浅谈GaN功率器件应用可靠性增长

李相剑

无锡威孚高科技集团股份有限公司，江苏无锡 ，214000

摘要：作为雷达T/R组件核心元器件，GaN功率器件的输出功率、功率密度日渐提高，这对器件长期使用安全可靠性提出更高要求。对此，本文通过分析GaN功率器件失效原因，发现电压过冲、工作结温过高、栅流电压稳定性会影响GaN功率器件长期应用可靠性。针对此，本文提出了行之有效的优化对策，通过加强管理漏极电压过冲问题、强化栅压稳定性、调节GaN管芯沟道温度的方式，提高GaN功率器件应用可靠性，希望此次分析可以为相关业内人士提供参考与借鉴。

关键词：GaN功率器件；电压过冲；漏源偏置电压；优化对策

引言：新型导弹、隐身飞机、无人机、巡航导弹等新目标出现，对雷达技术提出较高要求，雷达装备必须具备精密探测能力。分析可知，无论是无人机还是巡航导弹，此类目标均具有飞行高度高、飞行速度变化大、反射面积小等特点，这对雷达预警探测系统提出巨大挑战。因此，若想保证雷达威力，提高探测精细性，需要高功率固态发射机支持，同时也需要射频功率放大器具备较大输出功率。    而分析GaN功率器件可知，在实际应用中表现出高效率、高功率、高可靠性优势，但应用到现代雷达及装备中，必须采取有效措施提高GaN射频功率器件漏源工作电压，使得输出功率、功率密度可以不断提升。针对此，文章深入探究GaN功率器件失效原因，并提出有效措施，提升其应用可靠性。

一、GaN功率器件失效原因分析

（一）电压过冲

如图1所示，为典型GaN功率放大器电路。分析可知，GaN功率放大器如果工作在脉冲条件环境下，为有效避免射频脉冲信号宽度损失，往往会让漏极电压脉宽超过信号脉宽，并且将信号脉宽嵌入到漏极电压脉宽中。而当输入微波信号出现突然断开情况，此时功放漏极电流会发生较大变化，以非常快的速度降低[1]，并且因为偏置线的存在，使得感抗Ls会对电流突变产生一定阻碍作用，此种情况下功率放大器漏极电压为：U=Vds+Ls（di/dt）。当中di/dt表示功放漏极电流变化率，Vds则代表功放正常工作电压，而dt表示发射射频脉冲下降沿。由于GaN功率管、芯片，其射频开关速度非常快，无论是上升还是下降沿，都可以达到10 ns以下量级。

图1 GaN功率放大器电路

结合当前GaN功率器件实际工艺水平，通常情况下，漏源中的击穿电压大约是额定工作电压Vds的三倍。所以，即使漏源过冲电压低于GaN功率器件击穿电压，还是会造成GaN功率器件管芯漏端栅边缘出现较高垂直电场，由于受到高电场的影响，使得区域内出现较大拉伸力。若是长时间运行，导致拉力大于管芯材料承受极限，会直接造成管芯晶格发生断裂，严重影响管芯性能与功能发挥，最终导致GaN功率器件长时间工作失去稳定性，容易出现一系列问题。

（二）工作结温过高

    分析雷达中的GaN功率器件可知，一般会应用到大功率发射组件中，从其实际应用情况看，表现出长脉宽、高功率、高压、高占空比特点，但也正是因为这种应用特点，使得功率管管芯散发出较多热量，并且这些热量无法及时散发，当功率管管芯聚集较多热量后，会造成结温升高。如果管芯结温不断增大，会对管芯内部欧姆接触产生加速作用，使得肖特基开始退化，同时也加速金属电极和材料的相互扩散、表面钝化层介质退化速度，最终对GaN功率器件长期工作可靠性产生巨大影响。除此之外，在高温影响下，由于势垒高度发生明显降低，会加剧热电子发射强度，此时器件栅泄漏电流也会明显增大，这种情况下，会直接降低栅特性，导致GaN功率器件工作可靠性受到直接影响[2]。

（三）栅流及其对可靠性的影响

    在雷达T/R组件发射功率放大器中应用GaN功率管，通常是AB类工作，并且饱和深度非常高。如果输入功率大于功率管线性工作范围，会产生栅流，如图2所示，为栅极电压振幅、漏极电流、栅极电流情况。结合该图分析可知，当输入功率过剩时，与正常工作区间相比，栅电压会明显增大，其中虚线部分就是超出部分，图中P点和Q点，主要代表栅电压摆幅范围，和实际负载线不相符。当输入功率增大时，起初为负方向栅电流，如（a）所示。当输入功率不断增大后，此时的正向栅电压会大约栅二极管自建电场，如（b）所示，为正方向栅电流。因为受到栅极电阻的影响，栅流会影响栅压，导致功率管工作点漂移、功放无法保证稳定性。

图2 栅极电压振幅、漏极电流、栅极电流曲线

二、GaN功率器件应用可靠性提升对策

（一）加强管理漏极电压过冲问题

为有效提升GaN功率器件应用可靠性，可以采取以下措施：

第一，为了减少漏极电压过冲问题，可以减小寄生电感实现。分析可知，若想减小寄生电感，可以从两方面入手，其一，改变馈电线粗细，通过加粗方式减小馈电电感，或者1/4波长线电感量；其二，可以将适量的电容增加到漏极调制输出端，用于消除寄生电感。结合实践应用情况看，如果采用加粗馈电线方式，会对GaN功率管放大器高集成度产生一定阻碍，而对于电容器容值大小选择，应当充分考虑到电容器容值是否会影响功率管栅漏电源加电时序，因为漏极电容如果过大，会引发发射脉冲下降沿过大

