GaN基HEMTs器件熱測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展

李汝冠，廖雪陽(yáng)，堯 彬，周 斌，陳義強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

綜 述

GaN基HEMTs器件熱測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展

李汝冠，廖雪陽(yáng)，堯 彬，周 斌，陳義強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

本文簡(jiǎn)述了半導(dǎo)體器件的溫度測(cè)量方法，重點(diǎn)介紹了適用于氮化鎵（GaN）基高電子遷移率晶體管（HEMTs）器件的四種熱測(cè)試技術(shù)及其在GaN基HEMTs器件的應(yīng)用情況。分析表明四種方法具有其各自的優(yōu)劣之處：電學(xué)法雖然只能得到結(jié)區(qū)平均溫度，但能對(duì)器件進(jìn)行直接測(cè)量而無(wú)需破壞封裝；紅外法雖然空間分辨率較低，但能簡(jiǎn)便得到器件溫度分布圖和進(jìn)行器件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；拉曼散射技術(shù)具有約1 μm的高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，但需要逐點(diǎn)掃描、測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，適合于局部小范圍的溫度測(cè)量；熱反射法具有亞微米量級(jí)的高空間分辨率，能簡(jiǎn)便得到器件溫度分布圖，十分適合用于GaN基HEMTs器件的熱測(cè)試中。最后指出先進(jìn)的熱反射法很可能成為GaN基HEMTs器件熱特性研究的發(fā)展方向。

GaN；熱測(cè)試；綜述；電學(xué)法；紅外輻射；拉曼散射；熱反射

氮化鎵（GaN）基高電子遷移率晶體管（HEMTs）固有的高擊穿電壓、高電子遷移率和高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，決定了其可應(yīng)用于比傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件更大功率、更高頻率和更高溫度的場(chǎng)合[1-2]，被認(rèn)為是下一代通信系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用的絕佳候選[3]。然而GaN基HEMTs器件在實(shí)用化過(guò)程中依然存在諸多可靠性問(wèn)題，其中與溫度相關(guān)的可靠性問(wèn)題尤其關(guān)鍵[4-5]。GaN基HEMTs器件是一類(lèi)高發(fā)熱器件，器件工作時(shí)產(chǎn)生的自熱效應(yīng)將導(dǎo)致器件性能顯著退化，如飽和電流下降、源極電阻增大、閾值電壓漂移、增益降低和輸出三階交調(diào)點(diǎn)減小等[6-8]。本課題組近幾年的研究結(jié)果表明[9-11]，GaN基HEMTs器件在經(jīng)歷高溫老化試驗(yàn)后，電流輸出能力大幅下降、柵泄漏電流顯著增加，失效分析發(fā)現(xiàn)，這是由于柵金屬下方出現(xiàn)明顯裂紋所致。該裂紋的出現(xiàn)主要是由于柵金屬系統(tǒng)發(fā)生熱失配產(chǎn)生的張應(yīng)力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展至二維電子氣處。

同時(shí)，GaN基HEMTs器件固有的高擊穿電壓、高電子遷移率和高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，又決定了其應(yīng)用前景主要集中在高溫、大功率等領(lǐng)域，無(wú)論是由于自熱效應(yīng)導(dǎo)致的熱可靠性問(wèn)題，還是高溫應(yīng)用環(huán)境中的熱可靠性問(wèn)題，都使得器件的熱可靠性評(píng)估尤為重要，而其關(guān)鍵熱學(xué)參數(shù)測(cè)試則成為非常重要的一項(xiàng)課題。為此，英國(guó)Bristol大學(xué)的Kuball團(tuán)隊(duì)指出掌握有源區(qū)溫度特性對(duì)于提高GaN基HEMTS器件性能和可靠性、優(yōu)化器件設(shè)計(jì)等尤其重要[12]。

因此，GaN基HEMTs器件熱測(cè)試技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，對(duì)此人們投入了大量的研究工作。本文首先簡(jiǎn)述了半導(dǎo)體器件熱測(cè)試的常規(guī)方法，然后以國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道為基礎(chǔ)，并結(jié)合筆者所在課題組的研究情況，重點(diǎn)對(duì)GaN基HEMTs器件熱測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展以及應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述。

