确保高频下的可靠性

实验研究强调了GaN HEMT在5G和6G网络中的机会

作者：Richard Stevenson

美国很多人都梦想着拥有更强劲的汽车、更大的电视、全新的智能手机或更好的扬声器。但是，让我们心情不好的并不是未能拥有其中任何一个。而是当我们很依赖的某个物品不工作时，非常让人恼火。当发生这种情况时，我们被痛苦地提醒，可靠性真的很重要。

在半导体行业中，可靠性被高度重视。多年来，人们一直致力于分析和提高器件的可靠性，并在国际可靠性物理研讨会（IRPS）上报告了许多进展。

虽然这次年度聚会上的演讲仍然以讨论由硅制成的器件为主，但也有大量关于由更宽带隙材料制成的器件的报道。去年，我们在IRPS上报道了与改善SiC MOSFET的稳健性有关的演讲，报道了今年3月底举行的会议上与GaN RF HEMT有关的研究。虽然2021年的会议被新冠阻挠，但今年的与会者可以选择前往德克萨斯州的达拉斯，或者呆在家里参加在线会议。

关于GaN RF HEMT的少数演讲强调了它的高功率、高效率和在高频下工作的能力。由于这些特性，该器件已经在移动基础设施以及国防应用中获得了巨大成功。根据法国市场分析机构Yole Développement的数据，GaN HEMT的全球收入正在实现两位数的增长，预计到2025年销售额将超过20亿美元。

然而，这种美好的未来并不意味着GaN HEMT已经接近完美。现实情况是，还有很大的改进空间。一个主要问题是电荷捕获--这可能发生在势垒内、该层与帽盖之间的界面处，或者发生在沟道或缓冲层中。此外，还有与使用异质衬底相关的缺陷，这些缺陷会导致晶圆的位错、微裂缝和翘曲。

在今年的IRPS上，工程师们报告了与GaN HEMT相关的各种缺点的研究，以及这会如何影响其可靠性。这些工作包含针对毫米波5G的器件的研究，以及对GaN HEMT如何在6G中发挥作用，6G将需要以更高的频率进行数据传输。

瞄准毫米波5G

美国芯片制造商Wolfspeed是用于射频应用的GaN HEMT的领先生产商之一。Satyaki Ganguly代表该公司在IRPS 2022上发言时，概述了Wolfspeed的GaN HEMT在6GHz以下的5G通信的能力，并详细介绍了非常令人鼓舞的，适用于毫米波5G的较短栅极长变体的研究。

对于只有几千兆赫的频率，可以使用多种材料技术来生产具有足够功率的晶体管，包括那些基于SiGe、硅LDMOS、GaAs 以及基于硅和 SiC 的 GaN 的晶体管。"但更高的输出阻抗和更高的功率密度肯定会使GaN器件比其他器件更节能，" Ganguly认为，他声称在采用大规模MIMO和波束成形技术时，GaN-on-SiC还可以节省直流功率。

Ganguly补充说："在6 GHz以上，对于毫米波的应用，氮化镓的好处更加明显。"他指出，GaN-on-SiC在毫米波频率下具有更高的输出功率（参见图1）。

图 1. 对于高频下的高功率，GaN-onSiC 是出色的候选者。

Ganguly继续解释说，Wolfspeed的RF GaN HEMT生长在半绝缘的SiC上，具有AlN势垒和源极连接场板。对于低于毫米波的频率，该公司提供栅极长度为0.4 μm 和 0.25 μm的器件，这两种设计都有在28V、40V和50V下工作的变体。

延伸到毫米波需要减少栅极长度。这是通过一个i-line步进光刻机完成的，用于生产栅极长度为0.15 μm的HEMT。这些晶体管设计为在 28 V 下工作，具有一系列令人印象深刻的特性，包括超过84V的击穿电压、低漏电、超过30 GHz的截止频率（f_T）、高线性度、超过3.5W/mm的输出功率和超过30%的30 GHz的功率附加效率。用这种技术制造的三级MMIC可以提供超过5W的输出功率，并以超过30%的功率附加效率运行。

Ganguly表示，用所谓的 "V5 GaN HEMT工艺"生产的这些0.15μm HEMT进行的鉴定测试取得了巨大的成功。在高温反向偏置测试、直流高温工作寿命测试、温度循环和射频高温工作寿命测试中没有观察到故障。

