基于熱成像的GaN HEMT熱阻測(cè)量

孫明，王爽，黃東巍，周欽沅

（中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176）

0 引言

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體，即寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬半導(dǎo)體帶隙、高擊穿強(qiáng)度、高電子飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等特性，特別適合制造高頻率、高速度和高溫工作的半導(dǎo)體器件。GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）中采用的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高濃度二維電子氣,其電子遷移率比三維的電子快得多。綜合性能的優(yōu)勢(shì),使GaN HEMT器件在相同工作頻率下其功率密度比Si和GaAs微波器件要高出10倍[1-2]，在微波和大功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域有巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。根據(jù)半導(dǎo)體器件可靠性理論，器件的工作溫度與器件的性能及可靠性有著極為密切的聯(lián)系。在大功率工作條件下，“自熱效應(yīng)”使得GaN HEMT器件有源溝道區(qū)的溫度升高，嚴(yán)重影響了器件的功率密度和功率附加效率性能[3-4]。同時(shí)，高溫對(duì)載流子密度、材料缺陷及襯底產(chǎn)生影響，器件性能參數(shù)隨溫度的升高而發(fā)生退化[5]。

通常，采用熱阻來(lái)表征器件對(duì)芯片熱量的傳遞能力。由于峰值結(jié)溫?zé)o法在線(xiàn)測(cè)量，工作時(shí)的結(jié)溫需要通過(guò)熱阻值計(jì)算。同時(shí)，熱阻測(cè)試也是器件篩選和考核的重要項(xiàng)目。與硅基功率器件不同，傳統(tǒng)電學(xué)熱阻測(cè)試方法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量GaN HEMT器件的熱阻，GaN HEMT器件熱阻測(cè)試一般采用紅外熱像法[6]。

隨著工藝尺寸逐漸變小，GaN HEMT器件柵長(zhǎng)一般小于1μm。利用顯微紅外測(cè)量得到的峰值溫度較其他高空間分辨率方法測(cè)量的溫度低幾十度[7]，已無(wú)法完全滿(mǎn)足當(dāng)前的功率器件的熱測(cè)試需求。

1 熱阻測(cè)試技術(shù)分析

1.1 熱阻測(cè)試技術(shù)

熱阻計(jì)算公式：

式中，是器件熱阻， 是芯片結(jié)溫， 是器件殼溫， 是器件功耗。殼溫一般采用熱電偶接觸測(cè)量。結(jié)溫的測(cè)量技術(shù)主要包括電學(xué)法和光學(xué)法兩大類(lèi)。相比于電學(xué)法，光學(xué)測(cè)量的主要優(yōu)勢(shì)是光信號(hào)的采集在空間和時(shí)間上獨(dú)立于器件的電信號(hào)，可以獲得芯片中某一微小區(qū)域和某一瞬時(shí)的溫度值，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高時(shí)間分辨率。

紅外熱像法、顯微拉曼法[8-9]和熱反射率法[10-11]都屬于光學(xué)方法。其中，顯微拉曼法和熱反射率法屬于主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)，測(cè)量時(shí)需要激光照射芯片表面；而紅外熱像法屬于被動(dòng)式探測(cè)，不需要對(duì)芯片施加額外的光學(xué)激勵(lì)。

顯微拉曼法和熱反射率法可以采用較短波長(zhǎng)的光作為光源，在高數(shù)值孔徑的鏡頭下，可以獲得亞微米量級(jí)衍射極限的橫向分辨率，尤其適合于測(cè)量微米級(jí)器件的溫度場(chǎng)分布。

表1 主要光學(xué)溫度測(cè)試技術(shù)比較

1.2 紅外熱成像法

任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，因此紅外光可以用來(lái)探測(cè)芯片的溫度。利用紅外陣列探測(cè)器或單元探測(cè)器獲取芯片的紅外輻射量NM，結(jié)合芯片表面輻射率ε，即可計(jì)算得到芯片紅外熱像或溫度。其中輻射率ε可以通過(guò)公式（2）計(jì)算得到：