1 半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量的常規(guī)方法

測(cè)試半導(dǎo)體器件的溫度有多種方法，這些方法都是基于對(duì)器件某些受溫度影響或隨溫度而變的物理現(xiàn)象的測(cè)量。根據(jù)其特性不同，可以將半導(dǎo)體器件的溫度測(cè)試方法分為三大類(lèi)[13]：利用某些隨溫度而變的電特性作為溫度計(jì)的電學(xué)法；利用某些與溫度有關(guān)的光特性作為溫度計(jì)的光學(xué)法；利用某些與器件緊密接觸的物質(zhì)作為溫度傳感器的物理法。下面對(duì)這三大類(lèi)方法做簡(jiǎn)單介紹。

1.1 電學(xué)法

半導(dǎo)體器件的許多電學(xué)參數(shù)是與溫度有關(guān)的，例如PN結(jié)正向電壓、閾值電壓、電流增益、飽和電流等，這些被稱(chēng)為溫度敏感參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些溫敏參數(shù)的測(cè)量可以推斷出半導(dǎo)體器件的工作溫度，這種方法就叫作電學(xué)法。采用PN結(jié)正向電壓作為溫敏參數(shù)的例子有：雙極晶體管的發(fā)射極-基極電壓VEB[14]、場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵-源電壓VGS[15]、MOSFET的二極管結(jié)壓VF[16]等；采用閾值電壓作為溫敏參數(shù)的例子有：功率 MOSFET[17]、絕緣柵雙極晶體管IGBT[16]等；采用電流增益作為溫敏參數(shù)的例子有：GaAs基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 HBT[18]、GaAs MESFET[19]、SiGe異質(zhì)結(jié)[20]等；采用飽和電流作為溫敏參數(shù)的例子有絕緣柵雙極晶體管IGBT[21]等。

由于電學(xué)法的自身特點(diǎn)限制，它只能得到溫敏參數(shù)區(qū)域的平均溫度，而不能得到器件的表面溫度分布。例如，利用PN結(jié)正向電壓作為溫敏系數(shù)時(shí)，得到的是結(jié)區(qū)的平均溫度，但這并不一定代表器件其他區(qū)域的溫度。在大多數(shù)情況下，器件溫度幾乎是處處相等的，因此可以將結(jié)區(qū)平均溫度代表整個(gè)器件的溫度；但在某些場(chǎng)合，器件溫度分布是不均勻的，甚至結(jié)區(qū)溫度也并不是處處相同的，因此，這種情況下無(wú)法用電學(xué)法準(zhǔn)確評(píng)估器件的溫度。

雖然電學(xué)法犧牲了溫度測(cè)試的某些特性，但它的好處是不需要對(duì)器件進(jìn)行開(kāi)封，它是唯一能夠?qū)Ψ庋b器件進(jìn)行直接測(cè)量而無(wú)需破壞器件封裝的測(cè)試方法。而且，結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)分析技術(shù)[22]，它還可以快速方便地對(duì)不同器件、不同工藝等的熱性能進(jìn)行對(duì)比分析，因此，電學(xué)法成為研究GaN器件結(jié)溫和器件縱向熱阻分析的一項(xiàng)非常有力的技術(shù)。

1.2 光學(xué)法

光學(xué)法是基于半導(dǎo)體器件表面的某些溫度敏感的光學(xué)現(xiàn)象的一種測(cè)試方法，可分為兩類(lèi)：發(fā)射測(cè)試法和激勵(lì)測(cè)試法。發(fā)射測(cè)試法假設(shè)物體自身是發(fā)射光源，例如由黑體輻射產(chǎn)生的與溫度有強(qiáng)烈關(guān)系的紅外輻射。激勵(lì)測(cè)試法則是基于入射光與反射（或散射）光的對(duì)比，例如光致發(fā)光光譜、拉曼散射、熱反射法等。紅外輻射法可以通過(guò)分析物體表面發(fā)生的紅外輻射而直接得到器件的溫度分布圖，因此被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量[23]。目前市面上已有很多基于紅外輻射法測(cè)溫的成熟產(chǎn)品。光致發(fā)光法通過(guò)監(jiān)測(cè)光致發(fā)光載流子在復(fù)合過(guò)程中的輻射衰變得到材料的帶隙能，利用測(cè)量材料的帶隙能的變化來(lái)計(jì)算出器件的工作溫度[24]。拉曼散射法通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體的聲子頻率來(lái)間接得到器件的工作溫度，因?yàn)橛晒庾赢a(chǎn)生或湮滅的聲子是與溫度有關(guān)的，所以散射光子的光譜隨溫度變化[12]。熱反射法是利用溫度升高導(dǎo)致材料表面光反射的變化來(lái)間接得到器件的表面溫度，其優(yōu)點(diǎn)在于空間分辨率達(dá)亞微米量級(jí)[25-26]。

