GaN功率器件抗干扰可靠性试验

李嘉乐

（吉林大学，长春 130000）

引言

以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体具有更大的禁带宽度和击穿电场，引起国内外学者的广泛关注和研究[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器件以其高击穿电场、高电子速度和浓度、便于集成等优势，成为国际上射频器、功率器、放大器等领域的研究热点。GaN可以承受高温，适用于制备在高击穿电场和高工作电压下工作的功率器件。雷达等设备在工作中面临复杂的电、射频、热和机械应力环境，其中的GaN器件可能出现异常工作状态。为保证设备正常工作，其中的功率器件须具有极高的可靠性[4,5]。在雷电频发季节，电网环境不够稳定，在雷雨中工作的功率器件可能面临电网纹波、浪涌以及开关过冲等异常工作状态[6]。而且，长期使用的设备会出现电源线路老化、接触电阻升高等问题，也会引起功率器件失配等问题。GaN功率器件由于自身的热电子效应、逆压电效应，其可靠性本就受到电应力的影响，电参数不稳定还可以使器件出现自激、电压过冲、偏置异常、电压拉偏等异常工作点，影响器件的可靠性。因此，对于GaN功率器件在异常工作状态下的可靠性试验很有必要。本文对某型号GaN功率管进行了电压拉偏、耐电压过冲、抗失配能力试验，探究了其在异常工作状态下的可靠性。其结果对于同类型GaN器件在异常工作状态下的抗干扰可靠性分析有借鉴意义。

1 试验对象

本文的试验对象为某型号GaN基HEMT器件。该器件具有典型的GaN功率器件的特点，因此，对于该器件的可靠性分析可有效反映此类器件的可靠性。

2 试验方法和条件

对该器件进行了以下3种试验。

2.1 电压拉偏试验

挑选出满足指标要求的被测器件后，将被测器件按照如下方式加电：漏极调制信号嵌套射频调制信号，其中射频信号脉宽300 us，占空比20 %。漏极电压Vds从35 V工作电压开始，保持电压不变，输入功率Pin从30 dBm开始，以1 dBm逐步增加，直至输出功率Pout达到饱和状态。在每个功率点稳定运行2 min，测试被测器件的栅流、输出功率Pout、增益、功率附加效率、输出功率密度。完成后以5 V为步进，逐步增大漏极电压Vds。

试验样品数量共有3只，编号为1#、2#、3#，试验原理框图如图1所示。

图1 电压拉偏试验原理框图

2.2 耐电压过冲能力试验

将备选被测器件进行红外热测试筛选，选择管芯热特性接近或一致的被测器件试验。

将被测器件按照如下条件加电：漏极调制信号嵌套射频调制信号，射频信号脉宽30 us，占空比1 %。漏极电压Vds从40 V开始，以10 V为步进，逐步增大。在每个Vds状态下，维持Vds和匹配点不变，对被测器件进行扫描测试，将输入功率从额定输入值扫描到增益6 dB压缩点，工作30 min，若被测器件无异常现象，则认为在该电压点正常。增加Vds，直至被测器件烧毁。

试验样品数量3只，将编号为4#、5#、6#，试验原理框图与电压拉偏试验相同，如图2所示。

图2 抗失配能力试验原理框图

2.3 抗失配能力试验

挑选满足指标要求的被测器件试验，当被测器件在典型工作状态时，调节电压驻波比至3∶1，在360 °范围内选出30个相位点，并在每个频点下使被测件工作5 min，观察其杂波抑制情况。

去除测试系统的阻抗调节器，将被测器件接入测试系统并加电，设置被测器件至典型工作状态。按规定的频点设置规定的输入功率，测试输出功率Pout1。将阻抗调节器接入测试系统，将被测器件接入测试系统并加电，设置被测器件至典型工作状态，依次调节电压驻波比至5:1和10:1，在360 °范围内选取30个相位点，并在每个频点下使被测件工作5 min，完成后去除阻抗调节器，对被测件按规定的频点设置规定的输入功率，测试输出功率Pout2。

试验样品数量3只，将其编号为7#、8#、9#，试验如图2所示。

3 试验结果与分析

3.1 电压拉偏试验试验结果

针对1#样品，试验结果见表1。器件在35 V漏极电压正常工作条件下，各项参数均满足器件指标要求，提升至70 V漏极电压后，器件工作正常，输出功率和增益均有小幅下降，效率下降至接近原来一半左右，可以看到，电压拉偏能力在 70 V 及以上，为正常工作电压的2倍。

表1 电压拉偏试验结果

针对1#被测器件，试验过程中的典型的参数如栅流、输出功率、增益、功率附加效率、输出功率密度等随输入功率的变化如图3所示。可以看出，栅流在输入功率达41 dBm之前基本不变，在输入功率41 dBm之后急速反偏；增益随输入功率的增大而减小，在输入功率达41 dBm之后加速减小；功率附加效率和功率密度随输入功率增大而增大，在输入功率达41 dBm左右饱和。且随着漏极电压的升高，栅流和功率附加效率减小，输出功率、增益和输出功率密度增大。

图3 功率变化图

图3

3.2 耐电压过冲能力试验结果

试验结果见表2。可以看到，被测器件耐电压过冲能力在80 V及以上，为正常工作电压的2倍。烧毁的被测器件如图4所示，被测器件耐电压过冲能力试验烧毁的位置为中间的两个管芯，其中漏极损坏情况严重，边缘的两个管芯受影响不大。

图4 耐电压过冲能力试验烧毁局部图

表2 耐电压过冲能力试验结果

针对4#被测器件，试验过程中的典型的参数如栅流、输出功率、增益、功率附加效率、输出功率密度等随输入功率的变化如图5所示。栅流在输入功率41 dBm之前基本不变，在之后急速减小；输出功率、功率附加效率、输出功率密度随输入功率增大而增大，在41 dBm左右饱和；增益随输入功率增大而减小。

图5

图5

3.3 抗失配能力试验试验结果

试验结果：试验结果见表3及表4。被测器件在3:1抗失配工作条件下，每个相位点的杂波抑制度均能够达到-63 dBc；在5:1和10:1抗失配工作条件下，试验过程中被测器件均未发生烧毁，功率变化量均ΔP小于1 dB。

表3 3:1抗失配能力试验结果

表4 5:1及10:1抗失配能力试验结果

4 结论

本文对GaN功率器件异常工作状态进行了试验，分别为电压拉偏试验、耐电压过冲能力试验和抗失配能力试验。本文的工作分析了该器件在三种工作状态下的工作特性，并给出其失效条件。该器件的电压拉偏能力和耐电压过冲能力都在正常工作电压的两倍以上，当漏极电压达到正常工作电压的近两倍时，器件工作正常，输出功率和增益均有小幅下降，效率下降至接近原来一半左右；在5:1和10:1抗失配工作条件下，被测器件在试验过程中均未发生烧毁，功率变化量均小于1dB。本文的工作对于同种类的GaN功率器件的异常工作状态可靠性分析具有借鉴意义。