Wolfspeed的工程师还通过射频和直流加速寿命测试研究了长期可靠性。他们将故障定义为输出功率下降超过1dB或发生灾难性故障，使用射频加速寿命测试，他们确定了在225℃结温下，平均故障时间超过100万小时，也就是超过100年。据Ganguly说，用G28V5工艺生产的器件和现有的G50V3工艺生产的器件，中值失效时间随温度变化的曲线图是相似的，这表明这两种技术具有相似的故障模式。

对于直流加速寿命测试，该团队将故障定义为最大漏极电流减少15%。这表明在225℃的结温下，中值失效时间超过1000万小时。然而，必须谨慎地看待这令人印象深刻的结果，Ganguly警告说。"尽管直流电的结果可能看起来很吸引人，但它可能不是正常运行条件下最重要的可靠性方面。它给出了一个过于乐观的预测。"

Ganguly将性能与ARFL的David Via在一项研究中提供的一系列器件进行比较。结果表明，Wolfspeed的HEMT具有令人印象深刻的中值失效时间（见图2）。在展示这些数据时，Ganguly说，据该团队所称，这是第一个报告栅极长度短至0.15μm的可靠性射频加速寿命测试数据。

图2. 将Wolfspeed的GaN HENT的可靠性与AFRL的David Via提供的数据进行比对，显示前者的可靠性令人印象深刻。

据Ganguly说，随着时间的推移，5G毫米波HEMT的规格可能会从225℃的结温转变为275℃。虽然这会缩短中值失效时间，但可以通过引入该公司用于针对X波段应用的下沉式源连接场板设计来解决这个问题。利用该技术，Wolfspeed已经证明了超过10 W/mm的饱和输出功率，超过18 dB的线性增益，超过60%的功率附加效率，以及在结温为275℃时超过100年的中值失效时间。这些令人鼓舞的数据表明，毫米波HEMT即将取得更好的结果。

完善的加工

正如人们所期望的那样，当使用不同的工艺来生产GaN RF HEMT时，这将影响器件内的载流子捕获，以及其可靠性和性能。帕多瓦大学和UMS已经合作开展了该研究，博士生Francesca Chiocchetta在IRPS上展示了研究结果。

Chiocchetta及其同事生产的HEMT产品组合包括一个对照器件，通过使用等离子体增强CVD对晶体管进行钝化和CF₄等离子体蚀刻来确定栅极脚；以及采用低压CVD进行钝化或用CHF₃等离子体蚀刻栅极脚的变体。

欧洲团队对这些GaN-on-SiC HEMT的研究包括高温反向偏置测试。这既考虑了栅极泄漏电流，也考虑了所谓的 "腹形效应"--这种现象提供了对SiN和GaN帽之间存在施主陷阱的洞察，与小的正栅极电压下的栅源电流分布有关。

对于采用不同的蚀刻形式生产的器件，高温反向偏置测试的结果包括栅极漏电的明显增加，以及由库仑陷阱发射引起的腹形效应。"所以我们可以说，用三氟甲烷做的蚀刻变体并没有提高器件的可靠性，"Chiocchetta推断道。

引入低压CVD进行钝化使HEMT受益。它减少了栅极漏电并抑制了腹形效应。"我们可以说，我们有更好的栅极特性的稳定性，"Chiocchetta说。为了研究他们的HEMT组合中的陷阱行为，该团队转向了漏极电流瞬态测量。绘制漏极电流与时间的关系图，发现了与去捕获过程相关的两个瞬态。蚀刻和钝化过程只影响了较慢的瞬态，这被认为与跳跃和表面现象有关。

Chiocchetta透露，研究团队现在正开始研究击穿前的栅极应力，使用电致发光来识别沿栅极指的缺陷。希望在确定每个器件内缺陷的确切位置后，可以使用透射电子显微镜进行更深入的分析。这可能会暴露出对照器件与钝化和蚀刻变体之间的差异。