由于僅有光子與器件有相互作用，而且這些相互作用對(duì)器件工作狀態(tài)和溫度的影響非常小，所以光學(xué)法被認(rèn)為是非接觸式的；此外，光學(xué)法的優(yōu)勢(shì)還包括能夠得到器件的表面溫度分布圖。它的劣勢(shì)是必須使光束接觸物體表面，這不適用于封裝器件，而且光學(xué)法設(shè)備通常比較昂貴，使用較復(fù)雜。

在光學(xué)法中，紅外輻射法通過(guò)利用物體表面發(fā)生紅外輻射能夠非常簡(jiǎn)便得到器件的溫度分布圖，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件結(jié)溫測(cè)量；拉曼散射法具有約1 μm的高空間分辨率，使其適合于GaN器件的應(yīng)用，從而成為表征GaN熱學(xué)參數(shù)的熱門(mén)手段；而近幾年取得重大突破的熱反射技術(shù)，由于其具有極高的空間和時(shí)間分辨率，并且能簡(jiǎn)便得到器件溫度分布圖，成為研究GaN熱學(xué)參數(shù)非常有前景的一項(xiàng)技術(shù)，引起了國(guó)內(nèi)外研究工作者的極大興趣。

1.3 物理法

物理法，包括點(diǎn)接觸（如熱掃描探針[27]）和多點(diǎn)接觸或完全覆蓋表面（如液晶和熱像磷光粉[28]），它是基于溫度能量或熱量從待測(cè)器件向接觸物質(zhì)傳遞的傳感器方法。物理法具有高達(dá)100 nm以?xún)?nèi)的超高分辨率[29]。對(duì)于點(diǎn)接觸法，通過(guò)逐點(diǎn)掃描和熱矩陣可得到器件表面溫度分布圖；對(duì)于表面覆蓋法，可以直接得到器件表面溫度分布圖。

掃描探針?lè)ㄍǔ２惶m宜對(duì)工作狀態(tài)下的半導(dǎo)體器件進(jìn)行溫度測(cè)試。而對(duì)于液晶法，每一個(gè)特定器件要找到具有合適相變溫度的液晶是很困難的，如何將液晶很好地覆蓋在器件表面上，同時(shí)保證在測(cè)試過(guò)程中不改變液晶的特性難度很大。除此以外，物理法對(duì)封裝器件來(lái)說(shuō)是破壞性的測(cè)量，而且物理接觸還可能干擾器件表面的溫度分布場(chǎng)。

綜上，物理法被認(rèn)為不太適合用于 GaN基HEMTs器件熱學(xué)參數(shù)的測(cè)試。

1.4 小結(jié)

對(duì)半導(dǎo)體器件熱學(xué)參數(shù)的測(cè)試具有很多種方法，根據(jù)其特性不同，可以分為三大類(lèi)：電學(xué)法、光學(xué)法、物理法。其中，適合用于GaN基HEMTs器件熱學(xué)參數(shù)測(cè)試的方法有：能夠?qū)Ψ庋b器件進(jìn)行直接測(cè)量而無(wú)需破壞器件封裝的電學(xué)法；光學(xué)法中，能夠簡(jiǎn)便得到溫度分布圖而被廣泛應(yīng)用的紅外法、具有高空間分辨率而成為熱門(mén)技術(shù)的拉曼散射法和近幾年發(fā)展起來(lái)的比拉曼散射法具有更高空間分辨率的熱反射法。而物理法通常被認(rèn)為不太適合用于GaN基HEMTs器件熱學(xué)參數(shù)的測(cè)試。

2 適用于GaN基HEMTs器件的熱測(cè)試方法

由上述可知，適合用于GaN基HEMTs器件熱學(xué)參數(shù)測(cè)試的方法有電學(xué)法、紅外法、拉曼散射法和熱反射法，下面詳細(xì)介紹這四種方法對(duì) GaN基HEMTs器件熱性能的研究情況。

2.1 電學(xué)法

電學(xué)法是唯一能夠?qū)Ψ庋b器件進(jìn)行直接測(cè)量而無(wú)需破壞器件封裝的測(cè)試方法，而且可以快速方便地對(duì)不同器件、不同工藝等的熱性能進(jìn)行對(duì)比，因此成為研究GaN器件結(jié)溫和器件縱向熱阻分析的一項(xiàng)非常有力的技術(shù)。

