用熱反射測溫技術(shù)測量GaN HEMT的瞬態(tài)溫度

第三代半導(dǎo)體器件CaN高電子遷移率晶體管（HEMT）具備較高的功率密度，同時具有較強(qiáng)的自熱效應(yīng)，在大功率工作條件下會產(chǎn)生較高的結(jié)溫。根據(jù)半導(dǎo)體器件可靠性理論，器件的工作溫度、性能及可靠性有著極為密切的聯(lián)系，因此準(zhǔn)確檢測GaN HEMT的溫度就顯得極為重要。

目前，傳統(tǒng)的溫度成像檢測技術(shù)，如顯微紅外成像法已經(jīng)無法完全滿足GaN HEMT溫度檢測的需求。

一方面，有限的空間分辨率和較大的景深限制了顯微紅外熱成像等技術(shù)在GaN HEMT溫度檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。這是因為高功率GaN HEMT的發(fā)熱區(qū)域處于亞微米量級（1μm以下），超出了顯微紅外熱成像技術(shù)2μm的分辨極限。為了克服上述不足，美國CREE公司在2009年采用顯微紅外熱成像技術(shù)結(jié)合有限元仿真手段推導(dǎo)得出器件真實結(jié)溫。這種方法在一定程度上提高了GaN HEMT結(jié)溫的準(zhǔn)確性。但是，該方法只考慮了顯微紅外檢測結(jié)果在水平方向的平均效應(yīng)，沒有考慮由于紅外熱像儀物鏡景深引入的縱向平均效應(yīng)，顯微紅外熱像儀近20μm的景深，也會導(dǎo)致對器件真實溫度的低估，因此采用顯微紅外測試結(jié)果作為仿真的依據(jù)還是存在低估峰值結(jié)溫的風(fēng)險。

另一方面，傳統(tǒng)測溫技術(shù)缺乏足夠的時間分辨率。在大功率通信設(shè)施中的GaN HEMT器件，一般工作在脈沖偏置條件下，器件的溫度隨時間呈高速變化。器件在1μs的溫度變化可能超過100℃。

針對新型微波功率器件微區(qū)高熱且高速變化的溫度特點，利用喇曼測溫技術(shù)對GaN HEMT進(jìn)行了點掃描溫度檢測，獲得了1μm發(fā)熱區(qū)域溫度在1μs內(nèi)的瞬態(tài)溫度；利用熱反射測溫技術(shù)對GaAs MMIC進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度檢測，獲取了300nm空間分辨率的溫度檢測結(jié)果，通過與紅外測溫結(jié)果的比對，證實了高空間分辨率測試技術(shù)在微小結(jié)構(gòu)溫度檢測方面更加準(zhǔn)確；利用熱反射測溫技術(shù)對GaN HEMT的表面各部位溫度變化速度進(jìn)行了研究，給出了歸一化溫度變化曲線和100μs內(nèi)各區(qū)域溫度變化的情況。但是，上述研究都沒有給出GaN HEMT表面不同位置在脈沖偏置條件下的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)。

本文采用具備高空間分辨率（最高470 nm）和高時間分辨率（100 ns）的熱反射測溫技術(shù)對工作在脈沖偏置條件下的CGH4006P型GaN HEMT器件進(jìn)行了瞬態(tài)溫度測試，獲得了柵極、源極和漏極金屬表面峰值溫度和溫度隨時間的變化情況，并對造成不同部位溫度速度和幅度差異的原因進(jìn)行了分析。

1. 實驗原理

1.1 熱反射測溫技術(shù)的原理

當(dāng)可見光照射在某種材料表面時，材料對可見光的反射率隨材料溫度變化而變化，且對可見光的反射率變化量與材料表面的溫度變化量的一階近似呈一定的線性關(guān)系，可表示為

式中：△R為反射率變化量；R為反射率的均值；△T為被測材料溫度變化量（單位：K）；CTR為熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)（單位：K-1）。

利用上述原理，通過測量反射率的變化量△R計算得到材料表面溫度的變化量△T的技術(shù)稱為熱反射測溫技術(shù)或光反射測溫技術(shù)。

1.2 熱反射測溫技術(shù)的特點

典型GaN HEMT的主要發(fā)熱區(qū)域在器件柵極接觸靠漏極一側(cè)的溝道中，溫度分布如圖1所示，但是，現(xiàn)有技術(shù)都無法直接檢測發(fā)熱區(qū)域的溫度，一般采取檢測其相鄰區(qū)域或結(jié)構(gòu)的溫度來得到近似最高溫度。

圖1 典型GaN HEMT溫度分布仿真結(jié)果

對器件表面溫度檢測技術(shù)而言，柵極離發(fā)熱區(qū)域最近，其溫度最接近發(fā)熱區(qū)域的溫度，但是，柵極區(qū)域的尺寸很小，需要采用較高空間分辨率的技術(shù)才能對其進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度檢測；同時，對于工作在脈沖條件下的高功率器件，其溫度是隨時間高速變化的，因此還需要進(jìn)行高速的瞬態(tài)溫度檢測。

