GaN RF 器件对太空任务足够可靠吗？

作者：来自AEROSPACE CORPORATION公司的JOHN SCARPULLA 

 

部署在中地轨道 (MEO) 中的 GPS III 卫星的艺术渲染图。图片来源：The Aerospace Corporation

 

毫无疑问，基于 GaN 的微波器件，即晶体管和 MMIC，具有足够高的成熟度，可以部署在许多地面和机载应用中。然而，它们尚未被纳入长达 15 年的太空卫星任务中，在这些任务中超高可靠性至关重要。

 

在这些太空任务中缺乏部署，当然不是因为任何与性能相关的问题。当基于 GaN HEMT 的器件被用于构建功率放大器时，它们比前一代的 GaAs HEMT有很大的优势，在更高的温度和电压下工作时可以提供更高的功率密度。鉴于卫星设计人员的首要目标是最大限度的减小尺寸、重量和功率，看来GaN 基 HEMT 器件将成为一种新的选择。但是，要为高可靠性卫星注入这项技术仍然是一项艰巨的任务。为什么？

 

根据我在航空航天行业的工作经验—我目前的职位是 Aerospace Corporation公司的技术研究员——我认为GaN 还没有取得应有的成功，部分原因是现有的军事和工业标准都不适用。在指定和获取高可靠性半导体器件时，所采用的整套标准是不合适的，这些标准是在过去 50 年中制定的。

 

早在20世纪60年代和70 年代，当这些标准被构思出来时，硅双极晶体管是射频功率器件的首选。从那时起，出现了几种替代方案，包括 LDMOS、Si-Ge CMOS、GaAs HBT、GaAs MESFET、GaAs pHEMT 和现在的基于 GaN HEMT。 在此期间，GaAs 和 InP HEMT 已经在低噪声放大器中崭露头角，而对于 GaN HEMT 和 MMIC，功率放大器现在被许多人视为“杀手级应用”。半导体器件的测试和质量标准未能跟上时代的步伐，而使问题更加复杂的是对高可靠性太空任务的额外严格要求，如辐射暴露、温度循环、射频多路、密封性和长任务持续时间。结果是问题变得更加棘手。

 

为了弥合这一差距，我与 Aerospace Corporation 公司的同事以及一个由工业、政府、航天承包商、GaN 晶圆厂和学术界组成的工作组合作，制定了一个指南，以帮助制定规范，用于高可靠性空间应用的GaN HEMT器件的测试和鉴定。这项工作的最终成果，是发布了一份 205页的文件，可根据要求向公众提供，该文件涵盖六个主要领域：内在可靠性，侧重于识别所有器件固有的磨损故障模式；外在可靠性，包括对影响可靠性的缺陷密度的表征；电气稳健性，考虑到栅极和漏极的安全工作区域；空间特有的环境因素，例如多重作用和氢中毒；机械完整性问题，例如在高于传统温度下工作的键合线；以及辐射效应，包括考虑各种环境的辐射测试计划。

 

在本专题的其余部分，我将介绍本指南的一些亮点和关键主题。但在此之前，我想强调的是，一般来说，要评估电子器件的可靠性，必须在受控和加速的应力环境中产生故障，因为这允许将故障时间的分布外推到更良性的使用条件。虽然不产生故障的测试乍一看可能是一个积极的结果，但它们在确定故障的物理特性方面并不是特别有用。考虑GaN HEMT的可靠性时采用的正是这种理念。

 

图 1. GaN HEMT 存在许多不同的失效机制。这里描述了更常见的电流，电流箭头显示电子电流。正电荷和负电荷可能会积累以及表面陷阱。使用的缩写是：SCFP 表示源连接场板，TDDB 表示时间相关的介电击穿，2DEG 表示二维电子气，TBR 表示热阻。

 

内在和外在可靠性

 