研究陷阱

在 RF GaN HEMT 的生产过程中，工艺工程师将铁掺杂引入缓冲层，以确保它是半绝缘的。这一步骤增加了击穿电压，但也增加了可能降低可靠性的陷阱。

在摩德纳大学，研究人员一直在研究铁陷阱对0.1μm GaN-on-SiC HEMT随时间变化的电压的影响。该团队发现其器件中铁陷阱的占有率随时间变化，他们声称这可能会严重影响部署在即将到来的5G革命中的GaN HEMT的可靠性。

工程师们在实验评估了缩放GaN HEMT上的随时间变化的击穿电压，并研究了随时间变化的击穿电压和铁阱动态之间的相关性后得出了这个结论。研究人员Marcello Cioni告诉IRPS的代表们，他们工作的目标是通过改变断态脉冲的长度来实现脉冲电流电压特性，以评估 GaN HEMT 的随时间变化的击穿电压。所做的努力包括对处于关断状态的器件施加较短的漏源电压，并使用漏极电流在高达3 mA/mm的关断时间范围内重建击穿曲线。

工程师们将击穿电压定义为漏极电流开始垂直增长的电压。Cioni说："这是雪崩产生的标志，"他说，要发生这种情况，需要有一个泄漏路径和一个高电场。

为了确定泄漏路径的原因，Cioni和他的同事测量了一系列漏源电压下的漏极、栅极和源极电流。将所有这三种电流绘制成图暴露了源极注入是导致器件击穿的原因。

通过将模拟与不同漏源电压下的漏极电流的测量结合起来，在一定的关断时间内，研究小组得出结论：关断时间越长，被捕获的电子浓度就会增加，从而降低高场区的自由载流子浓度。这导致器件击穿的电场更高。随着关断时间的缩短，铁阱中被捕获电子的浓度降低，而自由电子浓度增加，减少了触发击穿所需的电场。较短脉冲的另一个影响是雪崩率增加，这也导致击穿电压降低。

用于6G的氮化镓

在接下来的几年里，5G的推广将继续进行。对于那些已经接入该网络的人来说，他们的服务可能还不包括毫米波传输，所以显然还有很长的路要走。然而，尽管还有很多工作要做，一些工程团队已经在考虑可能从2030年左右开始部署的继任者6G。

图3. 对于所有的半导体技术，随着频率的增加，饱和输出功率显著降低。这个数据来自于由乔治亚理工学院的 Hua Wang 和同事提供的功率放大器性能调查。

很多人正在评估这项技术可能采取何种形式，以及GaN可能在其中发挥什么作用，其中包括来自美国GlobalFoundries的Ned Cahoon。在IRPS会议上，他详细介绍了6G的功能，可能采用的频率，以及最适合构建下一代网络的芯片技术。

人们可能会问，鉴于我们今天所拥有的能力，是否有必要建立6G。然而，Cahoon认为，对数据的需求是永不满足的，同时带宽和数据速率大约每18个月就会翻一番。

他告诉代表们，最近数据传输的增长是由视频驱动的--今年预计它将占移动流量的79%--而未来的驱动力将是沉浸式视频和多感官体验、传感器驱动的人工智能元数据和全息远程呈现的组合。

Cahoon说："6G有望比5G网络性能提高一个或几个数量级，"他补充说，它将提供高达1 Tbit/s的数据速率，0.1 ms的超低延迟，以及约1厘米的高精度定位，实现联合感知和通信功能。

为了提供所有这些功能，需要使用亚太赫兹频域，利用100GHz和300GHz之间的大量可用频谱。在这个域内，相应的波长约为一毫米左右。这导致了更高分辨率的雷达，它支持6G的联合通信和传感目标，并能使用更小的天线。

亚太赫兹范围存在着一些挑战。"100 GHz以上的损耗要高得多，"Cahoon解释说，他指出自由空间损耗随着频率的平方而增加，此外，芯片内外的路由损耗也非常高。

"更重要的是，基本的器件性能要差得多，"他补充说，通过展示所有技术（包括CMOS、SiGe、GaN、GaAs、LDMOS、InP、振荡器和乘法器）的饱和输出功率随着频率的增加而下降来说明这一点（见图3）。"因此，在天线接口的相控阵前端，所有重要的参数都会变得更糟--对于PA来说，增益输出功率和效率都会变差很多；对于LNA来说，增益和噪声系数会变差很多--这直接影响到发射输出功率和接收灵敏度。" 反过来，链路范围和数据速率也会受到影响。

