結(jié)溫準確性對GaN HEMT加速壽命評估的影響

翟玉衛(wèi)，程曉輝，劉巖，鄭世棋，劉霞美

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

結(jié)溫準確性對GaN HEMT加速壽命評估的影響

翟玉衛(wèi)，程曉輝，劉巖，鄭世棋，劉霞美

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

通過對阿倫尼斯方程進行研究，指出了結(jié)溫檢測結(jié)果的誤差將會影響加速壽命試驗結(jié)果的準確性。根據(jù)GaN HEMT加速壽命試驗中常用的結(jié)溫獲取方式，分別討論了采用熱阻修正結(jié)溫和直接測量結(jié)溫兩種方式獲取結(jié)溫對器件壽命評估結(jié)果造成的影響。研究了Cree公司GaN HEMT結(jié)溫測量方法，指出依據(jù)顯微紅外測溫結(jié)果得到的加速壽命數(shù)據(jù)與依據(jù)有限元仿真得到的加速壽命數(shù)據(jù)相差近4倍。

氮化鎵高電子遷移率晶體管；工作壽命；加速壽命試驗；阿倫尼斯方程；結(jié)溫

0 引言

隨著微波通訊系統(tǒng)或裝置向高頻段和大功率的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的第一代Si器件和第二代GaAs器件已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求?；趯捊麕Р牧系牡壐唠娮舆w移率晶體管（GaN HEMT）等第三代微波功率器件已經(jīng)逐漸地成熟，極大地推動了雷達、通訊系統(tǒng)的迅速發(fā)展。

GaN HEMT多應(yīng)用于關(guān)鍵的設(shè)備或系統(tǒng)中，因而一般都對其壽命有著較為嚴格的要求，很多時候甚至要求其壽命達到百萬小時以上。為了準確地評價器件的可靠性，通常需要對器件進行壽命評估試驗，對于長壽命器件而言，由于采用常規(guī)的應(yīng)力壽命試驗時所施加的應(yīng)力水平較低、試驗時間長、費用高、所耗費的人力和物力難以接受，因此，加速壽命試驗便成為了一種評估長壽命器件的可靠性的理想方法。

加速壽命試驗是為了縮短試驗時間，在不改變故障模式和故障機理的條件下，采用加大應(yīng)力的方式來促使樣品在短期內(nèi)失效，以預(yù)測其在正常工作條件或儲存條件下的可靠性的試驗方法[1]。在眾多的應(yīng)力中，溫度應(yīng)力是造成器件失效的主要應(yīng)力之一。關(guān)于各種微波功率器件溫度應(yīng)力加速壽命試驗的研究已經(jīng)有很多，但是重點集中在試驗方法、試驗過程等方面，并且一般采用Arrhenius方程作為試驗?zāi)Ｐ蚚2-6]。GaN HEMT的溫度應(yīng)力加速壽命試驗一般在常規(guī)應(yīng)力下測量器件的結(jié)溫，將激活能和結(jié)溫數(shù)據(jù)代入Arrhenius模型，就可以得到預(yù)計壽命條件下的加速因子。本文將著重針對GaN HEMT結(jié)溫檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，分析結(jié)溫檢測結(jié)果的不準確對加速壽命試驗結(jié)果造成的影響。

1 Arrhenius方程的基本原理

溫度應(yīng)力的加速壽命試驗常用的模型有Arrhenius方程，如公式（1）所示。根據(jù)Arrhenius方程可知，產(chǎn)品的性能退化速率與激活能指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。

式（1）中:V——反應(yīng)速率，mol/（L·s）；

A——比例常數(shù)，或稱“頻率因子”、“指前因子”；

Ea——激活能，eV；

T——熱力學(xué)溫度，K；

K——波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K。

對上式兩邊取對數(shù)得到公式（2）:

在假設(shè)激活能不變的前提下，可以經(jīng)過公式（3）的變換過程，推導(dǎo)出器件工作溫度下的壽命與加速溫度下的平均壽命之比，即通常所說的加速因子，如公式（4）所示。