为了提高 GaN HEMT 的可靠性，许多设计人员添加了一个场板来降低器件漏极侧的峰值电场（此类设计请参见图 1，以及许多失效机制的列表）。虽然这种类型的器件可能会因许多不同的原因而失效，但它不会表现出所有这些特征，因为它们在不同的使用或应力条件下被激活。诀窍是确定在任何给定的太空任务场景中，将控制损伤可靠性的机制。

 

工程师们倾向于将射频功率放大器压缩，因为这会提高功率附加效率。根据放大器是在 A类、AB类、F -1类还是其他模式下工作，IV 平面上的“负载图”（负载线的概括）可能会有很大的变化（参见图 2，它描绘了典型的负载图，并说明了如何根据放大器设计以不同的方式遍历 IV 平面）。

 

现在可以理解，IV 平面上不同位置的失效模式是不同的。我们的工作原理是，在图 2 所示的不同静态点（或“Q 点”）处施加直流应力会发现不同的失效模式。其中一个例子是关闭状态、零电流、高压条件（图中的 Q 点 #4）——这会导致电压或压电应变驱动的失效模式，从而导致表面蚀点和陷阱的产生。

 

相比之下，导通状态、低电压、高电流条件（Q点#2）会产生电流驱动的失效模式，例如触点空洞或电迁移。另外两个 Q 点是“半开”（Q点#3）和 IV 平面中的传统中心点（Q点#1）。从某种意义上说，这是传统的 GaAs 低噪声放大器的可靠性测试已经在那里进行了 20 年 - 这是小信号 GaAs 低噪声放大器的有效策略，其中栅极下沉一直是主要的失效模式。

 

图 2. 射频功率 GaN HEMT 的 DC（线）和脉冲 IV（点）特性，和具有代表性的负载线，以及用于直流可靠性测试的四个建议工作 Q 点。高于临界电压 Vcrit 的阴影区域可能表现出与其下方区域完全不同的电场驱动失效模式，其中热驱动机制可能占主导地位。

 

图 3. GaN HEMT 的漏极 IV 平面和共源极特性示例，显示了安全工作区 (SOA)，对于高可靠性太空任务，必须对其进行极其保守地定义。圆点表示必须位于漏 SOA 之外的烧毁点。临界电压Vcrit定义了时间依赖性退化的开始。图中显示了一个可能的放大器 Q 点，点 C 显示了功率循环测试指南中推荐的应力条件。

 

对于 GaN，需要拓宽思路，以涵盖更多的失效模式。 我和我的合作者的观点是，最好使用 DC 测试：我们主张从阶跃应力测试开始，然后再转向恒定应力测试，以发现多种GaN失效模式。我们还建议进行“飞行测试”射频驱动的寿命测试，因为这有助于将DC结果与实际射频使用条件相关联。请注意，我们的指南中提供了有关合格测试计划建议的更多详细信息。 外部失效模式代表了硬币的另一面，属于器件总体的早期故障。根据 JEDEC 标准 JESD65B，外部模式的“失效机制”直接归因于制造过程中产生的缺陷。这种缺陷包括颗粒、空洞和光刻错误。

 

可喜的是，可以通过适当的测试（例如我们指南中推荐的测试）来筛选出许多这些失效模式。 例如，如果栅漏凹槽区域中存在颗粒或不规则物，这可能导致器件在峰值 RF 电压下过早击穿 - 结合升高的漏极电压和温度来筛选 HEMT 提供了一种有效的解决方案。

 

还可以屏蔽MMIC 中存在的金属-绝缘体-金属电容 (MIMCAP)。 一些人认为，大型 GaN MMIC 的可靠性可能由 MIMCAP 外部故障而不是 HEMT 本身决定。我们的指南中详细介绍了使用的测试结构（例如大面积 MIMCAP 和宽 HEMT）来估计缺陷密度及其相关可靠性的方法。

 

安全工作区

 

