之前的文章里，我們介紹了氮化鎵的一些基礎(chǔ)知識(shí)和優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在，我們將向您介紹氮化鎵技術(shù)在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的實(shí)際考慮因素。同時(shí)我們還將向您介紹氮化鎵技術(shù)部署的可靠性與失效模式，并且為管理氮化鎵的熱設(shè)計(jì)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(dǎo)體技術(shù)工藝的晶體管相比，氮化鎵晶體管的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其工作電壓和電流是其他晶體管的數(shù)倍。但是，這些優(yōu)勢(shì)也帶來了特殊的可靠性挑戰(zhàn)。
其中挑戰(zhàn)之一就是因?yàn)闁艠O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(shù)不同。當(dāng)?shù)X在氮化鎵上生長時(shí)，其晶格常數(shù)被迫與氮化鎵相同，從而形成應(yīng)變。氮化鋁鎵勢(shì)壘層的鋁含量越高，晶格常數(shù)之間的不匹配越高，因此應(yīng)變也越高。
然后，氮化鎵的壓電通過反壓電效應(yīng)，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生更大應(yīng)變。如果氮化鎵的壓電屬性產(chǎn)生電場(chǎng)，則反壓電效應(yīng)意味著一個(gè)電場(chǎng)總會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。這種壓電應(yīng)變?cè)黾恿说X鎵勢(shì)壘層的晶格不匹配應(yīng)變。
在正常運(yùn)行中，在柵極靠近漏極的邊緣位置，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管不得不承受高電場(chǎng)。如果場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)不當(dāng)，則反壓電效應(yīng)在勢(shì)壘層上產(chǎn)生的額外應(yīng)力可能導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管，并且有電壓施加到柵極。圖3-2所示為反壓電效應(yīng)造成的材料結(jié)構(gòu)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(shù)人員需要適當(dāng)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)和厚度，提高半導(dǎo)體表面的強(qiáng)度。如果設(shè)計(jì)適當(dāng)，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(shí)，這與其他半導(dǎo)體相當(dāng)甚至更好。更為重要的是，Qorvo等公司已經(jīng)證明，在200 攝氏度下，器件工作100萬小時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)的典型可靠性阿倫尼烏斯圖。
利用Qorvo 技術(shù)管理熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
功率放大器的器件技術(shù)總是關(guān)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(jí)數(shù)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(dòng)相關(guān)技術(shù)從硅轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)砷化鎵，再到高壓砷化鎵，最終到氮化鎵。
隨著技術(shù)向高功率密度場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)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?yàn)楦邷貙?dǎo)致器件的原始性能和可靠性退化。在理論上，氮化鎵在相對(duì)較高頻率下，可提供的功率密度超過20W/mm。但是，在實(shí)際中，由于在非常緊湊的空間內(nèi)，大量熱量的散發(fā)造成高溫，氮化鎵的使用被限制在5 W/mm以下。
熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是碳化硅成為高性能射頻應(yīng)用首選襯底材料的最終原因。碳化硅的導(dǎo)熱性就像氮化鎵的高射頻功率一樣重要。也正是這個(gè)原因，Qorvo等公司已經(jīng)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(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)人員讓熱量在半導(dǎo)體表面擴(kuò)散，增加器件單元之間的距離或縮小器件單元。但是，熱設(shè)計(jì)不僅僅是芯片層面。封裝工程人員也必須幫忙，因?yàn)樾酒庋b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(shù)中，熱設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)同等重要。
來源： 電子萬花筒