式（4）中:τ——加速因子；

Ta——加速溫度，K；

T0——正常工作溫度，K；

L（T0）——正常工作條件下的平均壽命，h；

L（Ta）——加速溫度下的平均壽命，h。

根據(jù)國軍標GBT 5080.4-1985的規(guī)定，在置信度為60%的條件下，為了保證器件樣本零失效，加速壽命試驗的實際小時數(shù)應(yīng)滿足以下要求。

在激活能已知的情況下，加速壽命試驗的基本過程如下所述。

a）在預(yù)計常規(guī)使用條件（一般為殼溫Tc0）下測量器件的結(jié)溫T0，計算得到器件的結(jié)殼熱阻θjc。

b）改變被測件的殼溫，同時監(jiān)測結(jié)溫，使結(jié)溫達到加速壽命試驗的條件Ta，記錄此時的殼溫Tc1。當無法直接測量得到Ta時，一般采用熱阻修正的方法推導(dǎo)出加速條件下的Tc1。

c）根據(jù)要求的L（T0）和公式計算加速因子τ，得到L（Ta）。

d）將器件殼溫設(shè)置為Tc1，進行不小于t時間的加速壽命試驗，根據(jù)試驗過程中器件的失效情況即可得到器件是否滿足長壽命工作的結(jié)論。

這個過程通常是一個在加速壽命時間和加速溫度之間進行折中選擇的過程。

2 GaN HEMT結(jié)溫檢測的準確性對加速壽命試驗的影響

進行加速壽命試驗條件選取和結(jié)果判斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是準確地測量GaN HEMT在不同應(yīng)力條件下的結(jié)溫。在預(yù)期壽命既定和激活能已知的條件下，結(jié)溫測量的不準確必將對加速壽命試驗的條件選擇和試驗結(jié)果造成影響。以下將根據(jù)試驗條件選擇方法的不同，分兩種情況進行討論。

2.1 采用結(jié)殼熱阻修正方式獲取結(jié)溫對加速壽命試驗的影響

假設(shè)激活能和預(yù)期壽命已知，由Arrhenius方程可知，此時加速因子只與結(jié)溫檢測結(jié)果有關(guān)，如公式（6）所示。

對公式（6）左邊的T0和Ta分別求偏導(dǎo)數(shù)，得到:

從式（7）-（8）可以看出，加速因子隨常規(guī)結(jié)溫的增大而減小，隨加速結(jié)溫的增大而增大。

在有些情況下，加速條件下的結(jié)溫過高，超出了結(jié)溫檢測儀器的測量能力范圍，此時，一般采用常規(guī)應(yīng)力下結(jié)殼熱阻修正的方式得到加速結(jié)溫條件下的殼溫，具體的計算方式如公式（6）所示[6]。

式（9）中:θjc——高溫下溝道到管殼的熱阻，K/W；

Ta——高溫下的溝道溫度（絕對溫度），K；

θjc——熱阻測試溫度下溝道到管殼的熱阻，K/ W；

T0——常規(guī)殼溫下溝道溫度（絕對溫度），K。

此時，Arrhenius方程中只有T0是通過測量得到的，根據(jù)公式（7）可知，T0偏高會導(dǎo)致加速因子變小，進而導(dǎo)致真實壽命高于預(yù)期壽命；T0偏低會導(dǎo)致加速因子變大，進而導(dǎo)致真實壽命低于預(yù)期壽命。

設(shè)典型的GaN HEMT的激活能為1.4 eV，真實的加速結(jié)溫為210℃，真實的常規(guī)結(jié)溫為125℃，加速試驗得到的預(yù)期壽命時間為2×106h，預(yù)期壽命與真實壽命的時間隨結(jié)溫測量誤差的變化而發(fā)生變化的情況如圖1所示。從圖1中可以看出，結(jié)溫測量偏小會導(dǎo)致器件的真實壽命低于加速試驗得到的計算評估結(jié)果，并且這個偏離隨著結(jié)溫測量誤差的變化而呈指數(shù)性變化；反之，當結(jié)溫測量偏大時，真實壽命高于評估結(jié)果。