当部署在要求所有器件都具有高可靠性的太空任务中时，保守地定义功率 GaN HEMT 的安全工作区域至关重要。图3显示了 GaN HEMT 的典型漏极安全工作区，图中的点描绘了当电压或电流升高时器件突然烧毁的位置。

 

RF GaN HEMT 的共同特征之一是它缺乏明确定义的持续雪崩击穿电压。相反，电压击穿往往是突然的和灾难性的。因此，我们的指南建议为最大安全峰值漏极电压选择一个不超过烧毁电压一半到三分之一的值。同样，出于保守，我们建议对最大漏极电流采用类似的约束。

 

那些使用GaN HEMT的人应该知道，这类晶体管可能存在临界电压，其中失效时间开始由电压或电场控制，而不仅仅是由温度控制。如果是这种情况，以及升高的温度会加速失效时间，则漏极电压会产生这种影响。在我们的指南中，我们提出了各种基于温度和电压的可靠性模型。

 

密封与否？

 

传统上，电子模块，当然还有射频放大器，都是为了太空而密封封装的，原因有很多，包括避免湿气影响、防止有效载荷集成期间可能的溶剂侵入，以及排除来自肮脏发射环境的污染。

 

对于GaN HEMT 的射频放大器，气密性的好处可能正在减少。以密封模块内的最大允许水蒸气含量为例，即 5,000 ppmV。 该要求旨在防止液态水在模具表面凝结。在 1 个大气压下含有 5000 ppmV 水分的内部气体的露点低于水的冰点温度，从而降低了在模具表面形成液态水膜的可能性。

 

人们希望这将防止在过去钝化不良的硅芯片中出现腐蚀机制。现在，在 GaN RF 放大器时代，这种湿度水平可能无法接受。问题是 GaN 及其相关合金家族可以与水蒸气反应生成氨。 如果该反应继续生成氧化镓和氨，5,000 ppmV 的水可以转化为多达 3,333 ppmV 的氨气。

 

请注意，这不仅仅是理论上的问题。在包含 GaN 器件的密封微波组件中发现了高浓度的氨。 这就引出了两个悬而未决的问题：在密封的微波组件内捕获转化为氨的水分是否可以接受？ 目前的要求是否不适用于 GaN HEMT？

 

包含 GaN 芯片的排气模块可能对太空任务更可靠。支持这一观点的一个论据与多核效应和电离击穿有关。所有的密封模块都有一定程度的泄漏，当发射到太空中时，内部气体会慢慢泄漏出去。这将导致内部气体压力下降和帕申间隙（Paschen gap）的惊人减小——这是在特定电压下通过气体电离引起电击穿所需的两个电极之间的距离。当这个间隙变得太小时，可能会在两个相邻的键合焊盘之间或作为电极的两个相邻的键合线之间发生击穿。当气体泄漏时，这种灾难性的电离击穿往往发生在任务的后期。

 

为了避免这一困难，可以将气体完全去除，从而使完全排气的模块飞行，从而在发射后形成真空。但是需要小心，因为存在多核效应的威胁：当从金属表面发射的电子（无论是热电子还是通过场发射）与射频场共振时，它会在真空中发生，从而导致电子雪崩和灾难性损坏。解决方案是将精心选择的几何形状与涂层/泡沫抑制表面电子发射相结合。在我们看来，太空任务的合理方法可能是使用一个高可靠性的排气微波模块，该模块不存在电离击穿和氨积聚，并且具有多核效应缓解功能。

 

辐射效应

 

一种普遍观点是，GaN HEMT 和 MMIC “本质上”是抗辐射的。这种情况源于这样一个事实，即电流仅通过二维电子气（2DEG）中的少数载流子传导。在GaN HEMT中，少数载流子（空穴）寿命可能会因辐射而降低，但影响不大。此外，没有像硅器件中那样的栅氧化物或场氧化物来捕获电荷。GaN或AlGaN表面被较高的表面陷阱密度固定的费米能级上,因此相邻钝化层中的辐射感应电荷几乎没有影响。结果是，在 GaN 中，通常的总电离辐射剂量和位移损伤效应通常是无关紧要的。

