GaN（氮化镓） HEMT（高电子迁移率晶体管）的可靠性实际上已经得到了广泛认证，一方面，在电源市场中，采用GaN的快充已经持续了几年，与此同时，在通信市场中，GaN的出现让业界放弃TWT（行波管）放大器，转而使用GaN放大器作为许多系统的输出级。而这些系统中的驱动放大器仍然主要使用GaAs，这是因为这种技术已经大量部署并且始终在改进。另外，更早的应用则是在LED中，GaN取得了绝对的竞争优势。

　　然而，直到今天，尽管GaN在工业和车规级的应用前景已经被无数次证明，但目前业界最为关心的仍然是可靠性问题。

　　可靠性与预期使用寿命有关，通常以平均无故障时间来衡量。可靠性可以通过测试和测量和确定。证明和提高设备可靠性是一个持续的过程。它首先对被测设备 (DUT) 施加压力，直至其发生故障，然后识别故障机制、开发故障模型，并改进后续设备设计或制造工艺，希望具有更高的可靠性。

　　氮化镓 (GaN) 是一种成熟但仍在不断发展的功率转换技术。GaN 的操作和物理性质与硅 (Si) 不同。这意味着需要开发新的方法来确定 GaN 的可靠性。实际上，几家GaN公司都介绍了自己公司针对GaN进行的可靠性测试，而且显然超过了目前行业指南和标准的要求。

　　关于行业指南：JEDEC 和 AEC-Q101 为深入研究 GaN 可靠性提供了一个起点。JEDEC JC-70.1 委员会专注于“GaN 电力电子转换半导体标准”，并发布了两项评估 GaN 可靠性的“指南”，具体包括JEP180.01和JEP186。

　　JEP180.01 – 提供“氮化镓功率转换器件的开关可靠性评估程序指南”。它包括评估 GaN 功率 HEMT 的开关可靠性并确保其在功率转换应用中可靠使用的指南。它通常适用于平面增强型、耗尽型、GaN 集成电源解决方案和Cascode GaN 电源开关。

　　JEP186 – 提出“在GaN 功率转换器件的Datasheet中指定瞬态关断耐受电压稳健性指标的指南”。 JEP186 描述了可以使用的不同技术。它没有为所呈现的任何规范类型建立偏好叶片进口半径，该指南也没有解决Datasheet的格式问题。它也不需要在生产测试中使用数据表参数，也不需要指定如何获得这些值；这实际上只是一个通用的“指南”。

　　与JEDEC指南相比，AEC-Q101是一个综合性的测试标准。它详细说明了设计人员为实现合规性所需了解的一切，从样本量要求到详细的测试要求和资格要求。

　　AEC-Q100 中包含的测试示例包括高温反向偏置 (HTRB)、高湿度、高温反向偏置 (H3TRB)、高温栅极偏置 (HTGB) 和高加速应力测试 (HAST)。值得注意的是套筒夹头，几家 GaN 制造商并没有针对新标准重新开始，而是使用了 ACE-Q100 和其他行业标准测试并对其进行了修改，以更好地适应 GaN 器件的独特特性。

　　与垂直 Si 器件相比，GaN 器件通常是横向结构。当 GaN HEMT 开启时，电流从源极横向流向漏极。栅极、源极和漏极端子都在器件的顶部。与 Si MOSFET 不同，GaN HEMT 在栅极结构或 p-n 漏源结中没有氧化物电介质。与 Si MOSFET 相比，GaN 器件的横向结构使得其对湿度更敏感。

　　不仅仅是结构； GaN 和 Si 的器件物理特性不同。在 GaN HEMT 中，在 GaN 和 AlGaN 层之间形成称为二维电子气 (2DEG) 的薄且高密度的电子层（图 1）。当增强型 GaN HEMT 未偏置 (OFF) 时反转法，栅极下方的 2DEG 层会被破坏，从而阻止电流流动。足够高的正栅极到源极电压在栅极下方产生垂直场，重新形成 2DEG，完成漏极和源极之间的电路，并打开器件。

　　图 1：横向增强模式 GaN HEMT 的简化横截面，显示了2DEG层。 （图片：英飞凌科技）

　　验证测试需要考虑 Si 和 GaN 器件之间的众多结构和器件物理差异。在 GaN 器件中要考虑的一些最重要的故障机制包括电荷俘获、热载流子退化和时间相关击穿 (TDB)。 TDB 和热载流子退化也发生在 Si 器件中。

