GaN HEMT E／F3类功率放大器温度可靠性研究

林 倩，贾立宁，胡单辉，陈思维，刘林盛，刘 畅，刘建利

（1.青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁 810007 2.成都理工大学计算机与网络安全学院，四川成都 610000 3.天津大学微电子学院，天津 300072 4.中兴通讯股份有限公司，陕西西安 710000）

随着第五代无线通信技术的快速发展，人们对接收信号的质量要求越来越高。鉴于低电压、高功率、小尺寸、高线性和低噪声等特点［1］，射频功率放大器（RF PA）在雷达、通信、电子战等重要领域［2-3］得到了广泛应用。作为收发器的关键组件，RF PA的成本占整个无线基站的20%以上。因此，扩展带宽、减小功率耗散以及提高可靠性成为射频功率放大器设计中亟待解决的难题之一［4-5］。

为了实现瓦级的发射功率，减小无线信号在传输空间的损耗，AlGaN／GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）成为PA的首选器件［6-7］。 然而，该晶体管自身的高散热会使电路长期工作在高温环境中，这对PA的性能会产生重要的影响，甚至引起电路失效。

无线通信基站在实际应用中通常放置在室外，使得PA不可避免地工作在大功率、高温、大温差等恶劣环境下，导致PA无法实现预期的功能。因此，温度成为影响功率放大器性能的重要因素。2011年，Neamen［8］指出31%的电子设备故障是由高温和高湿造成的。2016年，天津大学赵丽丽［9］采用加速寿命实验实现了一个高效并联型E类PA的温度可靠性研究。同年，Lin等［10-11］通过温度循环测试和温度冲击测试完成了一个宽带PA的温度可靠性研究和性能失效研究。综上所述，PA的温度可靠性是制约通信领域发展的关键因素，其研究在进一步提升PA竞争力中具有重要意义。

为了研究开关类PA的温度可靠性，本文对一款高效GaN HEMT E／F3类功率放大器开展系统的温度可靠性测试，实现其在不同温度下的性能参数测试研究。测试表明，随着温度的升高，保持Ugs＝-2.7 V，当Uds＝0～28 V，输出电流Ids减小约 0.03 A；保持Uds＝28 V，当Ugs＝-3～-1.2 V，输出电流Ids减小约0.1 A；小信号增益减小约1.02 dB，输入回波损耗减小约1.01 dB，输出回波损耗减小约6.01 dB。同时，其输出功率减小约1.5 dBm，增益减小约5 dB，而附加效率减小约10%。这些性能指标的减小对电路的应用带来重要的限制。因此，提出通过提高衬底掺杂浓度、减小漏源结面积、选择合适的栅极宽长比以及设计合理的温度补偿电路等措施扼制电路退化。该研究对射频微波电路的可靠性研究与设计具有重要的实际意义。

1 电路设计与实现

以一款E／F3类PA为例进行研究。该PA采用双电抗补偿技术与基波、三次谐波串联调谐振器的结合来实现输出匹配网络的设计。通过在器件的漏极增加一个电抗补偿网络，使得PA在整个宽频带内的最优阻抗恒定不变。同时，在输入／出匹配网络设计时，采用Chebyshev低通结构［12］，并通过负载牵引技术实现宽带输入／出网络的匹配。此外，通过在匹配网络中增加一个电感实现阻抗变换，采用实际晶体管模型开展优化仿真，使得PA的输出功率和效率达到最大。因此，该电路不仅保持了E／F3类PA的优良开关特性，而且展宽了频带。

该PA电路结构如图1所示，主要以 GaN HEMT（CGH40010F）晶体管为核心器件，由输入匹配网络、稳定性网络、偏置网络、电抗补偿网络和输出匹配网络等构成。该PA的电路原理图如图2所示，其中输入匹配网络主要由C1-L1、C2-L2、C3-L3三组并联结构组成；R4与C5的并联结构组成电路的稳定性网络；新型电抗补偿网络主要由并联电感L5、并联电容Cx、调谐三次谐波的L6与C6串联谐振器、调谐基频的L7与C7串联谐振网络4部分构成；C8-L8、C9-L9并联结构串联L10构成电路的输出匹配网络。

