN微波功率器件作為核心功率放大單元。GaN微波功率器件因具有高擊穿電壓、高載流子密度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢,非常適用于高頻、大功率應(yīng)用,成為近年來的國際研究熱點(diǎn)[5-6]。有專家預(yù)測,在產(chǎn)品外形尺寸相同的情況下,采用GaN技術(shù)研制的Q/V頻段固態(tài)功率放大器與傳統(tǒng)的GaAs技術(shù)相比,功率將提升3倍,整機(jī)效率提升1倍[7]。然而,氮化鎵微波功率器件屬于新興技術(shù),缺乏充分的在軌驗(yàn)證,其可靠性問題是目前制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一[8]。此外,氮化鎵器件高功率密度、高工作電壓的優(yōu)勢也為其帶來高熱流密度、高場退化等諸多可靠性問題,相關(guān)的器件退化機(jī)理與傳統(tǒng)的砷化鎵器件存在較大差異。因此,研究氮化鎵微波功率器件的失效機(jī)理以及氮化鎵固態(tài)功率放大器的高可靠設(shè)計(jì)方法,對于氮化鎵固放的工程應(yīng)用,尤其是對于可靠性要求極高的宇航應(yīng)用具有重要意義。

1 氮化鎵器件可靠性問題

根據(jù)調(diào)研,目前影響氮化鎵微波功率器件可靠性的因素大體可以分為3類:一是溝道電子在高場、高溫的雙重作用下獲得能量變成“熱載流子”,向器件緩沖層、勢壘層及器件表面填充,同時(shí)引發(fā)新的晶格缺陷,從而導(dǎo)致器件飽和輸出電流的降低[9];二是氮化鎵器件柵極邊緣的峰值電場誘發(fā)勢壘層材料形變,產(chǎn)生“逆壓電極化效應(yīng)”,從而引起器件泄漏電流的增大,甚至引發(fā)柵控失效[10-11];三是氮化鎵器件長期高溫大功率工作引起的歐姆接觸以及肖特基接觸的退化、金屬電極與材料的相互擴(kuò)散以及表面鈍化介質(zhì)的退化等,帶來器件性能的下降[12-13]。針對宇航應(yīng)用,首先為了節(jié)省衛(wèi)星能耗,氮化鎵器件通常工作在高壓、深飽和狀態(tài)下,因此高場退化是影響器件可靠性的重要因素;其次,由于空間真空環(huán)境下氮化鎵固放散熱較為困難,導(dǎo)致器件工作結(jié)溫較高,熱退化將直接影響器件的在軌壽命。因此,本文主要介紹我們關(guān)于氮化鎵器件高場退化以及熱退化方面的研究結(jié)果。

1.1 高場退化效應(yīng)

GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor,HEMT)利用AlGaN勢壘層和GaN緩沖層的晶格失配,產(chǎn)生“壓電極化效應(yīng)”,從而在AlGaN/GaN界面處產(chǎn)生二維電子氣。由于材料界面的晶格拉伸作用,AlGaN勢壘層本身就儲存有較大的彈性能,當(dāng)對器件施加偏置電壓時(shí),柵極邊緣的電場會引發(fā)新的彈性能并疊加在原來的彈性能之上。如果AlGaN勢壘層中的總彈性能超過材料的承受極限,就會引發(fā)晶格斷裂以釋放應(yīng)力,稱為“逆壓電極化效應(yīng)”[14]。為了排除熱效應(yīng)的影響,“逆壓電極化效應(yīng)”的研究通常在關(guān)態(tài)條件下進(jìn)行研究。圖1(a)給出了利用Silvaco公司的ATLAS軟件模擬得到的氮化鎵器件在關(guān)斷條件下勢壘材料中的電勢分布。從圖中可以看出,在器件柵極兩側(cè)邊緣,等電勢線分布最為密集,說明此處電場強(qiáng)度最大。當(dāng)器件的工作電壓超過器件承受極限時(shí),會首先在柵極邊緣下方的勢壘層中產(chǎn)生晶格斷裂并引發(fā)晶格缺陷,如圖1(b)所示,從而引發(fā)柵極泄漏電流的增大。