[3]。

    第二，为了减小漏压过冲，也可以采取减小功放漏极电流变化（di）实现。在具体操作中，可以提高栅压，使得功率管静态电流增大，进而降低微波信号关断瞬间电流变化程度。分析可知，按照此种方式减小漏压过冲，会直接影响GaN功率放大器工作效率，此外，由于静态电流释放后，可以进一步提高器件增益，进而降低工作稳定性，极易引发器件自激问题。

第三，整形时域波形，能够起到减缓发射脉冲下降沿速度，改善漏压过冲的作用。简单说，主要就是运用GaN功率放大器的漏极调制电路，将其中的输出漏压调制信号视为最终射频输出波形，如图3所示，射频激励脉冲波形，主要位于脉冲调制波形外侧。

图3 发射脉冲时序图

（二）强化栅压稳定性

参考图1功率放大器电路原理图可知，如果栅极加电与GaN功率管栅极，二者之间串联电阻R1，若是栅流I8，则GaN功率管栅极电压Vgg =-2.8+R1xI8，如果产生栅流，则GaN功率管栅极电压会和正常工作电压发生偏离，进而影响工作点原本位置，从而导致其工作稳定性受到影响。通常情况下，放大器内全部GaN功率管栅极电压都是由外部电源提供，其电压为-5V，但是不同GaN功率管栅压存在较大差异，为解决此问题，可以将一级栅极分压电路增设在GaN功率管栅极电路周围，该分压电路主要作用就是调节栅压幅度大小。通常，较为常用的栅极分压电路包含了两种：其一，电阻分压，采取电阻分压方式需要充分考虑到带载能力，并且在选取阻值时，应当关注栅流大小，主要目的就是避免栅压出现拉偏情况。其二，增加线性稳压器，这种方式需要控制好电流能力，将其保证在器件最大栅流范围内，因此，建议选用具备双向栅流的稳压器，以此来增强栅极电压稳定性。

（三）管控好管芯工作结温

    首先，可以优化设计管芯或匹配电路，达到改善结温的目的。一般情况下，可以增加功率放大器效率，使得热耗情况减弱，从而调节管芯工作结温。此外，也可以针对管芯漏极进行调节，或者选择匹配的电路金丝，达到优化管芯内部不同管包间热均匀性效果，使得管芯结温得到合理控制。

    其次，可以合理选择管芯衬底材料。现阶段，多数主流管芯衬底材料主要为Si、SiC衬底，基于理论视角，Si衬底材料的热导率为15 0 W /（ m ·K），而SiC衬底的热导率则为490 W /（m·K），依据此特点，可以使用更高功率量级GaN功率管芯衬底。在日后发展中，管芯功率密度会不断增加，为满足需求，可以使用更高热导率材料作为管芯衬底材料，比如金刚石材料等。其中金刚石热导率为1350 W /（m·K），可以进一步提升管芯功率密度，从而优化管芯结温。

    最后，为了更好调节GaN管芯结温，可以借助液冷技术提高换热效能。在实际应用中，一般会借助管芯正下方的冷板设计流道，让其流入冷却液。对于流道设计，可以将矩形强化肋安装在热源下方流道内，可以借助矩形肋片，使得扰动、湍流度增加，使得散热面积得到扩大，从而使得冷板换热能力得到提升。

（四）可靠性试验验证

    结合GaN功率器件使用寿命看，能够超过百万小时运行，在对其可靠性试验验证过程中，可以按照直流应力试验、射频应力试验展开。分析可知，在射频应力试验中，可以真实反馈出功率器件应用过程中受到的应力情况，所以，建议通过加射频方法，完成加速寿命试验。

   例如，在某S波段的GaN功率放大器，其输出功率为250W，该数值主要指的峰值，可靠性预计值为λ≤0.8x10-6/h；根据本文提出的优化措施，如控制过冲电压、控制栅压、改善结温等方法，控制在最大脉宽、工作比条件下，并保证70℃热台环境，得到管芯最高结温为145℃。根据设备温度限制，在130℃热台时，采取提高功率载片脉宽、工作比方法，借助红外热像仪可以测试得到数据，发现能够将管芯最高结温提升到220℃。依据有关规定，置信度60%时，GaN功率器件失效率可以按照公式计算：λ＜其中X代表置信度符号；T*代表试验累计元件小时数；r表示失效数。经过相关试验，最终发现功率载片的输出功率满足要求，并且和预计值相比，远远大于其可靠性。

结束语：

综上所述，通过本文对GaN功率器件失效影响因素分析，不难发现，电压过冲、工作结温过高、栅流电压稳定性会影响GaN功率器件长期应用可靠性，为解决这些问题，必须采取有效措施解决，对此，文章结合实践应用，提出了提高栅源电压稳定性、降低漏源过冲电压、改善GaN管芯沟道温度的方法，使得GaN功率器件在实际应用中可以提高其可靠性。

参考文献：

[1]李兆程，应耀，车声雷.面向5G应用第3代半导体功率器件的高频低功耗MnZn铁氧体研究进展[J].硅酸盐学报，2023，51（04）：949-956.

[2]夏达，蔡晓波，孙引进.GaN功率器件调制电路在T/R组件中的设计与应用[J].微波学报，2022，38（06）：67-70.

[3]秦海鸿，董耀文，张英，徐华娟，付大丰，严仰光.GaN功率器件及其应用现状与发展[J].上海电机学院学报，2016，19（04）：187-196+215.