圖1 熱阻修正法器件壽命隨結(jié)溫測量誤差而發(fā)生變化的情況

2.2 采用直接測量方式獲取結(jié)溫對加速壽命試驗的影響

采用直接測量的方式獲取結(jié)溫指采用某種技術(shù)手段，如電學(xué)法、顯微紅外法[8]等直接測量T0和Ta，再根據(jù)Arrhenius方程確定加速因子。用公式（8）減去公式（7），得到公式（10）。

在T0和Ta二者同時增大相同的量時，加速因子隨結(jié)溫檢測結(jié)果的增大而減小。根據(jù)上述理論，采用相同的結(jié)溫檢測技術(shù)檢測，如果結(jié)溫檢測結(jié)果都偏高，設(shè)偏高的量相同，則在相同的變化量下，加速因子減小，導(dǎo)致加速壽命時間延長，預(yù)期壽命低于真實壽命；如果結(jié)溫檢測結(jié)果都偏低相同的量，則加速因子變大，導(dǎo)致加速壽命時間減少，預(yù)期壽命高于真實壽命。

以激活能為1.4 eV，真實的加速結(jié)溫為210℃，真實的常規(guī)結(jié)溫為125℃，理想的壽命時間為2× 106h的典型的GaN HEMT器件為例，其預(yù)期壽命與真實壽命的時間隨結(jié)溫測量誤差的變化而發(fā)生變化的情況如圖2所示，趨勢與圖1中的類似。相對于2.1節(jié)中的方法，在相同的結(jié)溫測量誤差下，直接測量法導(dǎo)致的壽命偏差小于熱阻修正法導(dǎo)致的壽命偏差。

圖2 直接測量法器件壽命隨結(jié)溫測量誤差而發(fā)生的變化的情況

可見，結(jié)溫檢測結(jié)果存在誤差時會嚴重地影響加速壽命試驗結(jié)果的準確性，導(dǎo)致高估或低估器件的壽命。

3 GaN HEMT結(jié)溫準確檢測的現(xiàn)狀

由于GaN HEMT器件的一個重要特點是微區(qū)高熱，美國Cree、Kuball等公司的大量的研究工作都證實了GaN HEMT的這一特點[9-10]，因而很多現(xiàn)有的結(jié)溫檢測技術(shù)的檢測結(jié)果都會存在較大的誤差。目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的GaN HEMT結(jié)溫檢測技術(shù)為顯微紅外熱成像測溫技術(shù)，但是其空間分辨率較低，會低估GaN HEMT的峰值結(jié)溫，以美國Cree公司的研究成果為例，其采用顯微紅外熱像儀直接測量器件的峰值結(jié)溫為183℃，采用仿真結(jié)果修正技術(shù)得到的峰值結(jié)溫為234℃，二者之間的溫差為51℃，如圖3所示。該公司已經(jīng)把顯微紅外測試結(jié)合有限元仿真測量器件真實結(jié)溫的方法作為公司的標準方法。

圖3 Cree公司給出的典型GaN HEMT的溫度分布圖

參照Cree的研究成果，如果依據(jù)顯微紅外直接檢測結(jié)果184℃作為T0來制定加速壽命試驗方案，設(shè)定加速結(jié)溫Ta為300℃，激活能為1.4 eV，進行1 000 h的加速壽命試驗，其加速壽命試驗得到的壽命評估值為1.57×106h；如果采用Cree仿真修正法得到的結(jié)果作為結(jié)溫標準值，則T0為234℃，假設(shè)在相同的加速條件下，有限元仿真結(jié)果與顯微紅外測溫結(jié)果的增量相同，則顯微紅外結(jié)果為300℃時，有限元仿真結(jié)果為351℃，則其加速壽命試驗得到的壽命評估值約為4.4×105h，存在明顯的加速不足現(xiàn)象。由于檢測技術(shù)低估結(jié)溫導(dǎo)致的另一個問題就是，對相同器件的性能評估低于國外的方法。仍然以Cree的研究為例，假設(shè)該器件的真實工作壽命確實為2×106h，但是，采用顯微紅外直接檢測結(jié)果得到的評價結(jié)論是:器件能夠在183℃下工作2×106h；而Cree方法得到的直接結(jié)論是:器件能夠在234℃下工作2×106h，這種情況會嚴重地低估器件的性能。