圖1 逆壓電極化效應(yīng)引起GaN器件退化的物理機(jī)制

在理論分析的基礎(chǔ)上,為了深入研究“逆壓電極化效應(yīng)”引起器件退化的物理機(jī)制,我們對制備完成的GaN HEMT器件開展了關(guān)態(tài)階躍應(yīng)力試驗(yàn)。圖2給出了柵極泄漏電流Igate在階躍應(yīng)力測試過程中隨應(yīng)力時(shí)間的變化關(guān)系。階躍應(yīng)力測試過程中器件源電極以及漏電極偏置為Vs=Vd=0 V,器件柵極偏置Vgate從-10V階躍增加到-100 V,步階為-5 V/5 mins,如圖2中的插入示意圖所示。從圖中可以看出,器件在應(yīng)力試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)以下規(guī)律:(i)在較小的柵極偏置下,柵極泄漏電流出現(xiàn)一個(gè)峰值然后迅速下降并保持穩(wěn)態(tài),應(yīng)力電流呈現(xiàn)較為規(guī)律的變化;(ii)當(dāng)柵極偏置達(dá)到臨界電壓時(shí)(Vg=-75 V),器件柵極電流開始出現(xiàn)非規(guī)律的噪聲特性,且在同一個(gè)步階內(nèi)泄漏電流開始呈現(xiàn)上升趨勢;(iii)超過臨界電壓后器件柵極泄漏電流劇烈增大,在應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)束時(shí)器件柵極泄漏電流已由初始的5.9×10-8A增大到2.8×10-4A,增大了約4個(gè)量級。試驗(yàn)中得到的臨界電壓(Vg=-75 V)即為氮化鎵器件發(fā)生“逆壓電極化效應(yīng)”的標(biāo)志,此時(shí)氮化鎵器件勢壘開始產(chǎn)生晶格缺陷,柵下電子通過勢壘層缺陷發(fā)生陷阱輔助隧穿,從而形成柵極至溝道的泄漏通道,造成器件柵極電流的急劇增大。柵極泄漏電流的增大會使得柵極對溝道的控制作用減弱,從而引起器件效率降低,甚至導(dǎo)致器件失效。

圖2 氮化鎵器件關(guān)態(tài)階躍應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

1.2 熱載流子效應(yīng)

氮化鎵器件的工作溫度、工作電壓顯著高于傳統(tǒng)的砷化鎵器件,使得其非常適用于大功率應(yīng)用,同時(shí)也為其帶來了新的可靠性問題。當(dāng)?shù)壠骷诟邷?、高壓條件下工作時(shí),溝道電子在高場加速以及高溫作用下獲得能量,形成“熱載流子”。當(dāng)“熱載流子”獲得足夠能量時(shí)就可以跨越半導(dǎo)體勢阱并到達(dá)AlGaN勢壘層、勢壘層與鈍化層界面以及金屬電極和半導(dǎo)體接觸界面,如圖3所示。這些逃逸出溝道的“熱載流子”一方面會被材料中原有陷阱俘獲;另一方面熱載流子與晶格碰撞會導(dǎo)致更多陷阱的產(chǎn)生[15]。被勢壘層陷阱俘獲的電子會對溝通二維電子氣產(chǎn)生耗盡作用從而引起器件閾值電壓的漂移以及器件飽和輸出電流的降低。熱激發(fā)引起的陷阱密度的增大會導(dǎo)致器件輸運(yùn)特性的退化、漏極串聯(lián)電阻的增大等器件退化現(xiàn)象。