其中，NT是在指定溫度下的黑體輻射，NA是周?chē)h(huán)境的黑體輻射。

巴爾迪曾執(zhí)教于奧柏林音樂(lè)學(xué)院，現(xiàn)任教于克利夫蘭音樂(lè)學(xué)院鋼琴系。同時(shí)，他還創(chuàng)辦了意大利“托迪（Todi）國(guó)際音樂(lè)節(jié)”，并定期在中國(guó)音樂(lè)學(xué)院、上海音樂(lè)學(xué)院等國(guó)內(nèi)院校開(kāi)設(shè)大師課，擔(dān)任多個(gè)重要國(guó)際比賽評(píng)委。

中波紅外光對(duì)半導(dǎo)體材料的穿透性較好，且波長(zhǎng)較短，因此，（3～5）μm是紅外熱成像較為理想的波長(zhǎng)范圍。

1.3 反射率熱成像法

當(dāng)光照射在某種材料表面時(shí)，材料對(duì)光的反射率隨材料溫度變化而變化，且對(duì)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(xiàn)性關(guān)系，可表示為：

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

由于熱反射信號(hào)相對(duì)較小，需要利用鎖相放大的方法增加信噪比以提高靈敏度。利用上述原理，通過(guò)測(cè)量反射率的變化量ΔR計(jì)算得到材料表面溫度的變化量ΔT的技術(shù)稱(chēng)為熱反射測(cè)溫技術(shù)或光反射測(cè)溫技術(shù)。

2 測(cè)試內(nèi)容

2.1 測(cè)試樣品

本文選擇3只CREE公司功率容量為25W的GaN HEMT器件進(jìn)行測(cè)試。該器件芯片襯底為100μm SiC，AuSn焊料焊接，1mm厚銅鉬銅管殼。

圖1 GaN HEMT 器件芯片

2.2 測(cè)試電路及夾具

熱阻測(cè)試采用紅外熱成像和反射率熱成像兩種測(cè)量技術(shù)。測(cè)試時(shí)，柵壓固定在某一偏置點(diǎn)，對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行漏調(diào)制，漏電壓為脈沖電壓。測(cè)試電路見(jiàn)圖2。為了防止器件在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生自激，還需要在漏端加入去耦電容，并做好輸入輸出匹配。

圖2 器件測(cè)試電路圖

器件安裝到銅制測(cè)試夾具上后，同夾具一起固定到控溫冷板上。

圖3 殼溫測(cè)量設(shè)計(jì)

2.3 紅外熱成像

采用512×512像素陣列的InSb紅外探測(cè)器對(duì)器件進(jìn)行熱成像測(cè)試。

芯片表面輻射率測(cè)量時(shí)，器件不加電，此時(shí)芯片表面溫度等于平臺(tái)溫度，紅外探測(cè)器測(cè)量環(huán)境的黑體輻射和芯片的輻射量，計(jì)算得到芯片表面的發(fā)射率圖像，見(jiàn)圖4。

圖4 芯片發(fā)射率（左側(cè)）及紅外熱成像圖（右側(cè)）

從圖4中可以看到，芯片溝道區(qū)相比于源、漏金屬覆蓋區(qū)，具有更高的發(fā)射率，因此，也具有更好的溫度測(cè)量準(zhǔn)確度。由于高功率GaN HEMT的發(fā)熱區(qū)域處于亞微米量級(jí)，具有較高的功率密度，因此，紅外空間分辨率和景深對(duì)結(jié)溫測(cè)量結(jié)果的影響很大。為了使測(cè)量結(jié)果盡可能接近實(shí)際的結(jié)溫，采用15×顯微紅外鏡頭。