随着频率的增加和波长的相应减少，另一个主要问题是相控阵间距的减少。从具有8 x 8 阵列的 28 GHz芯片到等效的300GHz芯片，芯片尺寸从47 mm x 47 mm缩减到只有5 mm x 5 mm。除了需要在更小的空间容纳电路，同时扩大尺寸外，还需要克服热管理的挑战。

幸运的是，相控阵技术解决了半导体技术在更高功率下输出功率的降低以及传播损耗的增加，这要归功于将发射的功率集中到聚焦的光束中并提高接收器的灵敏度。

 图4. 一些半导体技术的最大振荡频率不够高，不足以成为6G技术的候选者。经验法则是f_max应该至少是载波频率值的五倍。

"这种阵列增益的优势降低了所需的功率元件，"Cahoon解释说。"此外，在给定的孔径尺寸内可以容纳的元件数量随着频率的平方而增加，所以最终的结果是，即使移动到亚太赫兹频率，我们也可以保持相同的链接预算，例如，5G毫米波相控阵，每个元件使用较低的功率输出，并具有更小的物理阵列孔径，但在该阵列内却有更多的元件。"

由于f _T和最大振荡频率f _max需要大约是所用载波频率的五倍，对于6G来说，这些值需要超过500 GHz。这一经验法则表明，CMOS和SOI技术是不够的，因为它们的性能在450 GHz左右达到顶峰（见图4）。虽然GaN也没有达到这个基准，峰值在420 GHz左右，但SiGe和InP已经超过了高频目标。

Cahoon还比较了各种技术的前端性能，并认为InP和GaN名列前茅。"这些材料系统比硅有明显的优势，包括更高的击穿电压，更高的电流和功率密度，以及更高的电子迁移率和饱和速度。" 这些属性的结果是在亚太赫兹频率下明显更好的功率放大器。

然而，Cahoon警告说，InP和GaN技术存在着挑战。他指出，通过多芯片架构，却与逻辑电路的集成受限，与硅技术相比，成本相对较高。Cahoon强调，对于所有的半导体技术来说，必须要有一个全面的射频可靠性方法。"这在6G中尤其重要，我们已经在器件性能方面面临挑战。" 在确保可靠性的同时达到高水平的性能绝非易事。增加5G和6G的挑战是需要处理具有高峰值的复杂波形，这种情况会导致器件经历一系列退化状态。

"因此，重要的是要有经过更严格验证的、基于物理学的可靠性退化模型，这些模型可以插入可靠性模拟器中，该模拟器可以根据这种复杂的波形进行寿命估算。"

Cahoon还回顾了用各种技术生产的PA的D波段性能。他指出，硅的附加功率效率很低，大约为13%。InP在这方面的数字最高，达到了32%，而GaN产生的输出功率最高。对于低噪声放大器来说，情况类似，InP的噪声系数最低。除了功率放大器和低噪声放大器之外，5G和6G网络还需要相控阵。Cohen 通过描述由 Analog Devices 制造的典型 5G 28 GHz 最先进阵列来介绍这个主题。该板载天线相位阵列采用 45 nm 绝缘体上硅工艺制成，在 PCB 的一侧有芯片，另一侧有天线元件。在这个 50 mm x 50 mm 的阵列中，每个芯片的功耗约为 5 W，因此功耗密度约为 10 W cm ^-2 。为了散热，有一个与芯片热接触的大型散热器。

为了发展到适合6G的140 GHz阵列，耗散的功率密度有可能激增，但必须保持在10-20 W cm^-2。这适用于 器件。"我们可以看到更高效率的磷化铟对降低阵列总功率的牵引作用，但这也带来了当今磷化铟缺乏集成能力和高成本的挑战" 因此，在当前努力提高其高频能力的推动下，可能会采用 SiGe 器件。距离 6G 还有一段路要走，现阶段很难说 GaN 将在其中发挥什么作用。但对于毫米波 5G 来说，这是一个很好的机会，这得益于加深对可靠性障碍的理解以及如何解决这些障碍的努力。这一主题的成功有望成为IRPS 会议未来几年的亮点之一。

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