设为首页 | 收藏本站

关于氮化镓器件的可靠性与失效模式

发表时间:2021-12-23 18:04作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

与采用其他半导体技术工艺的晶体管相比,氮化镓晶体管的一个主要优势是其工作电压和电流是其他晶体管的数倍。但是,这些优势也带来了特殊的可靠性挑战。


其中挑战之一就是因为栅极和电子沟道之间通常使用的氮化铝镓。氮化铝和氮化镓的晶格常数不同。当氮化铝在氮化镓上生长时,其晶格常数被迫与氮化镓相同,从而形成应变。氮化铝镓势垒层的铝含量越高,晶格常数之间的不匹配越高,因此应变也越高。


然后,氮化镓的压电通过反压电效应,在系统内产生更大应变。如果氮化镓的压电属性产生电场,则反压电效应意味着一个电场总会产生机械应变。这种压电应变增加了氮化铝镓势垒层的晶格不匹配应变。




在正常运行中,在栅极靠近漏极的边缘位置,氮化镓场效应管不得不承受高电场。如果场效应管设计不当,则反压电效应在势垒层上产生的额外应力可能导致器件破裂和退化。图3-1所示为带源极和漏极的氮化镓场效应管,并且有电压施加到栅极。图3-2所示为反压电效应造成的材料结构性能退化。



为降低和消除氮化镓晶体管的本征故障模式,技术人员需要适当设计半导体势垒层的结构和厚度,提高半导体表面的强度。如果设计适当,这种失效模式可以消除。


今天,氮化镓晶体管的可靠性非常好,在200 摄氏度下,MTTF超过1000万小时,这与其他半导体相当甚至更好。更为重要的是,Qorvo等公司已经证明,在200 摄氏度下,器件工作100万小时的失效率低于0.002%。


图 3-3所示为 Qorvo公司第二代 0.25μm 氮化镓场效应管技术的典型可靠性阿伦尼乌斯图。



利用Qorvo 技术管理热设计挑战

功率放大器的器件技术总是关于在相同或较高速度下,如何增加晶体管的射频功率密度和增益。功率密度和增益的提高可以减少增益级数和合成损耗,并且最终限制芯片在给定频率下,可以提供的原始功率、增益和效率。


功率密度的不断提升推动相关技术从硅转移到标准砷化镓,再到高压砷化镓,最终到氮化镓。

随着技术向高功率密度场效应管技术的迁移,器件的温度管理问题也在增加。保证器件的“凉爽”是重要的,这是因为高温导致器件的原始性能和可靠性退化。在理论上,氮化镓在相对较高频率下,可提供的功率密度超过20W/mm。但是,在实际中,由于在非常紧凑的空间内,大量热量的散发造成高温,氮化镓的使用被限制在5 W/mm以下。


热设计挑战是碳化硅成为高性能射频应用首选衬底材料的最终原因。碳化硅的导热性就像氮化镓的高射频功率一样重要。也正是这个原因,Qorvo等公司已经开始研究金刚石等热属性更好的衬底材料。


为管理今天的热设计,电路设计人员让热量在半导体表面扩散,增加器件单元之间的距离或缩小器件单元。但是,热设计不仅仅是芯片层面。封装工程人员也必须帮忙,因为芯片封装接口的热通量也较高。为确保氮化镓器件器件能够提供最大限度射频功率密度,芯片与封装包之间的良好热接口极为重要。


在氮化镓技术中,热设计与电气设计同等重要。


化合积电为我国率先开展GaN&Diamond研究的企业,在GaN&Diamond三种结合方案中,均取得了突破性进展。现有GaN on Diamond、Diamond on GaN以及GaN&Diamond键合所需金刚石热沉片,对标国际一流。化合积电现有金刚石热沉片和晶圆级金刚石产品技术指标达到世界领先的水平,晶圆级金刚石生长面表面粗糙度Ra<1nm,金刚石热沉片的热导率达1000-2000W/m.K。我们仍将持续科技创新,争当科技进步的驱动者和贡献者,让前沿技术助力相关应用领域腾飞发展。

