GaN功率器件抗干擾可靠性試驗

李嘉樂

（吉林大學，長春 130000）

引言

以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體具有更大的禁帶寬度和擊穿電場，引起國內外學者的廣泛關注和研究[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、高電子速度和濃度、便于集成等優勢，成為國際上射頻器、功率器、放大器等領域的研究熱點。GaN可以承受高溫，適用于制備在高擊穿電場和高工作電壓下工作的功率器件。雷達等設備在工作中面臨復雜的電、射頻、熱和機械應力環境，其中的GaN器件可能出現異常工作狀態。為保證設備正常工作，其中的功率器件須具有極高的可靠性[4,5]。在雷電頻發季節，電網環境不夠穩定，在雷雨中工作的功率器件可能面臨電網紋波、浪涌以及開關過沖等異常工作狀態[6]。而且，長期使用的設備會出現電源線路老化、接觸電阻升高等問題，也會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、逆壓電效應，其可靠性本就受到電應力的影響，電參數不穩定還可以使器件出現自激、電壓過沖、偏置異常、電壓拉偏等異常工作點，影響器件的可靠性。因此，對于GaN功率器件在異常工作狀態下的可靠性試驗很有必要。本文對某型號GaN功率管進行了電壓拉偏、耐電壓過沖、抗失配能力試驗，探究了其在異常工作狀態下的可靠性。其結果對于同類型GaN器件在異常工作狀態下的抗干擾可靠性分析有借鑒意義。

1 試驗對象

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

2 試驗方法和條件

對該器件進行了以下3種試驗。

2.1 電壓拉偏試驗

挑選出滿足指標要求的被測器件后，將被測器件按照如下方式加電：漏極調制信號嵌套射頻調制信號，其中射頻信號脈寬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達到飽和狀態。在每個功率點穩定運行2 min，測試被測器件的柵流、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，逐步增大漏極電壓Vds。

試驗樣品數量共有3只，編號為1#、2#、3#，試驗原理框圖如圖1所示。

圖1 電壓拉偏試驗原理框圖

2.2 耐電壓過沖能力試驗

將備選被測器件進行紅外熱測試篩選，選擇管芯熱特性接近或一致的被測器件試驗。

將被測器件按照如下條件加電：漏極調制信號嵌套射頻調制信號，射頻信號脈寬30 us，占空比1 %。漏極電壓Vds從40 V開始，以10 V為步進，逐步增大。在每個Vds狀態下，維持Vds和匹配點不變，對被測器件進行掃描測試，將輸入功率從額定輸入值掃描到增益6 dB壓縮點，工作30 min，若被測器件無異常現象，則認為在該電壓點正常。增加Vds，直至被測器件燒毀。

試驗樣品數量3只，將編號為4#、5#、6#，試驗原理框圖與電壓拉偏試驗相同，如圖2所示。

圖2 抗失配能力試驗原理框圖

2.3 抗失配能力試驗

挑選滿足指標要求的被測器件試驗，當被測器件在典型工作狀態時，調節電壓駐波比至3∶1，在360 °范圍內選出30個相位點，并在每個頻點下使被測件工作5 min，觀察其雜波抑制情況。

去除測試系統的阻抗調節器，將被測器件接入測試系統并加電，設置被測器件至典型工作狀態。按規定的頻點設置規定的輸入功率，測試輸出功率Pout1。將阻抗調節器接入測試系統，將被測器件接入測試系統并加電，設置被測器件至典型工作狀態，依次調節電壓駐波比至5:1和10:1，在360 °范圍內選取30個相位點，并在每個頻點下使被測件工作5 min，完成后去除阻抗調節器，對被測件按規定的頻點設置規定的輸入功率，測試輸出功率Pout2。

試驗樣品數量3只，將其編號為7#、8#、9#，試驗如圖2所示。

3 試驗結果與分析

3.1 電壓拉偏試驗試驗結果

針對1#樣品，試驗結果見表1。器件在35 V漏極電壓正常工作條件下，各項參數均滿足器件指標要求，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 電壓拉偏試驗結果

針對1#被測器件，試驗過程中的典型的參數如柵流、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。可以看出，柵流在輸入功率達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41 dBm之后加速減小；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結果

試驗結果見表2。可以看到，被測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。燒毀的被測器件如圖4所示，被測器件耐電壓過沖能力試驗燒毀的位置為中間的兩個管芯，其中漏極損壞情況嚴重，邊緣的兩個管芯受影響不大。

圖4 耐電壓過沖能力試驗燒毀局部圖

表2 耐電壓過沖能力試驗結果

針對4#被測器件，試驗過程中的典型的參數如柵流、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 抗失配能力試驗試驗結果

試驗結果：試驗結果見表3及表4。被測器件在3:1抗失配工作條件下，每個相位點的雜波抑制度均能夠達到-63 dBc；在5:1和10:1抗失配工作條件下，試驗過程中被測器件均未發生燒毀，功率變化量均ΔP小于1 dB。

表3 3:1抗失配能力試驗結果

表4 5:1及10:1抗失配能力試驗結果

4 結論

本文對GaN功率器件異常工作狀態進行了試驗，分別為電壓拉偏試驗、耐電壓過沖能力試驗和抗失配能力試驗。本文的工作分析了該器件在三種工作狀態下的工作特性，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，當漏極電壓達到正常工作電壓的近兩倍時，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，被測器件在試驗過程中均未發生燒毀，功率變化量均小于1dB。本文的工作對于同種類的GaN功率器件的異常工作狀態可靠性分析具有借鑒意義。