GaN基HEMTs器件的柵下肖特基結(jié)壓是溫度敏感參數(shù)，所以通過(guò)監(jiān)測(cè)該參數(shù)可以得到器件結(jié)溫變化。測(cè)試過(guò)程為：首先將器件置于溫度可控的油槽中，改變油槽溫度測(cè)量肖特基結(jié)壓得到一條校準(zhǔn)曲線，該直線的斜率即為 k系數(shù)。然后給器件施加一個(gè)加熱功率P1，直到達(dá)到熱平衡，接著斷開(kāi)加熱功率，僅給器件施加一個(gè)很小的測(cè)試功率P2，記錄功率差ΔP，在結(jié)溫下降過(guò)程中實(shí)時(shí)采樣肖特基結(jié)壓的變化 ΔV，再通過(guò) k系數(shù)得到器件的溫度變化ΔT=ΔV·k，最后可以得到器件結(jié)溫的變化TJ= TJ0+ ΔTJ。該過(guò)程如圖1所示。

圖1 電學(xué)法熱測(cè)試示意圖Fig.1 Diagram of electrical method for measuring temperatures of devices

圖2 GaN基HEMTs器件HTO試驗(yàn)前后的器件降溫曲線Fig.2 Temperature cooling curve of the GaN-based HEMTs

該方法被應(yīng)用于某GaN基HEMTs器件在高溫開(kāi)態(tài)（HTO）應(yīng)力試驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)中[30]，研究發(fā)現(xiàn)器件結(jié)溫在經(jīng)歷HTO實(shí)驗(yàn)后明顯升高，圖2所示為測(cè)量結(jié)果。圖中前面稀散的點(diǎn)是由于在功率切換瞬間受到電氣干擾，從而造成這段時(shí)間內(nèi)測(cè)試信號(hào)的無(wú)效?！皊emi-infinite plate”模型認(rèn)為在這段極短時(shí)間內(nèi)，溫度的變化量與時(shí)間的平方根成線性關(guān)系，這樣就可以推導(dǎo)出t=0時(shí)的結(jié)溫[22]。圖2的插圖所示為以時(shí)間的平方根為橫坐標(biāo)的降溫曲線圖，該圖中線性外推得到 HTO試驗(yàn)前后器件的結(jié)溫分別為55 ℃，78 ℃，試驗(yàn)后器件結(jié)溫大幅上升了23 ℃。

圖2中的器件降溫曲線包含了器件各封裝結(jié)構(gòu)的熱阻、熱容信息，通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)分析技術(shù)可以將這些信息解析出來(lái)[22]。結(jié)構(gòu)函數(shù)的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，其基本過(guò)程如圖3所示。首先，用z表示時(shí)間對(duì)數(shù) z=ln(t)，將降溫曲線 a(t)改寫(xiě)為時(shí)間對(duì)數(shù)形式a(z)，則可以通過(guò)da/dz與w(z)的反卷積計(jì)算得到時(shí)間常數(shù)譜R(z)，w(z)為z的函數(shù)；然后通過(guò)時(shí)間常數(shù)譜 R(z)的離散化構(gòu)建器件等效熱 Foster RC網(wǎng)絡(luò)模型，接下來(lái)轉(zhuǎn)換成Cauer RC網(wǎng)絡(luò)模型；將Cauer模型中的熱阻與熱容按網(wǎng)絡(luò)階數(shù)疊加，即可獲得積分結(jié)構(gòu)函數(shù)。

圖3 結(jié)構(gòu)函數(shù)計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.3 Calculate diagram of the structure function

按上述方法得到器件HTO試驗(yàn)前后的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖4所示，圖中標(biāo)識(shí)的一段平坦曲線為芯片的粘接層，即固晶層。因固晶層的熱阻較大、熱容很小所以在積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中表現(xiàn)為一段平坦曲線。從圖4可知，HTO試驗(yàn)后，固晶層的熱阻明顯增大，是造成器件熱阻增大的主要原因。HTO試驗(yàn)過(guò)程中，器件經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間高溫應(yīng)力，固晶層很可能因此而發(fā)生退化，如出現(xiàn)空洞增大、分層等，這可能是造成結(jié)溫升高的主要原因。

