【氮化镓】GaN HEMT失效物理和可靠性

概述：

本文是一篇关于AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）的失效物理和可靠性研究的综述文章，发表在2013年10月的《IEEE Transactions on Electron Devices》上。文章由Enrico Zanoni等人撰写，主要关注了影响栅极边缘和肖特基结的失效机制，并探讨了提高这些器件可靠性的方法。以下是对文章的详细分析总结：

引言部分（Introduction）

引言部分介绍了GaN基HEMT技术对微波电路和系统设计产生的颠覆性影响。GaN的特性及其形成的异质结完美地满足了无线和卫星通信系统、先进雷达和军事电子对抗系统对功率、带宽、效率、操作频率、鲁棒性、操作温度等的需求。文章还提到了微波系统从这些改进中受益的不同方式，例如更高的效率可以减少基站尺寸和功耗，更高频率和功率可以缩小终端用户的天线尺寸，提高宽带无线互联网连接的性能（数据传输率），以及为基于宽带和多频带天线系统的多功能雷达系统设计提供高功率密度。阐述了GaN基HEMT技术在微波电路和系统设计中的应用及其带来的显著改进。

表 I 工业实验室进行的长期加速测试总结

1. GaN基HEMT技术的影响

文章首先指出，GaN基HEMT技术对微波电路和系统的设计产生了颠覆性的影响。这种影响主要体现在以下几个方面：

• 功率和带宽的增加：GaN基HEMT技术能够提供更高的功率和更宽的带宽，这对于满足现代通信系统的需求至关重要。
• 效率的提高：更高的效率意味着更低的能耗，这对于减少基站尺寸和功耗具有重要意义。
• 操作频率的提高：更高的操作频率使得卫星通信和电视广播系统能够使用更小的天线尺寸，从而减轻终端用户的设备负担。
• 鲁棒性的增强：GaN基HEMT器件能够在更广泛的温度范围内稳定工作，提高了系统的可靠性。
• 操作温度的提高：与GaAs技术相比，GaN基HEMT能够在更高的温度下工作，这对于军事和航空应用尤为重要。

2. 微波系统的应用价值

文章进一步讨论了微波系统从GaN基HEMT技术改进中受益的具体方式。例如，更高的效率可以减少基站的尺寸和功耗，这对于蜂窝网络的建设和运营具有显著的经济意义。此外，卫星通信和电视广播系统能够利用更高的频率和功率，从而允许终端用户使用更小的天线。这不仅提高了系统的便携性，还降低了成本。

3. AlGaN/GaN或InAlN/GaN异质结的优势

还强调了在HEMT中使用AlGaN/GaN或InAlN/GaN异质结所带来的优势，包括：

• 更小的器件尺寸：在相同的输出功率下，可以使用更小的器件，这使得匹配更容易并减少了损失。
• 高电压操作：这提高了功率放大器的效率，并减少了电压转换的需求。
• 更高的电流密度：与GaAs相比，GaN基HEMT的电流密度至少高出两倍。
• 宽能隙GaN：宽能隙GaN使得器件能够在更高温度下工作，这对于高温环境下的应用至关重要。
• 高热导率的SiC基底：SiC基底的高热导率有助于器件的冷却，这对于高功率应用尤为重要。

4. 可靠性研究的重要性

随着GaN HEMTs和单片微波集成电路（MMICs）的商业化生产，这些器件的可靠性受到了越来越多的关注。文章指出，为了提高GaN MMIC的可靠性，已经开展了许多研究项目。这些项目的目标之一就是提高GaN HEMT的可靠性，这在近年来已经取得了显著的进展。例如，通过使用沉积或原位生长的SiN来钝化表面状态，并使用场板来控制电场，从而减少了导致电流崩溃的寄生效应。

5. 文章的研究目的

最后，明确了文章的研究目的，即对GaN HEMT的失效物理和可靠性进行综合回顾。文章将基于文献数据和未发表的结果，讨论影响栅极边缘和肖特基结的物理效应，并探讨器件退化的起源。

第一部分：长期加速测试总结（Long-Term Accelerated Tests Summary）

文章首先总结了工业实验室对GaN HEMTs进行的长期加速测试，包括测试参数和参与研究的团队。这些测试结果通常通过Arrhenius法则外推得到，使用设备参数的一定程度退化作为失效标准。然而，由于测试条件的不同，如不同的测试类型（直流和射频）、不同的失效标准、不同的栅长、操作频率和测试中使用的电压和电流值，这些结果之间的比较存在困难。此外，Arrhenius法则外推还面临其他问题，如激活能的准确知识、高温测试得出的高激活能机制可能在低温操作条件下被忽视等。

1. 加速测试的背景和意义

加速测试是评估半导体器件可靠性的一种常用方法。通过在比正常操作条件下更严苛的条件下对器件进行测试，可以更快地获得关于器件长期行为的数据。这对于预测器件的寿命和制定改进措施至关重要。特别是在GaN HEMTs这样的高性能器件中，了解其在极端条件下的行为对于确保其在关键应用中的可靠性至关重要。

2. 加速测试的主要参数

文章中提到了多个研究团队进行的加速测试，并总结了这些测试的主要参数。这些参数包括测试的温度、电压、电流等，以及测试的类型（直流或射频）。每个研究团队根据自己的研究目标和可用资源选择了不同的测试条件。例如，一些团队可能更关注高温下的直流应力测试，而其他团队可能更关注射频应力对器件性能的影响。

3. 研究团队和测试结果

文章列出了参与加速测试的不同研究团队，并提供了他们的测试结果。这些团队包括大学、研究机构和工业实验室。每个团队都使用了自己的测试设备和程序，这导致了不同的测试结果。这些结果通常以中位失效时间（MTTF）表示，并根据Arrhenius法则进行外推，以预测器件在正常操作条件下的寿命。

4. Arrhenius法则在加速测试中的应用

Arrhenius法则是描述温度对化学反应速率影响的物理法则，它也被广泛应用于半导体器件的可靠性测试中。根据这个法则，失效时间（TTF）与温度的关系可以表示为指数函数，其中激活能（Ea）是决定失效速率的关键参数。通过在不同的温度下进行测试，可以获得不同激活能的值，并用于预测器件在不同温度下的可靠性。

Arrhenius法则是化学动力学中的一个基本法则，它描述了温度对化学反应速率的影响。在半导体器件的可靠性测试中，Arrhenius法则被用来预测器件在不同温度下的寿命和失效行为。在加速测试中，Arrhenius法则用于将高温下的测试结果外推到较低的操作温度，从而预测器件在实际应用条件下的长期可靠性。

Arrhenius法则的基本原理

Arrhenius法则的基本形式如下：

$eq?t_%7B%5Ctext%20%7Bfailure%20%7D%7D%3Dt_0%20e%5E%7B%5Cfrac%7BE_a%7D%7Bk%20T%7D%7D$

其中：

• $eq?t_%7B%5Ctext%20%7Bfailure%20%7D%7D$是失效时间，即器件在特定条件下运行直到失效的时间。
• $eq?t_0$是一个与材料和结构有关的预指数因子，它包含了所有不依赖于温度的失效机制。
• $eq?%7BE_a%7D$是激活能，它是一个能量阈值，代表使器件失效的物理过程开始进行所需的最小能量。