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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。

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