图1 电路框图

图2 电路原理图

新型电抗补偿网络中的各元件值分别由式（1）～（7）确定，其中R是负载电阻，ω是角频率，ω0是中心角频率，Vdd是直流电源，Pout是输出功率。

在版图设计完成后，采用厚度为31 μm、介电常数为2.2的Rogers 5880基板进行加工，电路实物如图3所示。

图3 电路加工实物图

该宽带E／F3类PA的小信号增益（S21）测试曲线如图4所示。从图4可以看出，在350～730 MHz带宽内，测试和仿真S21的平均值达16.6 dB。

图4 常温下电路S21参数测试和仿真曲线

图5 为常温下该PA的RF输出特性曲线。从图中可以看出，该PA在350～750 MHz频段内，输出功率（Pout）达 36.0～40.9 dBm，最大增益（Gain）为14.5 dB，漏极效率（DE）达 60.1%～80.5%，最大附加效率（PAE）为50%。

图5 常温下RF大信号参数测试曲线

实际应用中，PA不可避免地工作在大功率、高温、高湿等极端环境下，其性能必然会受这些因素的影响。鉴于PA在无线通信系统中的关键地位，其可靠性会严重影响整个通信系统的良莠［13］。因此，开展该GaN HEMT E／F3类PA的温度可靠性研究具有及其重要的实践价值。

2 GaN HEMT温度可靠性测试

采用可靠性实验来开展该PA的温度特性研究［14］，分别测试了不同温度下该电路的直流特性、S参数以及RF输出特性。测试温度分别设置为-20、0、25、40、60、80、100 和 120 ℃，同时将室温（23℃）下的性能参数作为基准参考。该PA温度特性测试电路如图6所示，将PA放在温度实验箱中，采用直接电源和矢量网络分析仪进行不同温度下性能参数的测试。

图6 温度特性测试电路图

首先，在高温条件下，GaN HEMT的阈值电压（VTH）产生正向漂移，这使得其漏源电流（Ids）不断减小。同时，GaN HEMT缓冲层中的电子受到激发，导致晶体管栅极的界面态和二维电子气密度（2DEG）增加，进而使得HEMT异质结界面密度减小，器件内部热量持续积累，器件结温升高，载流子迁移率下降，半导体与金属间的扩散加快，最终造成器件性能发生退化，可靠性变差［15-16］。因此，开展GaN HEMT的电路温度特性测试是PA温度可靠性研究的首要步骤。

为了测试该GaN HEMT在不同温度下输出特性的变化，首先将晶体管的栅源电压（Ugs）设置为-2.7 V，测试漏源电压Uds＝0～28 V下漏源电流（Ids）的变化，测试结果如图7所示。从图中可以看出，当温度一定时，漏源电流随着漏源电压的增大而增大，直至饱和后保持不变。同时，温度越高，同一漏源电压下的漏源电流越小。特别当温度低于室温时，漏源电流将会增大；当温度高于室温时，漏极电流将减小，二者电流差约为0.03 A。

图7 不同温度下GaN HEMT输出特性测试曲线

另外，为了测试该GaN HEMT的转移特性，保持漏源电压为28 V不变，在Ugs＝-3～-1.2 V时，测试电路的漏源电流的变化，测试结果如图8所示。从图中可以看出，随着栅源电压的增大，漏源电流持续增大。而且，温度越高漏源电流减小越显著，共变化约0.1 A。

图8 不同温度下GaN HEMT转移特性测试曲线

究其根本原因，高温下材料的热膨胀系数发生失配，PA焊点处容易形成裂纹。同时，界面的热疲劳裂缝随工作时间的增加而增大，降低焊点的有效横截面积，使焊点电阻增大，进而导致电路的总电阻增大。在电源电压不变的情况下，直流电流随着电阻的增大而减小，即直流电流也随着温度的增加而减小。

另外，器件二维电子气的浓度与迁移率也会影响输出电流。通常，晶体管的电流与器件二维电子气的浓度与迁移率的乘积成正比。而且，二维电子气的三维特性随着温度的升高而增强，这使得其散射作用增强、迁移率明显下降，最终使得晶体管的输出电流减小。相反，当温度降低时，这种散射作用减弱，迁移率增加，使得晶体管的输出电流增大［17-18］。

