廣電計量 | 第三代微波射頻功率芯片GaN的可靠性問題

無線電調制信號經天線輻射后，在空間傳播過程中衰減顯著且速率極快，而且隨著載波頻率越高，其衰減就會愈發加劇。因此，各類通信發射機的射頻前端需要功率放大器這一模塊或部件去提供足夠大的微波射頻功率以保證信號以足夠的功率能量傳輸到一定的距離，而射頻微波功率管器件正是微波射頻功放中的關鍵器件，在信號發射的過程中起著向輻射天線提供足夠能量即射頻微波功率的關鍵作用。

隨著高數據速率遠距離通信和通信系統設備小型化的需求的常態化，第二代以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要材料的射頻微波功率半導體功率管已經遠遠滿足不了高效率、高承載高功率的技術指標的要求，因此，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料為代表的、具有寬禁帶、高擊穿電場、高導熱率和高電子遷移率的第三代微波射頻功率半導體器件應運而生，其實物樣貌以及第1代鍺化硅（SiGe）/第2代砷化鎵（GaAs）/第3代碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）的截止頻率VS功率等級的比較分別如圖.1和圖2.所示。

通俗地講，以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為代表的第三代寬禁帶半導體器件的出現是在以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體器件在其功能、性能指標發展到其瓶頸期和天花板狀況下應運產生，并經過逐步研制迭代而發展起來的。基于GaN 的微波射頻功率器件或芯片旨在突破第二代器件在功率譜密度提升、減小熱阻提升單位面積散熱效果、降低導通電阻以提升能量轉換效率、以此材料的高電子遷移率而拓寬大功率下截止頻率fT至微波及毫米波波段乃至亞毫米波波段等問題發展起來的，而且仍在可持續發展和演進中。

微波射頻GaN功率器件/芯片具有高功率、高效率、低導通電阻、低熱阻、高電子遷移率（高截止頻率和寬帶寬+）、高擊穿電場（即耐高壓）等優良特性，因此在5G通信和其它專用通信發射體統中已經逐漸取代LDMOS和其它有關第二代的射頻微波功率管，業已投入商用或其它專用場景，就GaN微波功率器件而言，目前還沒有SiC那么成熟，從功能/性能設計、工藝、封裝等方面還在不斷地提升發展中，所以，有必要對GaN微波射頻功率放大器件在上述設計方面作以簡單介紹，使相關技術、業務人員有個初步了解和總體印象。

與Si和SiC器件的“垂直"架構，即（柵極【G】）和源極【S】在同一表面，而漏極【D】在襯底的下表面上）而不同，GaN微波射頻功率放大器件采用“橫向架構"，即柵極（G）、源極（S）和漏極（D）都在同一表面，圖.5為GaN功率器件的一般結構示意圖。

圖5. GaN微波射頻功率管結構示意圖

（注：圖片源自“射頻百花潭"）

采用這種“橫向架構"的水平結構是為了要將在AlGaN/GaN界面上自發形成的具有高電子遷移率的二維電子氣（2DEG）用作電流路徑。這種結構的晶體管統稱為HEMT（High Electron Mobility Transistor），譬如LDMOS以及某些GaAs晶體管也屬于此類。GaN的另一個特點是其晶體可以生長在各種襯底上。因此，盡管曾經能夠生產的單晶材料直徑不大，但可以在相對較為便宜的Si襯底上生長成GaN晶體，對于橫向結構，便可以用大直徑的Si襯底制造GaN HEMT,從而降低造價，便于大批量商用。

橫向GaN HEMT微波射頻功率器件的特征在于使用2DEG來實現高遷移率，與Si或SiC的垂直結構相比，器件各部分電容（如極間電容、寄生電容）顯著減小，柵極電容可比同類器件降低約一個數量級。所以，其響應速度比常規功率器件高幾個數量級，這是GaN微波射頻功率器件最為重要的特征。當然該種器件科研人員也在研究與Si和SiC類似的高耐壓GaN垂直結構器件，而且除了工藝難度之外，持續電流引起的耐壓退化之類的問題還未得以解決，還需要一定的時日和投入加持，GaN HEMT微波射頻功率器件或芯片更優異的功能和性能指標還在持續發展的路上。

辯證法告訴我們，任何技術都具有兩面性，作為第三代的寬禁帶半導體器件的GaN和SiC也不例外。前面我們簡述了關于微波射頻功率器件或芯片的GaN在功能、性能等方面所表現出來的諸多優勢，但它同樣存在著或面臨一個重要問題，而且這個問題對GaN而言更是一個比較嚴峻的考驗，那就是其可靠性問題。

比如，第三代寬禁帶GaN在制造生產過程中由于工藝、材料等原因引起的晶格失配缺陷、源漏歐姆接觸問題、熱電阻問題，設計時因結構計算原因引起的非最佳外延問題，鈍化問題，等等（當然，器件和芯片科研、研制人員也在演進的路上不斷地努力改進、規避、甚至消除這些問題）。

圖6. GaN微波射頻功率器件可靠性問題示例

（注：圖片源自“射頻百花潭"）

這些源于設計、工藝、封裝、生產等各方面的問題都是導致GaN器件內部缺陷、局部失效的潛在隱患，它們將最終導致GaN的可靠性問題，從而表現出GaN在微波射頻功能、性能上的退化、失效，甚至其損毀，嚴重時導致相關模塊局部起火燒毀；況且，微波射頻GaN器件屬于高功率、同等功率密度下相對尺寸、體積較小的高功率發熱器件。

所以，無論從該器件設計、生產本身，還是對于其商業應用，可靠性問題是首要考慮和重視的一個大問題。可靠性問題同時直接關聯著穩定性和安全性，因此，GaN微波射頻功率器件的可靠性問題是其設計開發、生產和應用的首要問題，也是包含集成電路在內的器件生產廠商和用戶需要考慮的問題，其重要性不言而喻。

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圖.7廣電計量微波射頻業務能力板塊