發布日期：2022-10-18 點擊率：56
之前的文章里，我們介紹了氮化鎵的一些基礎知識和優勢。現在，我們將向您介紹氮化鎵技術在系統應用時的實際考慮因素。同時我們還將向您介紹氮化鎵技術部署的可靠性與失效模式，并且為管理氮化鎵的熱設計問題提供一些建議。
氮化鎵的可靠性與失效模式
與采用其他半導體技術工藝的晶體管相比，氮化鎵晶體管的一個主要優勢是其工作電壓和電流是其他晶體管的數倍。但是，這些優勢也帶來了特殊的可靠性挑戰。
其中挑戰之一就是因為柵極和電子溝道之間通常使用的氮化鋁鎵。氮化鋁和氮化鎵的晶格常數不同。當氮化鋁在氮化鎵上生長時，其晶格常數被迫與氮化鎵相同，從而形成應變。氮化鋁鎵勢壘層的鋁含量越高，晶格常數之間的不匹配越高，因此應變也越高。
然后，氮化鎵的壓電通過反壓電效應，在系統內產生更大應變。如果氮化鎵的壓電屬性產生電場，則反壓電效應意味著一個電場總會產生機械應變。這種壓電應變增加了氮化鋁鎵勢壘層的晶格不匹配應變。
在正常運行中，在柵極靠近漏極的邊緣位置，氮化鎵場效應管不得不承受高電場。如果場效應管設計不當，則反壓電效應在勢壘層上產生的額外應力可能導致器件破裂和退化。圖3-1所示為帶源極和漏極的氮化鎵場效應管，并且有電壓施加到柵極。圖3-2所示為反壓電效應造成的材料結構性能退化。
為降低和消除氮化鎵晶體管的本征故障模式，技術人員需要適當設計半導體勢壘層的結構和厚度，提高半導體表面的強度。如果設計適當，這種失效模式可以消除。
今天，氮化鎵晶體管的可靠性非常好，在200 攝氏度下，MTTF超過1000萬小時，這與其他半導體相當甚至更好。更為重要的是，Qorvo等公司已經證明，在200 攝氏度下，器件工作100萬小時的失效率低于0.002%。
圖 3-3所示為 Qorvo公司第二代 0.25μm 氮化鎵場效應管技術的典型可靠性阿倫尼烏斯圖。
利用Qorvo 技術管理熱設計挑戰
功率放大器的器件技術總是關于在相同或較高速度下，如何增加晶體管的射頻功率密度和增益。功率密度和增益的提高可以減少增益級數和合成損耗，并且最終限制芯片在給定頻率下，可以提供的原始功率、增益和效率。
功率密度的不斷提升推動相關技術從硅轉移到標準砷化鎵，再到高壓砷化鎵，最終到氮化鎵。
隨著技術向高功率密度場效應管技術的遷移，器件的溫度管理問題也在增加。保證器件的“涼爽”是重要的，這是因為高溫導致器件的原始性能和可靠性退化。在理論上，氮化鎵在相對較高頻率下，可提供的功率密度超過20W/mm。但是，在實際中，由于在非常緊湊的空間內，大量熱量的散發造成高溫，氮化鎵的使用被限制在5 W/mm以下。
熱設計挑戰是碳化硅成為高性能射頻應用首選襯底材料的最終原因。碳化硅的導熱性就像氮化鎵的高射頻功率一樣重要。也正是這個原因，Qorvo等公司已經開始研究鉆石等熱屬性更好的襯底材料。
為管理今天的熱設計，電路設計人員讓熱量在半導體表面擴散，增加器件單元之間的距離或縮小器件單元。但是，熱設計不僅僅是芯片層面。封裝工程人員也必須幫忙，因為芯片封裝接口的熱通量也較高。為確保氮化鎵器件器件能夠提供最大限度射頻功率密度，芯片與封裝包之間的良好熱接口極為重要。
在氮化鎵技術中，熱設計與電氣設計同等重要。
來源： 電子萬花筒
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