圖4 GaN基HEMTs器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線Fig.4 Cumulative structure functions of the GaN-based HEMTs

2.2 紅外法

紅外法是最常用的一種利用檢測(cè)物體自身發(fā)光而得到溫度分布的技術(shù)。被測(cè)物體發(fā)射的輻射能的強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度有關(guān)，如圖5所示[13]。利用這一原理，用紅外探頭逐點(diǎn)測(cè)量物體表面各單元發(fā)射的輻射能峰值的波長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算可換算成表面各點(diǎn)的溫度值。

圖5 不同溫度下的黑體輻射與波長(zhǎng)的關(guān)系圖[13]Fig.5 The infrared emission as a function of wavelength for a black body at different temperatures[13]

利用紅外法進(jìn)行器件溫度測(cè)試時(shí)，首先需獲得樣品每個(gè)像素區(qū)域的紅外發(fā)射率，在得到樣品表面的發(fā)射率分布后，對(duì)器件施加加熱功率，再通過(guò)紅外熱成像，就可以得到樣品表面的溫度分布圖。圖6所示為對(duì)某GaN基HEMTs器件進(jìn)行紅外法測(cè)試的結(jié)果，圖中可見(jiàn)該器件結(jié)溫在靜態(tài)紅外熱像的測(cè)試結(jié)果為108 ℃。

圖6 GaN基HEMTs器件的靜態(tài)紅外測(cè)試結(jié)果Fig.6 IR temperature map of the GaN-based HEMTs under static state

GaN器件通常需要工作在脈沖條件下，例如上述器件是工作在脈沖寬度為3 ms、占空比為30%的脈沖模式下，靜態(tài)紅外熱成像技術(shù)抓取不到這些信息，所以靜態(tài)紅外熱像圖得到的是器件溫度的平均效果。由于紅外法不改變器件的電氣連接，所以紅外法還可以對(duì)器件的脈沖工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)圖6中溫度最高區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)紅外測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7?？梢?jiàn)，器件結(jié)溫在脈寬3 ms時(shí)間內(nèi)不斷升高，3 ms后迅速降低，下一個(gè)脈沖周期到來(lái)又迅速升高和降低，如此反復(fù)；脈沖峰值溫度達(dá)到124 ℃，遠(yuǎn)高于靜態(tài)紅外熱像108 ℃的測(cè)試結(jié)果。

圖7 GaN基HEMTs器件的動(dòng)態(tài)紅外測(cè)試結(jié)果Fig.7 Peak temperature of the GaN-based HEMTs under dynamic state

紅外法已被應(yīng)用于GaN基HEMTs器件長(zhǎng)期可靠性的研究中[10]，該器件在經(jīng)歷5000 h高溫試驗(yàn)后，輸出電流密度從 0.676 A/mm 大幅下降到 0.144 A/mm，微光探測(cè)分析表明，器件中間部分的柵條發(fā)光情況明顯比邊緣部分的低，表明中間部分的柵條退化速度較快。文獻(xiàn)[31]認(rèn)為，輸出電流下降與柵下靠漏一側(cè)形成的結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)，而該結(jié)構(gòu)損傷在高溫下將加速擴(kuò)展。圖8所示的紅外試驗(yàn)結(jié)果表明，器件中間部分柵條的溫度明顯比邊緣部分的高，中間柵條更高的溫度導(dǎo)致了柵條退化速度加快，這一結(jié)果與文獻(xiàn)的說(shuō)法相吻合。

紅外法對(duì)器件表面溫度的測(cè)量需要對(duì)封裝器件進(jìn)行開(kāi)封，同時(shí)對(duì)于 GaN器件來(lái)說(shuō)，紅外法的空間分辨率較低（幾微米），這些使得紅外法的使用受到一定限制。盡管如此，由于紅外法能非常簡(jiǎn)便地得到器件溫度分布圖，而且不影響器件的電氣連接，從而可對(duì) GaN器件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，所以目前紅外法仍然被廣泛應(yīng)用于 GaN器件的熱測(cè)試中。

圖8 GaN基HEMTs器件的紅外熱像圖Fig.8 IR temperature map of the GaN-based HEMTs

2.3 拉曼散射法

拉曼光譜是一種用來(lái)探測(cè)材料光學(xué)聲子的振動(dòng)能量或振動(dòng)頻率的光散射技術(shù)，通過(guò)入射光與散射光的能量差來(lái)觀測(cè)拉曼散射。拉曼散射由于其高的空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，使其適合于GaN器件中的應(yīng)用，已成為表征GaN熱學(xué)參數(shù)的熱門(mén)手段。