　　TDB 由于高电场而发生在电介质中，并导致泄漏电流增加，从而发生硬故障。它在 JEDEC JEP122H“半导体器件的故障机制和模型”中得到了考虑。

　　热载流子退化发生在 Si MOSFET 和 GaN 器件中。硬开关会在 Si MOSFET 中产生热载流子并产生缺陷。在 GaN 器件中，热载流子退化可能会导致磨损和电荷俘获。

　　在 GaN HEMT 中，被捕获的电子排斥 2DEG 通道中的电子，从而减少了通道中的可用电子并增加了导通电阻 (Ron)（图 2）。电子可能被捕获在电介质、缓冲层和分界面。捕获是由器件关闭时的高漏极电压或器件开关时的热电子引起的。器件的正常 Ron 加上电荷俘获引起的 Ron 增加的综合效应称为动态 Ron。之所以被称为动态，因为 Ron 可以随着被捕获的电荷“释放”或消散而恢复。如果去捕获率低，动态 Ron 可能会产生更大的影响。需要使用类似于转换器开关时间的时间尺度来评估动态 Ron 的影响。

　　图 2：被俘获的电子将减少沟道层中的电子数量，从而增加电阻。 （图片：德州仪器）

　　低占空比最适合验证材料质量和动态 Ron。随着设备老化，被捕获电子的密度会增加，从而导致更高的 Ron。具有稳定动态 Ron（随着时间的推移，俘获电子的速率增幅降低）的器件对于最大限度地减少传导损耗和降低过早失效非常重要。

　　通过在最大额定温度下应用最大额定直流 VDS 来测试动态 Ron。如果 1000 小时后没有故障，则该设备是OK的。在最高温度下应用直流VDS，可用电子来自漏源漏电流 IDSS。为了加速捕获离心应力，需要高于额定最大值的电压。通过使用 JEDEC JEP17 中包含的硬开关电路，可以产生更多数量级的潜在俘获电子，与温度无关（图 3）。

　　“浴盆曲线”代表产品可靠性的三个阶段。它从早期生命故障 (ELF) 阶段开始，故障数量相对较多且频率递减（图 4）。在设计老化加速过程时，了解 ELF 阶段尤为重要。 ELF 测试也用于识别重要的设备故障机制。 JEDEC JESD47K 包括早期寿命失效 (ELF) 测试。前面讨论的 JEDEC 和 AEC 测试与曲线的中间部分更相关。

　　计算电源转换器的可靠性很复杂，有许多不同的组件和拓扑组合。当 GaN 被添加到系统中时，由于以下几个原因，事情变得更具挑战性：

　　从实际的角度来看，长时间运行大量功率转换器需要非常大量（且昂贵）的电能。

　　GaN 特定的可靠性验证目前尚未成熟领域。因此，多家 GaN HEMT 和 GaN 功率 IC 供应商已与功率转换器制造商和用户合作，开发与 JEDEC 和 AEC-Q100 平行并扩展的资格认证方法。在大多数情况下，这导致建立的测试持续时间超过了标准可靠性测试标准中要求的时间（图 5）。

　　图 5：超出（标准）限制的测试可能包括延长测试周期和使用更多器件。 （图片：GaN Systems）

　　除了增加相对于行业标准的测试持续时间之外，还可以增加被测零件的数量。 AEC-Q 要求测试三个批次，每个批次包含 77个器件。如果所有批次（231 个设备）的故障为零，则器件通过。如果被测试的器件数量增加，测试的可靠性也会增加。如果测试在一段时间内进行，它还可以提供有关生产过程稳定性的信息。比如某家制造商使用 1000 小时的 HTRB 测试超过 2000 个器件，这些器件是一年内产线批次生产的产品带孔销。

　　GaN HEMT 的可靠性毋庸置疑。然而，由于 GaN 材料物理特性和 GaN 器件结构与 Si 器件相比存在差异，因此正在开发新的方法来量化 GaN 可靠性。目前，JEDEC 仅提供测试和测量 GaN 器件可靠性的指南。多家 GaN 制造商已与功率转换器制造商和用户合作，以解决用户的担忧。他们以Si器件的 ACE-Q100 标准为起点，同时超出这些要求的测试，包括更长的测试周期和更多的 DUT浴盆曲线，加速了对 GaN 可靠性的理解。

　　1993年世界上第一只GaN基蓝色 LED 问世以来，LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或S iC 衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处，而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。 目前日本 日亚 公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基 LED专利 技术，美国 CREE 公司垄断了SiC衬底上GaN基LED专利技术。因此，研发其他衬底上的GaN基LED生产技术成为国际上的一个热点。南昌大学与厦门华联电子有