2.4 反射率熱成像

采用可見(jiàn)光CCD探測(cè)器對(duì)GaN HEMT進(jìn)行反射率熱成像測(cè)試，50X倍率、0.55NA鏡頭。

不同波長(zhǎng)光照射下，材料熱反射率有很大差異。通常，熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)CTR在10-2到10-5數(shù)量級(jí)[12]。為了實(shí)現(xiàn)更好的溫度測(cè)量精度，反射率溫度測(cè)量必須選擇熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)較大波長(zhǎng)的光。確定光源波長(zhǎng)，使用不同波長(zhǎng)激光光源，在整個(gè)測(cè)量光譜波段范圍內(nèi)，對(duì)GaN材料進(jìn)行熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)的測(cè)量，獲得不同波長(zhǎng)下熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)CTR的值。

從表2中可以看出，GaN材料在365nm波長(zhǎng)激光下具有最高的熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)。因此，采用365nm激光進(jìn)行反射率熱成像測(cè)試。

表2 不同波長(zhǎng)光源下GaN 材料熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)

首先，通過(guò)改變平臺(tái)溫度，獲得芯片的CTR圖像，器件通電工作時(shí)，測(cè)量得到ΔR/R的圖像。根據(jù)公式（3），計(jì)算出芯片各處的溫度。

2.5 測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)紅外熱成像和反射率熱成像結(jié)溫和殼溫測(cè)量結(jié)果計(jì)算熱阻值。在相同的功耗條件下，結(jié)溫和熱阻的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熱阻測(cè)試結(jié)果對(duì)比

雖然從測(cè)試結(jié)果分析，兩種方法熱阻測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。但實(shí)際上，采用365nm光源，反射率熱成像空間分辨率可以達(dá)到0.3μm左右。而紅外熱成像的空間分辨率只有約3μm[13]。較低的空間分辨率使紅外熱成像法增大了對(duì)峰值結(jié)溫的低估。

為了提高紅外輻射能量，紅外法測(cè)量時(shí)，器件溫度較反射率法高。更高的溫度下，管殼和襯底材料的熱導(dǎo)率降低，增大了整個(gè)器件的熱阻值[14-15]。熱阻值增大導(dǎo)致的結(jié)溫升高抵消了低空間分辨率對(duì)峰值結(jié)溫的“削峰”效果，使紅外法熱阻測(cè)試結(jié)果與反射率法熱阻測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。

圖5 芯片溝道區(qū)CTR（左上方）、ΔR/R 圖像（右上方）及熱成像圖（下方）

圖6 更低的空間分辨增大了對(duì)實(shí)際峰值結(jié)溫的低估

通過(guò)比較圖4和圖5中兩種方法的熱成像結(jié)果，可以看出，反射率熱成像法由于具有高的空間分辨率，可以呈現(xiàn)細(xì)致的發(fā)熱區(qū)特征，更適合于對(duì)微小區(qū)域的溫度進(jìn)行分析。由于發(fā)熱結(jié)區(qū)位于表面以下，且紅外光在GaN和SiC材料中較強(qiáng)的透射性，紅外法受芯片表面質(zhì)量的影響較小，熱成像結(jié)果更加平滑和連續(xù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用紅外熱成像法和反射率熱成像法兩種熱成像技術(shù)，對(duì)一款進(jìn)口GaN HEMT器件進(jìn)行了熱阻測(cè)試。測(cè)量了GaN材料在幾種不同波長(zhǎng)光源下的熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)，選擇365nm波長(zhǎng)光源作為測(cè)量光源，獲得了接近0.3μm的溫度測(cè)量空間分辨率。雖然紅外熱成像法具有較低的空間分辨率，但由于紅外法測(cè)試時(shí)器件溫度較高，材料熱導(dǎo)率增加導(dǎo)致熱阻的增大，使兩種方法的熱阻測(cè)試結(jié)果基本一致。研究表明，反射率熱成像法作為一種新的熱阻測(cè)試手段，相比于傳統(tǒng)的紅外法，具有更高的空間分辨率，對(duì)于高功率GaN HEMT的穩(wěn)態(tài)條件下微區(qū)溫度和熱阻測(cè)試，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。