在光的散射過(guò)程中，輻射電場(chǎng)與分子發(fā)生相互作用，電子被激發(fā)到“虛能態(tài)”（Virtual states）并通過(guò)輻射光子又回到基態(tài)。這個(gè)過(guò)程基本上是彈性散射，這種散射過(guò)程被稱(chēng)為瑞利散射（Rayleigh scattering）。然而在106～108個(gè)聲子中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非彈性散射，使得在散射過(guò)程中出現(xiàn)分子的量子化振動(dòng)能級(jí)。該振動(dòng)能要么從入射光子傳遞給分子，稱(chēng)為斯托克斯拉曼散射(Stokes)，要么從分子傳遞給散射光子，稱(chēng)為反斯托克斯拉曼散射(anti-Stokes)，如圖9所示是瑞利散射和拉曼散射過(guò)程的示意圖[32]。

圖9 瑞利散射和拉曼散射過(guò)程的能級(jí)示意圖[32]Fig.9 Energy level diagram for Rayleigh and Raman scattering processes[32]

拉曼散射是激發(fā)輻射能量的位移，通常用波數(shù)（cm–1）的形式來(lái)表達(dá)。溫度對(duì)GaN拉曼散射的影響如圖10所示[32]?？梢?jiàn)，溫度上升導(dǎo)致拉曼譜紅移、譜線展寬。高溫時(shí)聲子頻率的降低來(lái)源于兩方面的原因，聲子固有能量的抑制和晶體的熱膨脹，一般熱膨脹是主要原因。高溫時(shí)由于光學(xué)聲子間的相互作用加劇，導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng)，由此降低了聲子壽命τ。聲子譜線寬度Γ與聲子壽命τ相關(guān)：，其中。 因此，隨溫度的升高，聲子壽命降低，從而聲子譜線寬度展寬。

圖10 不同溫度下的GaN拉曼散射[32]Fig.10 GaN’s Raman response to temperature rise[32]

從圖10可見(jiàn)，采用拉曼散射測(cè)量器件溫度最簡(jiǎn)單的方法是測(cè)量斯托克斯拉曼峰的位移。然而，由于聲子頻率還與晶格應(yīng)變有關(guān)，所以這種方法的準(zhǔn)確性受限于應(yīng)力導(dǎo)致的誤差。斯托克斯與反斯托克斯強(qiáng)度比隨著溫度升高而增大，利用這種特性也可測(cè)量器件溫度，而且不受應(yīng)力影響。然而，在實(shí)際中應(yīng)用這種方法卻是非常困難的，因?yàn)榉此雇锌怂剐盘?hào)強(qiáng)度非常弱，采集時(shí)間長(zhǎng)，而且價(jià)格昂貴。

通過(guò)測(cè)量器件在工作狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)拉曼光譜E2(high)聲子譜線寬度的變化來(lái)推斷器件溫度，可以不受應(yīng)力的影響，而且和采用斯托克斯與反斯托克斯強(qiáng)度比的方法具有差不多的準(zhǔn)確度。拉曼峰的聲子光譜線寬來(lái)源于激光譜線、光譜儀，和待測(cè)樣品的聲子衰減率。前兩者基本上與溫度無(wú)關(guān)，所以在兩次測(cè)量中對(duì)光譜線寬的影響可以去除。只有晶體隨溫度上升而引起的譜線展寬能夠被監(jiān)測(cè)到。因此，在中等應(yīng)力水平下，拉曼譜線寬度與應(yīng)力沒(méi)有明顯的關(guān)系，這從圖11[32]也能夠明顯地看出來(lái)。

值得一提的是，對(duì)于像GaN基HEMTs這類(lèi)具有壓電材料和工作狀態(tài)時(shí)有大的內(nèi)建電場(chǎng)的器件，還要考慮電場(chǎng)對(duì)拉曼譜線寬度的影響。因此，選擇合適的參考狀態(tài)對(duì)于得到準(zhǔn)確的溫度尤其關(guān)鍵，通常選取的是器件的關(guān)斷狀態(tài)而不是未加電狀態(tài)。