热门文章

2022

05-18

发光二极管(LED)与传统的白炽灯相比具有驱动电压低、节能、高稳定度、响应时间短、不含有害的金属汞等优点。美国等国家对LED照明效益进行了预测,美国55%白炽灯及55%的日光灯将被LED取代‚每年可节省350亿美元电费,减少7.55亿吨二氧化碳排放量。然而LED的的发光功率较低,通常每组信号灯需由300~500只二极管构成,如果能低成本制备出高功率的LED将更有利于LED 的广泛使用。据称高...

2022

05-17

GaN 功率器件的理论输出功率密度可达40 W/mm 以上,但是由于现阶段因其自身热效应问题导致 GaN HEMT 器件功率密度仅为 3~5 W/mm,由此可见其自身优势远远未发挥。主要原因是在高偏置电压工作状态下,过大的功率耗散导致器件升温,而传统的低热导率衬底和散热途径的散热能力有限,阻碍热量向周围环境扩散,进而加强声子散射,引起势阱中载流子迁移率下降,使器件的静态 I-V 特性衰减,这...

2022

05-16

用于热沉领域的金刚石薄膜的必须具有高热导率,这就要求制备的金刚石薄膜纯净,缺陷少,面积大,同时还要求有较高的生长速率以降低生产成本。采用具有等离子体密度高、无放电电极污染、控制性好等优点的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,是工业上制备热沉金刚石的理想方法。MPCVD沉积装置不仅能沉积高纯度的金刚石膜,沉积速率也可以通过增大微波功率来提高。用5KW 微波功率的MPCVD,可以以10μm...

2022

05-15

随着半导体器件功率密度的不断攀升,对热管理材料热导率提出了更高要求,具有超高热导率的第四代封装材料金属/金刚石开始进入了人们的视野,产业化趋势明朗。近年来,以金刚石为代表的高性能热沉衬底材料,正朝着高散热性能、低热膨胀、高强韧、超薄等方向快速发展,有望突破国家重大战略需求如航天、电子通讯及器件等领域的技术发展中面临的高功率电子器件散热瓶颈问题。电子封装产业链结构尤其是宽禁带半导体器件、高功率...

2022

05-14

众所周知,大功率二极管泵浦固体激光器应用广泛,在工业加工领域主要有激光切割、打磨、焊接;在国产航空母舰、护卫舰、潜水艇等船舶的建造过程中,使用大功率激光技术对复杂形状的厚钢板进行切割焊接;军事领域主要应用在激光武器上,如激光导弹、激光扫雷战车、大功率激光炮;在科学研究、医疗手术、居家娱乐、生物化学、太空探索等领域,都具有极高的实用价值。但激光二极管泵浦的固体激光器的热效应问题严重影响了激光器...

2022

05-13

随着无线通信和雷达等系统的工作频率向毫米波频段扩展,传统半导体材料无法满足毫米波新兴系统对功率放大器件在输出功率、效率、工作带宽和热稳定性等方面的要求。而GaN 材料在工艺成熟度和制备成本上有更大的优势,GaN 功率器件和射频器件成为了雷达、电子战和第五代移动通信(5G)等系统在毫米波频段重要的功率放大器件。理论上,GaN 功率器件的输出功率密度可达40 W / mm 以上,但是由于现阶段因...
新闻中心
>行业动态


产品中心
>金刚石热沉片
>金刚石氮化镓
>氮化铝薄膜
>压电氮化铝薄膜

联系我们
>联系我们


E-mail:sales@csmc. tech Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:Changchundoing Shinchon-ro 2nd floor
2108 ho Seodaemoon-gu Seoul, Korea
上海办事处:上海市嘉定区浏翔公路955号小美科技园5号楼407室

点击这里给我发消息