6 結(jié)束語

通過對阿倫尼斯方程的基本原理的分析得知，結(jié)溫檢測結(jié)果的準確性對GaN HEMT的加速壽命試驗有著非常大的影響。結(jié)溫檢測結(jié)果偏高，將導(dǎo)致加速壽命試驗時間過長，惡化了加速壽命試驗條件，從而有可能引起試驗過程中器件大量失效，最終導(dǎo)致對器件的壽命形成誤判，認為器件壽命不滿足要求；結(jié)溫檢測結(jié)果偏低，將導(dǎo)致加速壽命試驗時間過短，降低加速壽命試驗條件，從而降低失效率，也會造成誤判，認為器件的壽命優(yōu)于要求。對GaN HEMT進行準確的結(jié)溫檢測對器件的壽命評估和性能評定有著非常重要的意義。

[1]彭浩.硅微波晶體管基于加速壽命試驗的快速老煉方法[J].紅外技術(shù)，2010，32（3）:157-160.

[2]黃雒光，董四華，劉英坤，等.L波段Si微波脈沖功率晶體管射頻加速壽命試驗[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（5）:494-497.

[3]王因生，陶有遷，徐全勝，等.L波段硅脈沖功率管52000器件小時的脈沖射頻加速壽命試驗[J].固體電子學(xué)研究與進展，2011，31（5）:473-477.

[4]侯成剛，張廣明，趙明濤，等.S波段硅微波功率晶體管的加速壽命試驗[J].紅外與毫米波學(xué)報，1997，16（3）:193-194.

[5]陳斯文，高暉，許海濤.基于加速壽命實驗的GaNHEMT可靠性研究[J].現(xiàn)代雷達，2013，35（12）:76-79.

[6]楊洋，徐波，賈東銘，等.GaNHEMT微波功率管直流和射頻加速壽命試驗[J].固體電子學(xué)研究與進展，2015，35（3）:217-252.

[7]全國電工電子產(chǎn)品標準技委會.設(shè)備可靠性試驗可靠性測定試驗的點估計和區(qū)間估計方法（指數(shù)分布）:GB 5080.4-1985[S].北京:中國標準出版社，1985.

[8]梁法國，翟玉衛(wèi)，吳愛華.用顯微紅外熱成像技術(shù)分析功率器件可靠性[J].微納電子技術(shù)，2011，48（5）: 338-342.

[9]ANDREI Sarua，JI Hangfeng，MARTIN Kuball，et al. Integrated micro-raman/infrared thermography probe for monitoring of self-heating in AlGaN/GaN transistor structures[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2006，53（10）:2438-2447.

[10]PREJS A，WOOD S，PENGELLY R，et al.Thermal analysis and its application to high power GaN HEMT amplifiers[J].Microwave Symposium Digest，2009:917-920.

Influence of Junction Temperature Accuracy on GaN HEMT Accelerated Life Evaluation

ZHAI Yuwei，CHENG Xiaohui，LIU Ya，ZHENG Shiqi，LIU Xiamei
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

Based on the study of Arrhenius equation，it is pointed out that the measurement error of junction temperation will affect the accuracy of the accelerated life test results.According to the commonly used junction temperature acquisition method in GaN HEMT accelerated life test，the effects of using the thermal resistance correction method to obtain the junction temperature and directly measuring junction temperature on the life evaluation results of the device are analyzed. Finally，the junction temperature measurement method of GaN HEMT of Cree company is studied，andit is pointed out that the accelerated life data obtained from the micro-infrared temperature measurement results is nearly 4 times higher than that of the finite element simulation.

GaN HEMT；operation life；accelerated life test；Arrhenius equation；junction temperature

TN 386；TB 114.37

A

：1672-5468（2017）02-0005-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.002

2016-09-01

2016-12-28

翟玉衛(wèi)（1983-），男，河北石家莊人，中國電子科技集團第十三研究所工程師，碩士，主要從事半導(dǎo)體器件可靠性檢測與分析方面的研究工作。