圖3 氮化鎵器件熱載流子效應(yīng)示意圖

為了研究“熱載流子”效應(yīng)對氮化鎵器件性能的影響,我們對GaN HEMT器件開展了高溫開態(tài)應(yīng)力研究。所采用的GaN HEMT器件為藍(lán)寶石襯底,GaN緩沖等厚度為1.3 um,Al0.3Ga0.7N勢壘層厚度為22 nm,表面Si3N4鈍化層厚度為60 nm。器件柵長Lg=0.8 μm,柵寬Wg=100 μm,漏源間距Lds=4.0 μm。對器件開展了高溫開態(tài)應(yīng)力試驗(yàn),器件柵極電壓Vg=+2 V(強(qiáng)開態(tài)),漏極電壓Vd=+10 V,芯片殼溫度85 ℃條件下持續(xù)施加應(yīng)力200 h。圖4給出了在高溫開態(tài)應(yīng)力前后器件輸出特性的對比曲線,圖中柵極電壓為-6 V～+2 V,步階為2 V,在每一組柵壓下對漏極電壓從0 V掃描至10 V。從圖中可以看出,開態(tài)應(yīng)力后器件在線性區(qū)電流上升斜率變小,即器件漏極串聯(lián)電阻在應(yīng)力后變大。此外,器件的飽和輸出電流在應(yīng)力后出現(xiàn)了明顯的退化,在柵壓為0 V時(shí)飽和電流退化約5.8%。漏極串聯(lián)電阻的增大以及飽和電流的降低會引起氮化鎵微波功率器件增益的降低、輸出功率的下降以及效率的降低。隨著器件應(yīng)力時(shí)間的增加,器件的退化程度會進(jìn)一步加劇,因此“熱載流子”效應(yīng)是影響氮化鎵器件工作壽命的重要因素。

圖4 高溫開態(tài)應(yīng)力前后器件輸出特性曲線對比

2 整機(jī)高可靠設(shè)計(jì)方法

從氮化鎵器件可靠性問題分析及研究結(jié)果可以看出,雖然氮化鎵器件具有大功率應(yīng)用優(yōu)勢,但是過高的工作電壓及過高的溝道溫度均會引起器件性能的退化,降低器件工作壽命。而星載應(yīng)用對固態(tài)功率放大器可靠性要求極高,尤其是高軌衛(wèi)星,要求載荷單機(jī)在軌壽命最長可達(dá)15年。因此,在星載固態(tài)功率放大器整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),必須結(jié)合氮化鎵器件自身特點(diǎn)開展高可靠設(shè)計(jì),以確保單機(jī)長期在軌服役要求。針對氮化鎵器件的高場退化問題,主要通過電壓降額設(shè)計(jì),使得器件工作在安全范圍之內(nèi),避免出現(xiàn)早期失效;針對熱退化問題,主要通過開展熱分析及熱設(shè)計(jì),降低器件結(jié)溫,提高器件在軌工作壽命。

2.1 降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)是星載產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)保證元器件高可靠工作的重要方法之一。針對氮化鎵微波功率器件,主要開展電壓降額設(shè)計(jì)和結(jié)溫降額設(shè)計(jì)。雖然氮化鎵微波功率器件擊穿電壓可高達(dá)百伏,但是實(shí)際使用時(shí)應(yīng)避免器件工作在“逆壓電極化效應(yīng)”臨界電壓之上,以免引起器件柵極退化。此外,在射頻工作模式下,器件實(shí)際承受電壓為靜態(tài)工作電壓和射頻擺幅的疊加效果,因此在器件電壓降額設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮射頻信號的影響。宇航應(yīng)用上一般要求器件工作電壓低于其擊穿電壓的50%,同時(shí)最大電壓擺幅低于其擊穿電壓的75%。根據(jù)阿倫尼斯模型,當(dāng)器件激活能一定時(shí),工作溫度是器件壽命的直接加速因子。雖然氮化鎵器件的額定結(jié)溫可以達(dá)到225 ℃,宇航應(yīng)用時(shí)一般要求實(shí)際工作結(jié)溫達(dá)到I級降額要求,即低于160 ℃,以達(dá)到長壽命的設(shè)計(jì)要求。

2.2 整機(jī)熱設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好散熱,氮化鎵微波功率芯片設(shè)計(jì)時(shí),通常采用熱導(dǎo)率較高的碳化硅襯底,以保證器件溝道熱量及時(shí)傳輸至襯底材料。由于氮化鎵芯片體積小、功率密度高,加上空間真空環(huán)境下無法采用風(fēng)冷、水冷等輔助散熱措施,為星載氮化鎵固放整機(jī)熱設(shè)計(jì)帶來較大挑戰(zhàn)。星載氮化鎵固放整機(jī)熱設(shè)計(jì)主要采用垂直散熱技術(shù),首先選取熱導(dǎo)率較高的焊料(如金錫焊料等)將氮化鎵芯片焊接在散熱良好的熱沉上(如鎢銅熱沉等),以增大芯片的散熱面積。然后將熱沉焊接在管殼上,管殼底座材質(zhì)根據(jù)散熱要求可以選取鎢銅、鉬銅、可伐、硅鋁等,管殼采用平行封焊或激光封焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣密封裝,以消除地面測試過程中水汽、氧氣等外界環(huán)境的不良影響。研制完成的功放模塊一般通過螺釘緊固或載焊方式安裝在整機(jī)中,整機(jī)需要進(jìn)行合理布局并開展熱仿真,在保證散熱良好的基礎(chǔ)上盡量降低整機(jī)重量。此外,高頻、大功率星載氮化鎵固態(tài)放大器通常采用多路合成,具有高熱流、多熱源的特點(diǎn)。針對該類電路也可在單機(jī)底面布局熱管,使得局部熱量橫向擴(kuò)散,以實(shí)現(xiàn)高效率散熱。