圖11 斯托克斯拉曼峰位移（a）與拉曼峰的聲子譜線寬度（b）隨張應(yīng)力的變化關(guān)系圖[32]Fig.11 (a) Shift in Stokes Raman peak position and (b) linewidth of the E2(high) and A1(LO) phonon mode of GaN due to application of biaxial tensile stress[32]

Bristol大學(xué)報(bào)道了利用紅外法和拉曼峰位移的方法來(lái)研究GaN器件結(jié)溫的情況[33]，圖12為測(cè)試結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，與紅外法相比，拉曼散射法在空間分辨率方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯，拉曼散射的空間分辨率約1 μm，這對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估GaN器件的溝道峰值溫度非常重要。但同時(shí)從圖中也可看到，拉曼散射法需要逐點(diǎn)掃描，所以測(cè)量耗時(shí)很長(zhǎng)，適合于局部小范圍的溫度測(cè)量。

2.4 熱反射法

光束照射到材料上會(huì)發(fā)生反射，材料的反射率與溫度有關(guān)，因此可以通過(guò)測(cè)試器件表面的反射光強(qiáng)度的改變得到其溫度的改變。入射光反射率R的相對(duì)變化與溫度的關(guān)系可近似為線性關(guān)系，如下式所示[34]：

式中：T為溫度；κ是熱反射校準(zhǔn)系數(shù)（通常在10–2～10–5K–1量級(jí)），它與材料屬性、光照波長(zhǎng)、入射角度、表面粗糙度以及多層結(jié)構(gòu)中樣品的組分有關(guān)。

圖13所示為熱反射法測(cè)試系統(tǒng)的原理圖[35]，照明光源LED用于提供光強(qiáng)穩(wěn)定的入射光照射到待測(cè)器件表面，CCD或探測(cè)器用于探測(cè)隨溫度變化的反射光強(qiáng)度的變化，從而生成器件的表面溫度分布圖。由于反射率信噪比很低，可能掩蓋反射率隨溫度變化的強(qiáng)度，所以在實(shí)際操作中通過(guò)鎖相技術(shù)來(lái)提高采集信號(hào)的信噪比，以獲得更高的溫度分辨率。

圖12 (a) GaN基HEMTs器件的紅外法測(cè)試結(jié)果(b) 拉曼法測(cè)試結(jié)果（c）紅外法、拉曼法及3D仿真結(jié)果（d）[33]Fig.12 (a) IR temperature map (b) Raman temperature map (c) Results of IR imaging, Raman spectroscopy, and 3-D finite-difference simulations of GaN-based HEMTs[33]

圖13 熱反射法測(cè)試系統(tǒng)的原理圖[35]Fig.13 Schematic for thermoreflectance camera imaging system[35]

熱反射法具有非常高的空間分辨率，選擇波長(zhǎng)為400～800 nm的可見(jiàn)光，可以得到亞微米量級(jí)的空間分辨率，這對(duì)GaN器件的熱測(cè)試具有非常大的吸引力。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室利用反射率熱成像系統(tǒng)研究了GaN基HEMTs器件的熱特性[36]，圖14為測(cè)試結(jié)果。圖中可見(jiàn)，由于熱反射法極高的空間分辨率，GaN器件表面溫度分布的細(xì)節(jié)清晰可見(jiàn)，說(shuō)明熱反射法適用于GaN器件的熱測(cè)試中。

圖14 （a）GaN基HEMTs器件的熱反射法測(cè)試結(jié)果；（b）C-C’區(qū)域的溫度分布圖[36]Fig.14 (a)Thermoreflectance image of the GaN-based HEMTs; (b) Vertical thermoreflectance profiles (C-C’) across the device[36]

熱反射法不僅具有亞微米量級(jí)的空間分辨率，而且還具有納秒量級(jí)的時(shí)間分辨率。文獻(xiàn)[37]采用熱反射法對(duì)GaN基HEMTs器件進(jìn)行了瞬態(tài)自熱效應(yīng)測(cè)試，圖15所示為測(cè)試結(jié)果。圖中可見(jiàn)，GaN溝道溫度最高且上升最快，柵金屬溫度幾乎與溝道接近，而漏金屬的溫度上升較慢且溫度較低。從這里也可看出，對(duì)GaN器件的熱測(cè)試需要極高的時(shí)間分辨率。

圖15 GaN基HEMTs器件的瞬態(tài)熱反射測(cè)試結(jié)果[37]Fig.15 GaN-based HEMTs temperature rise versus logarithmic time measured with transient thermoreflectance imaging[37]