　　第三代宽禁带半导体器件GaN和SiC的出现，推动着功率电子行业发生颠覆式变革。新型开关器件既能实现低开关损耗，又能处理超高速dv/dt转换，且支持超快速开关切换频率，带来的测试挑战也成了工程师的噩梦。 结合泰克新一代示波器，泰克针对性地推出带宽1Ghz、2500V差模、120dB共模抑制比的全面光隔离探头，提供系统优异的抗干扰能力，帮助工程师进行第三代半导体器件的系统级优化设计。工程师在设计电源产品时，优化上下管的驱动条件，从而保证安全的条件下降低损耗，提高转化效率，可以满足宽禁带半导体器件的测试需求。 TIVH高带宽探头测试 在开关技术应用中的桥式驱动上管测试中，普遍会碰到测试驱动信号的正确测试问题，现象表现为波形

　　、SiC设计优化验证 /

　　GaN Systems（一家无晶圆厂的氮化镓功率开关供应商）推出了下一代绝缘金属衬底（IMS3）平台，该平台可用于其GaN增强模式高功率晶体管，应用于高效率汽车，数据中心和工业应用中。 IMS3平台具有显着改善的传热特性直径系数，从而降低了温度温度并提高了功率密度，使其成为在相同功率水平下实施更小，成本更低的系统的参考，或者在相同尺寸下将输出功率提高30％。 该平台由IMS3主板和半桥电源板组成，可提供两种功率级别，分别为3kW（GS-EVB-IMS3-66508B-RN）和6kW（GS-EVB-HB-66516T-RN） ）。半桥应用在高导热率，超低耐热性的IMS电路板上，以实现更好的热传递。通过高导热率，IMS3的Rth_Ca

　　氮化镓(GaN)是一种III-V族宽能隙化合物半导体材料，能隙为3.4 eV，电子迁移率为1,700 cm2/Vs，而硅的能隙和电子迁移率分别为1.1 eV和1,400 cm2/Vs。因此，GaN的固有性质让器件具有更高的击穿电压和更低的通态电阻，这就是说，与同尺寸的硅基器件相比，GaN器件可以处理更大的负载，能效更高，物料清单成本更低。 在过去的十多年里，行业专家和分析人士一直在预测，基于GaN功率开关器件的黄金时期即将到来。与应用广泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。这些优势正是当下高功耗高密度系统、大数据服务器和计算机所需要的。 选用困境 一方面，

　　发展新篇章 /

　　全球功率半导体和管理方案领导厂商–国际整流器公司 (International Rectifier，简称IR) 近日宣布已经为一套家庭影院系统测试并装运了基于其革命性氮化镓 (GaN) 功率器件技术平台的产品。这套家庭影院系统是由一家业界领先的消费电子产品公司所生产。 IR总裁兼首席执行官Oleg Khaykin表示：“IR开始商业装运采用其尖端的氮化镓技术平台及IP产品组合的器件，成功保持了我们在功率半导体器件市场的领导地位，同时预示着电源转换新时代的来临，这正与公司帮助客户节省能源的核心宗旨相契合。我们完全可以预期，氮化镓技术对电源转换市场的潜在影响能够至少不逊色于我们30年前推出的功率HEXFET®。” 这一成就彰显了I

　　0 引言 半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以Si双极型功率晶体管为主要代表，主要应用在S波段及以下波段中。Si双极型功率晶体管在L波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级，而在S波段脉冲功率则接近200W。第二代半导体功率器件以GaAs场效晶体管为代表，其最高工作频率可以达到30～100 GHz。GaAs场效应晶体管在C波段最高可输出功率接近100W，而在X波段则可达到25 W。第三代半导体功率器件以SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、第二代半导体材料相比，SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点，特别适合应用于高频

　　本文介绍有关用于LTE 微蜂窝式与有源天线系统式基站应用的小型高效GaN Doherty 放大器。该Doherty 放大器采用TriQuint 半导体公司开发的T1G6001528-Q3 器件，是一种宽频带的分立GaN 射频功率晶体管。该Doherty 放大器具有以下特征： 在LTE 频率范围(2.62 GHz ~ 2.69 GHz) 、平均输出功率为38.5 dBm、饱和输出功率峰值超过46 dBm、漏电效率超过55%、增益超过15 dB、LTE 两载波 (2x 10 MHz 载波)、 信号波形8 dB 均峰比, 在Netlogic 标准DPD 下、邻信道功率比(ACPR)超过 -50 dBc、放大器大小为30 毫米x 70 毫

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