在以上設(shè)計(jì)步驟中,氮化鎵功率芯片的焊接空洞率至關(guān)重要,空洞率過高或有大的氣泡位于芯片有源區(qū)正下方,都有可能導(dǎo)致芯片熱量局部積聚而發(fā)生燒毀。由于氮化鎵芯片熱流密度較高,對焊接質(zhì)量要求較為嚴(yán)格,一般要求整體焊接空洞率低于10%。如圖5所示,給出了大功率氮化鎵芯片采用金錫焊料焊接至鎢銅熱沉后的X光照片,從圖中可以看出,芯片底部無明顯氣泡,整體空洞率低于5%,焊接質(zhì)量較好。

圖5 氮化鎵芯片焊接質(zhì)量X光測試圖像

圖6給出了上述芯片裝入模塊后的紅外熱像儀測試結(jié)果,在殼溫70 ℃情況下,氮化鎵器件最高結(jié)溫約為152 ℃,滿足結(jié)溫I級降額要求,可以實(shí)現(xiàn)宇航高可靠應(yīng)用。

圖6 氮化鎵芯片溝道溫度測試結(jié)果

2.3 電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)星載固態(tài)功率放大器的高可靠應(yīng)用,電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。在射頻電路設(shè)計(jì)時(shí),首先要保證整個(gè)射頻腔體的諧振頻率高于工作頻率,以免發(fā)生腔體諧振,影響電路穩(wěn)定工作。隨著工作頻率的提高,對腔體諧振頻率的要求也越高,在Ka波段及以上整機(jī)的腔體設(shè)計(jì)會變得較為復(fù)雜。圖7給出了一種工作于Ka波段的星載固放射頻腔體仿真模型及諧振頻率仿真結(jié)果,為了實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率,射頻腔體在寬度方向上已壓縮至3.0 mm以內(nèi),在器件供電處局部加寬并通過垂直絕緣子進(jìn)行供電。通過以上方法,實(shí)現(xiàn)了腔體諧振頻率29 GHz以上的高頻腔體設(shè)計(jì),高于電路的實(shí)際工作頻率(25～26 GHz)以及射頻鏈中所有放大器芯片的最大頻率覆蓋范圍(17～27 GHz)。與傳統(tǒng)砷化鎵器件相比,氮化鎵器件飽和工作時(shí)壓縮較深,鏈路的小信號增益顯著高于功率增益,因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電路在小信號工作條件下腔體穩(wěn)定性。此外,隨著腔體的逐漸收窄,單機(jī)的芯片焊接、金絲壓接等裝配難度也顯著增大,因此需要采用垂直隔墻、異形腔體設(shè)計(jì)等方法,在滿足裝配可操作性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)諧振頻率的提升。為了實(shí)現(xiàn)高可靠的特點(diǎn),通常會在放大器級間加入固定衰減,并通過合理預(yù)算,保證前級芯片功率異常增大時(shí)不會對后級芯片造成損傷。同時(shí)在射頻電路輸出端需要設(shè)計(jì)有大功率隔離器,以防止后端駐波變差或出現(xiàn)空載時(shí)功率倒灌引起芯片燒毀的現(xiàn)象。此外,若單機(jī)輸入功率范圍較寬,射頻電路通常設(shè)計(jì)有自動電平控制(ALC)電路,當(dāng)射頻激勵大于預(yù)定值時(shí),電路啟動保護(hù)功能,保證整機(jī)恒定功率輸出。