 

然而，对于那些正在考虑在太空中使用 GaN HEMT 的人来说，应该关注范艾伦带中被捕获的电子和质子，以及从深空发出的宇宙射线引起的单粒子效应，这些宇宙射线是被剥夺了所有电子的离子。鉴于GaN射频功率器件正被推向越来越高的峰值射频电压，因此有很多需要考虑的因素。

 

当离子撞击发生时，它会留下半导体原子的电离轨迹。由此释放的电子能够在足够的电场下产生电流，从而导致烧毁。这种“单一事件烧毁”现在是 GaN RF 功率器件的一个重要问题。

 

为了确定这些器件对这种形式的烧毁有多敏感，可以使用回旋加速器对其进行评估。以这种方式进行的评估测试表明，要使 GaN 器件在某些空间辐射环境中可用，必须对其进行严重降额。在某些情况下，无烧毁工作电压必须降至额定电压的 30% 或更低。为了帮助在系统层面上更清楚地了解这一主要问题，在我们的指南中，我们有详细的原型辐射测试计划，适用于符合空间要求的 GaN HEMT 和 MMIC。

 

虽然存在与内在和外在可靠性、电气稳健性、环境因素、机械完整性和辐射相关的担忧，但我们相信基于射频 GaN HEMT 的器件可以在太空中实现高可靠性。针对现有电子器件规范中有关GaN RF HEMT 和 MMIC 的空间评估测试和方法的缺失和不适用，我们发布了指南。

 

我们相信这份文件将有助于加快射频 GaN HEMT 和 MMIC 在太空中的应用。 虽然 JEDEC、IEEE、ASTM、AEC 和 NASA 等标准机构正在讨论新的 GaN 标准和要求，但他们的重点不一定是确保太空中的高可靠性。

 

为了填补这一空白，制造商已经介入，开发了自己的测试方法和资格认证。但这导致缺乏标准化，减缓了 RF GaN 在高可靠性空间系统中的应用。我们希望，我们的指南将有助于缓解这种情况，并推动制定用于高可靠性太空任务的 GaN RF HEMT 和 MMIC 评估的行业标准。

 

作者：来自Aerospace Corporation的J. Scarpulla 和 C. Gee，于 2020 年 3 月 5 日发布了TOR2018-00691-A。这份公开文档共有 205 页，200 份参考文献和 8 个附录，涵盖了GaN RF HEMT和MMIC太空资格认证的许多方面。一个进行中的工作组继续改进这份文件。

 

联系方式：如需要索取文件和/或加入工作组，请联系J. Scarpulla (john.scarpulla@aero.org) 

 

附加资格认证主题

 

资格认证主题太多，本文无法一一列举。更多内容在 GaN HEMT 技术的太空认证指南中进行了介绍。

 

该文件各页的详细内容如下：

 

 需要对 GaN 金属化线中发生的电迁移进行全面重新思考的原因。这是必要的，因为现有硅基标准中的传统电流密度安全限值已在 125°C 下运行，而对于 GaN HEMT，尤其是在电流密度高的栅极馈电处，温度可能远远超过这以限值。 

 解释为什么不能根据现有标准对 GaN 芯片进行显微目视检查。由于 GaN（以及典型的 SiC 衬底）是光学透明的，因此显微镜只能“看到”任何非金属化芯片区域的背面。

 一整节专门讨论与高可靠性操作一致的额定值和降额原理，以及标准化额定值数据表。

 许多用于估计 HEMT 沟道温度的测量技术。

 确定无源器件（例如薄膜电阻器、MIMCAP 和背面通孔）可靠性的评估方法建议。

 资格测试清单，以及在选择 GaN HEMT 供应商或工艺时要考虑的“50 个问题”，作为航天界的指南。

 

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