1.2.1 熱反射測溫技術(shù)具有較高的空間分辨率

對于基于光學(xué)原理的溫度檢測裝置，影響溫度檢測準(zhǔn)確性的一個重要因素是空間分辨率?？臻g分辨率是指圖像中可辨認(rèn)的臨界物體空間幾何長度的最小極限，即對細(xì)微結(jié)構(gòu)的空間分辨率。當(dāng)發(fā)熱單元的尺寸小于光學(xué)系統(tǒng)的最高空間分辨率時，光學(xué)系統(tǒng)就無法準(zhǔn)確測量發(fā)熱單元的溫度。

熱反射測溫技術(shù)采用可見光光源，波長一般為400~800nm，用高像素數(shù)的電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）作為成像設(shè)備，根據(jù)Spar-row判據(jù)，即

式中：D為儀器的空間分辨率；N.A.為鏡頭的數(shù)值孔徑；λ為光源的波長。其圖像的理論空間分辨率最高可達(dá)300nm，在對微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度成像檢測方面具備明顯的優(yōu)勢。

目前，GaN HEMT表面最小的結(jié)構(gòu)是柵極金屬，其一般采用T型結(jié)構(gòu)，表面寬度一般約為2μm。熱反射測溫技術(shù)的空間分辨率能夠滿足有效分辨這種微小結(jié)構(gòu)的需要。

1.2.2 熱反射測溫技術(shù)具備較高的時間分辨率

脈沖條件下工作的GaN器件，其結(jié)溫隨時間快速變化。此時，器件的脈沖結(jié)溫特性就不能僅用最高結(jié)溫來表示，還需要分析器件結(jié)溫的上升特性、下降特性和保持特性等。脈沖工作條件下的溫度變化情況對確定大功率器件的各種特性參數(shù)有著非常重要的作用。因此，要對器件進(jìn)行全面的分析，有效的脈沖結(jié)溫特性檢測手段是必不可少的，這就需要具備高速的檢測技術(shù)或手段。

在實現(xiàn)高空間分辨率溫度成像檢測的基礎(chǔ)上，為了滿足對于高速變化的瞬態(tài)溫度的檢測需求，熱反射測溫儀還集成了“box-car”的技術(shù)，如圖2所示，該技術(shù)使光源工作在脈寬較窄的脈沖模式下，通過同步差分電路設(shè)計使光源、被測器件（device under test，DUT）激勵信號和CCD按一定的時序工作，CCD每個曝光周期內(nèi)只有一個脈沖信號。

圖2 瞬態(tài)溫度測試電路時序圖

采用上述測試方法可以實現(xiàn)對脈沖溫度信號的高速采集。為了降低噪聲，要對采集到的圖像進(jìn)行多幀平均處理，一般經(jīng)過10min以上的平均就可以得到納秒量級時間分辨率的瞬態(tài)溫度測試結(jié)果。具備高速成像檢測能力是熱反射測溫技術(shù)相對于傳統(tǒng)技術(shù)手段的最大優(yōu)勢。

2. 測試實驗

熱反射測溫儀是一套以可見光為光源的精密光學(xué)成像系統(tǒng)，一般由CCD、透鏡、光學(xué)傳輸結(jié)構(gòu)、光源、載物平臺、觸發(fā)/激勵/同步裝置構(gòu)成、典型結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 熱反射測溫儀的結(jié)構(gòu)原理框圖

由于采用了可見光及精密的光學(xué)系統(tǒng)，熱反射測溫裝置可以實現(xiàn)極高空間分辨率的溫度成像測試。這里采用NT210B型熱反射測溫儀對GaN HEMT進(jìn)行瞬態(tài)溫度檢測，該儀器最佳空間分辨率如表1所示，可以滿足對亞微米量級微小結(jié)構(gòu)的溫度檢測。

表1 熱反射測溫儀典型參數(shù)

采用“box-car”技術(shù)后其最高時間分辨率為100ns。本文采用單色性較好的高速冷光LED作為光源。由于不同的材料對同一波長光的熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)CTR存在較大差異。經(jīng)過比對，相對于采用波長為530nm的光源，這里選擇波長為470nm的LED作為光源，使測溫裝置能實現(xiàn)更高的空間分辨率，此時，GaN HEMT表面的金屬材料反射率變化率最高，能夠保證較高的信噪比。物鏡倍率為50，數(shù)值孔徑為0.5，根據(jù)Sparrow判據(jù)其空間分辨率為470nm。

被測器件為CREE公司生產(chǎn)的CGH40006P，其表面結(jié)構(gòu)如圖4所示，其T形柵金屬表面寬度約2μm。器件通過專門的測試夾具固定在控溫平臺上，平臺初始溫度設(shè)置為30℃。

圖4 被測器件表面顯微圖像

測試過程分為兩個步驟。第一步：為了得到準(zhǔn)確的溫度檢測結(jié)果，首先對被測件進(jìn)行CTR自校準(zhǔn)，獲得器件表面材料溫度與反射率變化率的校準(zhǔn)曲線，這條曲線的斜率就是CTR。這里選取30℃為初始溫度，10℃步進(jìn)式升溫，最高校準(zhǔn)溫度90℃。自校準(zhǔn)完成后，臺溫恢復(fù)至初始溫度。第二步：給器件加電，測量器件表面各部位對可見光的反射率，計算反射率的變化量，再將自校準(zhǔn)獲得的CTR代入式（1），就可以得到溫度變化值。