熱反射法具有亞微米的空間分辨率和納秒量級(jí)的時(shí)間分辨率，同時(shí)又能簡(jiǎn)便得到器件溫度分布圖，不需要知道材料的輻射系數(shù)，可以在室溫或低于室溫的條件下工作，這些優(yōu)點(diǎn)使其十分適合用于GaN器件的熱學(xué)參數(shù)測(cè)試中。雖然目前成熟的商業(yè)化設(shè)備尚不多，其準(zhǔn)確度、可靠度等還有待驗(yàn)證，但熱反射法是一項(xiàng)非常有應(yīng)用潛力的熱測(cè)試技術(shù)，引起國(guó)內(nèi)外研究工作者的極大興趣。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，雖然電學(xué)法只能得到結(jié)區(qū)的平均溫度，不能得到器件的峰值溫度和溫度分布圖，但它是唯一能夠?qū)Ψ庋b器件進(jìn)行直接測(cè)量而無(wú)需破壞器件封裝的測(cè)試方法，而且可以快速方便地對(duì)不同器件、不同工藝等的熱性能進(jìn)行對(duì)比，因此成為研究GaN器件結(jié)溫和器件縱向熱阻分析的一種常用技術(shù)。紅外法在測(cè)量GaN器件時(shí)雖然空間分辨率不夠，但由于其能非常簡(jiǎn)便得到器件平均溫度分布圖，而且能在不影響器件的電氣連接的情況下對(duì)GaN器件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，所以紅外法仍然廣泛應(yīng)用于GaN器件熱學(xué)參數(shù)測(cè)試中。拉曼散射技術(shù)由于其高的空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，使其適合于GaN器件中的應(yīng)用，已成為研究GaN熱學(xué)參數(shù)表征的熱門(mén)手段，但拉曼散射法需要逐點(diǎn)掃描，所以測(cè)量耗時(shí)很長(zhǎng)，適合于局部小范圍的溫度測(cè)量。熱反射法具有亞微米量級(jí)的高空間分辨率和納秒量級(jí)的高時(shí)間分辨率，能簡(jiǎn)便得到器件溫度分布圖，還可以在室溫或低于室溫的條件下工作，這些優(yōu)點(diǎn)使其十分適合用于GaN器件的熱測(cè)試中，引起國(guó)內(nèi)外研究工作者的極大興趣。下一階段熱反射法很可能成為GaN器件熱特性研究的熱門(mén)手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯：唐斌）

Progress of technologies and applications of temperature measurements for GaN-based HEMTs

LI Ruguan, LIAO Xueyang, YAO Bin, ZHOU Bin, CHEN Yiqiang
(Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory, The Fifth Institute of Electronics of Ministry of Industry and Information Technology, GuangZhou 510610, China)

Temperature measurement methods of semiconductor devices are summarized in this paper. Particularly, four thermal testing technologies and the application of these methods in high-electron mobility gallium nitride (GaN) based high electron mobility transistor (HEMTs) devices are analyzed. The results show that the four technologies have their advantages and disadvantages. Although electronic method can only measure the average temperature of the junction area, it can directly measure the device temperature without damage to the package. The spatial resolution of infrared method is relatively low, but it can easily measure the device temperature distribution and both the static and dynamic measurement. Raman scattering technology has the advantage of high spatial resolution of about 1 μm, but it requires point-by-point scanning and therefore suitable for local small-scale temperature measurement. Thermoreflectance imaging method not only possess high spatial resolution of sub-micron magnitude, but also can easily obtain device temperature profile, making it very suitable for GaN-based HEMTs device thermal test. It is pointed out that the thermoreflectance imaging method is likely to be the development direction of GaN-based HEMTs device thermal characteristics research.

GaN; temperature measurement; review; electrical; infrared radiation; Raman spectroscopy; thermoreflectance imaging

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.001

TN307

A

1001-2028（2017）09-0001-09

2017-06-08

李汝冠

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No. 2016A030310361; No. 2015A030310331）；技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目資助（No. JSZL2016610B001）；廣東省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目資助（No. 2015A030306002）；廣東特支計(jì)劃科技創(chuàng)新青年拔尖人才項(xiàng)目資助（No. 2015TQ01X030）；微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助

李汝冠（1984－），男，廣東揭西人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)殡娮釉骷煽啃?，E-mail: liruguan@hotmail.com 。

時(shí)間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.002.html