综上所述，GaN HEMT高温退化对PA的性能会产生以下影响：栅极泄漏电流的增加恶化了肖特基特性，进而导致PA发生失配；高温时，源／漏串联电阻发生退化，导致晶体管的膝点电压持续增加，使得该PA的输出功率减小；温度升高时，晶体管的阈值电压会发生正向漂移，引起晶体管的跨导值减小，使得PA的S21发生退化；2DEG的迁移率会随着温度的升高而显著下降，进而导致PA的输出电流显著减小。

3 S参数、RF输出特性的温度可靠性测试

该GaN HEMT E／F3类PA具有很强非线性。当晶体管工作在饱和区时，GaN HEMT对载流子迁移率的变化和栅极与漏极电容特性异常敏感，这些直接影响着其温度特性。因此，选择在-20、0、25、40、60、80、100和 120℃温度测试下对 PA 的S参数、RF输出特性进行温度可靠性测试。该电路的S参数测试结果如图9所示。从图9中可以看出，随着温度的升高，电路的S21、S11、S22都呈现出减小的趋势，但曲线的总体趋势保持不变。其中，S11减小约1.01 dB，S22减小约 6.01 dB，S21减小约 1.02 dB。

图9 不同温度下测试S参数曲线

另外，采用连续波CW模式测试电路的RF输出特性。随着温度的升高，PA在频率为500、550和600 MHz的输出功率、增益和附加效率测试结果如图10所示。从图10中可以看出，输出功率在输入功率为30 dBm时达到饱和，最大输出功率为40.9 dBm，最大附加效率为68%，最大增益为20 dB。而且，各频点下电路的输出功率、增益和附加效率都随温度的升高发生显著的退化，其中输出功率减小约1.5 dBm，增益减小约1.6 dB，附加效率减小约5%。

图10 不同温度下各频点RF输出特性随Pin的变化曲线

同时，采用频率扫描的方式研究电路不同温度下的频率特性。在固定输入功率为28 dBm的条件下，测试300～800 MHz频率范围内不同温度下的输出功率、增益和附加效率随频率的变化曲线，如图11所示。从图11中可以看出，总体看来电路的输出功率、增益和附加效率随温度的增大而显著减小，其中输出功率减小约1.5 dBm，增益减小约5 dB，附加效率减小约10%。然而，该E／F3类功率PA在高温条件下仍工作在高效模式，但是电路本身及其寄生元件所消耗的能量增加，并且温度越高这种影响越显著。

图11 不同温度下RF输出特性随频率的变化曲线

究其根本原因，材料的热膨胀系数随温度增加会发生失配，进而造成焊点的电阻会随着热循环而增加，进而产生更多的焦耳热［19］。这意味着对于给定的输入功率，更多的能量在PA工作时转换为热量，使得PA的输出功率、增益和附加效率随温度升高而降低。另外，源／漏串联电阻在高温时会发生退化，使得PA的RF输出特性减小。同时，温度升高引起的膝点电压增加会进一步导致PA的RF输出特性的降低。

另外，还测试了不同温度下漏极电流随输入功率的变化情况，测试结果如图12所示。从图中可以看出，漏极电流Ids随温度的升高发生显著降低，共减小约0.1 A。也就是说，该PA的性能参数对温度的变化十分敏感。由于陷阱俘获电子期间在栅漏之间的表面区域会产生大量的负电荷，这对2DEG会产生一定的耗尽作用，进而导致器件的输出电流减小，形成电流崩塌［14］。

图12 不同温度下漏极电流随输入功率的变化曲线

针对上述测试结果进行分析，可以通过提高衬底掺杂浓度或减小漏源结面积，达到减小栅极泄漏电流的目的；通过选择合适的栅宽或者设计合理的温度补偿电路，达到提升输出电流、S21和输出功率的目的。

4 结束语

以GaN HEMT E／F3类PA为例，研究了温度对电路可靠性的影响。测试表明，该PA的直流特性、S参数和RF输出特性随温度的升高发生显著退化。而且，高温下该E／F3类PA仍能工作在高效模式，但是电路本身以及寄生元件所消耗的能量显著增加。因此，温度成为影响GaN HEMT E／F3类PA性能和可靠性的重要因素。同时，在功率放大器设计时应充分考虑晶体管的高温退化效应，可以通过提高衬底掺杂浓度、减小漏源结面积、选择合适的栅极宽度以及设计合理的温度补偿电路等措施扼制电路退化。另外，在制作PCB时需要特别关注电路的散热处理。