對被測器件進(jìn)行柵調(diào)制，施加脈寬20μs、占空比10%的脈沖偏置，漏壓為28V，漏流為545mA，峰值功率為13.44W的脈沖激勵，獲取被測器件在不同時間點的溫度分布圖像及瞬態(tài)溫度變化情況。

這里為了對比器件不同位置瞬態(tài)溫度，選擇了漏極金屬和源極金屬的瞬態(tài)溫度作為參考數(shù)據(jù)。主要是考慮在可見光下金屬材料的CTR遠(yuǎn)高于GaN材料，且可見光無法穿透金屬，其反射光強(qiáng)度較高，因此可獲得最高的信噪比和準(zhǔn)確度，最大程度保證測試數(shù)據(jù)的可靠性。

3. 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗結(jié)果

通過對CGH40006P進(jìn)行瞬態(tài)溫度檢測，得到了470nm高空間分辨率和100ns高時間分辨率的瞬態(tài)溫度檢測結(jié)果。圖5是器件加電后10μs時溫度分布情況，柵極金屬溫度最高，柵極兩側(cè)溫度迅速降低，源極和漏極的溫度遠(yuǎn)低于柵極。

圖5 被測器件熱反射成像圖片

借助于熱反射測溫技術(shù)100ns級別時間分辨率，圖6給出了器件柵極表面、漏極表面和源極表面的溫度在40μs內(nèi)隨時間的變化曲線圖，圖中t為時間?？梢姡跂艠O、源極和漏極的溫度變化速度和變化幅度都存在較大差異，柵極的峰值溫度遠(yuǎn)高于源極和漏極。柵極在加電初始的3μs內(nèi)溫度有一個快速上升的過程，在5μs溫度變化幅度為22.5℃，接近溫度總變化量的90%，在脈沖斷電的瞬間溫度即開始快速回落。源極和漏極的溫度變化幅度和變化速度都遠(yuǎn)低于柵極，但是基本也是隨著脈沖信號的變化而升高或降低，漏極的溫度略高于源極。另外，源極的溫度并沒有在脈沖斷掉的瞬間開始下降，而是保持了3μs左右的增長后才開始下降，且下降速度非常緩慢。

圖6 脈沖偏置條件下不同部位的瞬態(tài)溫度曲線

3.2 結(jié)果分析

從熱傳導(dǎo)的角度分析，造成上述現(xiàn)象的原因應(yīng)是柵極金屬在結(jié)構(gòu)上最接近溝道發(fā)熱區(qū)域，溝道的溫度變化會立即影響柵極金屬的溫度變化，因此，柵極的溫度變化幅度和速度都是最高的，幾乎與脈沖信號同步變化。而源極和漏極則距發(fā)熱區(qū)域較遠(yuǎn)，溝道溫度的變化要經(jīng)歷較長的時間才能影響到這些區(qū)域，另外，由于器件安放在恒溫平臺上，器件溫度傳播的方向主要向下，導(dǎo)致漏極和源極得到的熱量較少，溫度較低。由于源極距發(fā)熱區(qū)域最遠(yuǎn)，當(dāng)脈沖結(jié)束時，其臨近區(qū)域的溫度仍然高于源極本身，導(dǎo)致源極的溫度在脈沖結(jié)束時仍呈現(xiàn)短時間的上升。隨著器件熱量向散熱平臺的快速擴(kuò)散，源極的溫度很快與周圍達(dá)到平衡，進(jìn)而開始下降。另外，GaN HEMT源極背面的通孔等結(jié)構(gòu)也可能是造成源極溫度較低的原因。

在脈沖偏置條件下，器件表面結(jié)構(gòu)中柵極區(qū)域的溫度呈現(xiàn)最高的變化幅度和變化速度。由于器件表面的溫度分布以柵極為中心向兩側(cè)迅速降低，如不具備足夠的空間分辨率必將低估柵極區(qū)域的溫度。由于阿倫尼斯方程等器件可靠性分析技術(shù)都需要以器件最高溫度為依據(jù)，相對于其他區(qū)域，有效檢測柵極區(qū)域的溫度能夠提高對器件可靠性評估的準(zhǔn)確性。

4. 結(jié)論

采用熱反射測溫技術(shù)能夠有效檢測脈沖偏置條件下GaN HEMT表面柵極等微小區(qū)域的溫度變化情況。在脈沖偏置條件下，GaN HEMT表面最高溫度位于柵極金屬區(qū)域，柵極區(qū)域的溫度變化速度和幅度遠(yuǎn)高于源極和漏極，器件表面溫度以柵極為中心向源極和漏極方向迅速降低。有效檢測柵極區(qū)域的溫度能夠提高對器件可靠性評估的準(zhǔn)確性。

是呢環(huán)保局：郭婷