圖7 復(fù)雜腔體的諧振特性仿真

與地面應(yīng)用不同,星載固態(tài)功率放大器必須設(shè)計(jì)有電源轉(zhuǎn)換電路,從而將衛(wèi)星平臺的一次母線電壓轉(zhuǎn)換為射頻電路工作所需要的二次電壓。在電源電路設(shè)計(jì)上,首先應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)有時(shí)序電路,以保證氮化鎵器件的供電時(shí)序,以免出現(xiàn)靜態(tài)電流瞬時(shí)增大導(dǎo)致器件燒毀。上電時(shí)通常采用時(shí)序芯片保證柵極電壓先于漏極電壓上電,斷電時(shí)通常采用儲能電容保證柵極電壓延遲掉電。在氮化鎵器件柵極供電及漏極供電支路上,需要設(shè)置一系列不同容值量級的濾波電容,以避免低頻雜散進(jìn)入射頻通路引起器件自激。此外,電源電路內(nèi)部通常會增加浪涌抑制、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等保護(hù)電路,用于防止外界瞬時(shí)干擾、母線電壓擾動等極端情況對固放產(chǎn)生影響。

3 星載可靠性驗(yàn)證

在星載固態(tài)功率放大器高可靠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通常會對單機(jī)開展力學(xué)試驗(yàn)、溫循試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)等一系列環(huán)境試驗(yàn),用于模擬單機(jī)在火箭發(fā)射、在軌工作階段的工況。此外,還會對單機(jī)開展母線電壓拉偏試驗(yàn)、過激勵試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)等,以驗(yàn)證其在極端工作條件下的穩(wěn)定性。圖8給出了我們研制的C波段50 W氮化鎵固態(tài)功率放大器空間環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)果,產(chǎn)品經(jīng)歷了-35 ℃～+70 ℃范圍內(nèi)370小時(shí)溫循老煉試驗(yàn)、-35 ℃～+70 ℃范圍內(nèi)6.5個(gè)循環(huán)熱真空試驗(yàn)以及+70°恒定溫度下180小時(shí)高溫老煉試驗(yàn)。從圖8中可以看出,產(chǎn)品在各個(gè)階段試驗(yàn)過程中,單機(jī)輸出功率呈現(xiàn)規(guī)律性變化,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的常溫輸出功率與試驗(yàn)前一致,證明了產(chǎn)品具有較高的可靠性。此外,該單機(jī)鑒定件已完成地面70℃條件下,7 200小時(shí)高溫加速試驗(yàn),等效在軌30 ℃條件下12年工作壽命,滿足設(shè)計(jì)壽命要求。截止目前,該C波段50 W氮化鎵固放已穩(wěn)定在軌工作兩年,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足衛(wèi)星應(yīng)用要求,為我國高功率氮化鎵固態(tài)功率放大器的批量上星應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖8 氮化鎵固放空間環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文首先闡述了氮化鎵微波功率器件存在的失效機(jī)制,并詳細(xì)研究了高場應(yīng)力、熱應(yīng)力下氮化鎵微波功率器件性能退化規(guī)律。在高場應(yīng)力下,器件柵極邊緣的峰值電場會引發(fā)材料的逆壓電極化效應(yīng),引起器件泄漏電流的增大及性能退化。在熱應(yīng)力下,溝道熱載流子會誘發(fā)材料缺陷,引起器件飽和輸出電流的降低。在以上研究基礎(chǔ)上,論文基于星載高可靠、長壽命的應(yīng)用特點(diǎn),從降額設(shè)計(jì)、整機(jī)熱設(shè)計(jì)、電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等方面介紹了提升氮化鎵固態(tài)功率放大器可靠性的設(shè)計(jì)方法。通過低空洞率焊接技術(shù)及高熱導(dǎo)率散熱技術(shù)的采用,實(shí)現(xiàn)了殼溫70 ℃情況下,結(jié)溫約為152 ℃的氮化鎵器件熱設(shè)計(jì),滿足宇航I級降額要求。最后,論文選取了典型的C頻段50 W氮化鎵固態(tài)功率放大器開展了空間環(huán)境模擬試驗(yàn),產(chǎn)品在熱真空、溫循老煉以及高溫老煉試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性及一致性,并成功實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用,為星載固放的高可靠設(shè)計(jì)方法提供了有力支撐。