基于熱成像的GaN HEMT熱阻測量

孫明，王爽，黃東巍，周欽沅

（中國電子技術標準化研究院，北京 100176）

0 引言

以GaN為代表的第三代半導體，即寬禁帶半導體材料具有寬半導體帶隙、高擊穿強度、高電子飽和漂移速度和高熱導率等特性，特別適合制造高頻率、高速度和高溫工作的半導體器件。GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）中采用的AlGaN/GaN異質結結構，可以實現高濃度二維電子氣,其電子遷移率比三維的電子快得多。綜合性能的優勢,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體器件領域有巨大的發展優勢。根據半導體器件可靠性理論，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系。在大功率工作條件下，“自熱效應”使得GaN HEMT器件有源溝道區的溫度升高，嚴重影響了器件的功率密度和功率附加效率性能[3-4]。同時，高溫對載流子密度、材料缺陷及襯底產生影響，器件性能參數隨溫度的升高而發生退化[5]。

通常，采用熱阻來表征器件對芯片熱量的傳遞能力。由于峰值結溫無法在線測量，工作時的結溫需要通過熱阻值計算。同時，熱阻測試也是器件篩選和考核的重要項目。與硅基功率器件不同，傳統電學熱阻測試方法無法準確測量GaN HEMT器件的熱阻，GaN HEMT器件熱阻測試一般采用紅外熱像法[6]。

隨著工藝尺寸逐漸變小，GaN HEMT器件柵長一般小于1μm。利用顯微紅外測量得到的峰值溫度較其他高空間分辨率方法測量的溫度低幾十度[7]，已無法完全滿足當前的功率器件的熱測試需求。

1 熱阻測試技術分析

1.1 熱阻測試技術

熱阻計算公式：

式中，是器件熱阻， 是芯片結溫， 是器件殼溫， 是器件功耗。殼溫一般采用熱電偶接觸測量。結溫的測量技術主要包括電學法和光學法兩大類。相比于電學法，光學測量的主要優勢是光信號的采集在空間和時間上獨立于器件的電信號，可以獲得芯片中某一微小區域和某一瞬時的溫度值，實現高空間分辨率和高時間分辨率。

紅外熱像法、顯微拉曼法[8-9]和熱反射率法[10-11]都屬于光學方法。其中，顯微拉曼法和熱反射率法屬于主動式探測技術，測量時需要激光照射芯片表面；而紅外熱像法屬于被動式探測，不需要對芯片施加額外的光學激勵。

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

表1 主要光學溫度測試技術比較

1.2 紅外熱成像法

任何高于絕對零度的物體都會發出紅外輻射，因此紅外光可以用來探測芯片的溫度。利用紅外陣列探測器或單元探測器獲取芯片的紅外輻射量NM，結合芯片表面輻射率ε，即可計算得到芯片紅外熱像或溫度。其中輻射率ε可以通過公式（2）計算得到：

其中，NT是在指定溫度下的黑體輻射，NA是周圍環境的黑體輻射。

巴爾迪曾執教于奧柏林音樂學院，現任教于克利夫蘭音樂學院鋼琴系。同時，他還創辦了意大利“托迪（Todi）國際音樂節”，并定期在中國音樂學院、上海音樂學院等國內院校開設大師課，擔任多個重要國際比賽評委。

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

1.3 反射率熱成像法

當光照射在某種材料表面時，材料對光的反射率隨材料溫度變化而變化，且對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為被測材料溫度變化量(單位：K)； 為熱反射率校準系數(單位：K-1)。

由于熱反射信號相對較小，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，通過測量反射率的變化量ΔR計算得到材料表面溫度的變化量ΔT的技術稱為熱反射測溫技術或光反射測溫技術。

2 測試內容

2.1 測試樣品

本文選擇3只CREE公司功率容量為25W的GaN HEMT器件進行測試。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 測試電路及夾具

熱阻測試采用紅外熱成像和反射率熱成像兩種測量技術。測試時，柵壓固定在某一偏置點，對被測器件進行漏調制，漏電壓為脈沖電壓。測試電路見圖2。為了防止器件在測試過程中發生自激，還需要在漏端加入去耦電容，并做好輸入輸出匹配。

圖2 器件測試電路圖

器件安裝到銅制測試夾具上后，同夾具一起固定到控溫冷板上。

圖3 殼溫測量設計

2.3 紅外熱成像

采用512×512像素陣列的InSb紅外探測器對器件進行熱成像測試。

芯片表面輻射率測量時，器件不加電，此時芯片表面溫度等于平臺溫度，紅外探測器測量環境的黑體輻射和芯片的輻射量，計算得到芯片表面的發射率圖像，見圖4。

圖4 芯片發射率（左側）及紅外熱成像圖（右側）

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

2.4 反射率熱成像

采用可見光CCD探測器對GaN HEMT進行反射率熱成像測試，50X倍率、0.55NA鏡頭。

不同波長光照射下，材料熱反射率有很大差異。通常，熱反射率校準系數CTR在10-2到10-5數量級[12]。為了實現更好的溫度測量精度，反射率溫度測量必須選擇熱反射率校準系數較大波長的光。確定光源波長，使用不同波長激光光源，在整個測量光譜波段范圍內，對GaN材料進行熱反射率校準系數的測量，獲得不同波長下熱反射率校準系數CTR的值。

從表2中可以看出，GaN材料在365nm波長激光下具有最高的熱反射率校準系數。因此，采用365nm激光進行反射率熱成像測試。

表2 不同波長光源下GaN 材料熱反射率校準系數

首先，通過改變平臺溫度，獲得芯片的CTR圖像，器件通電工作時，測量得到ΔR/R的圖像。根據公式（3），計算出芯片各處的溫度。

2.5 測試結果的對比

根據紅外熱成像和反射率熱成像結溫和殼溫測量結果計算熱阻值。在相同的功耗條件下，結溫和熱阻的測試結果見表3。

表3 熱阻測試結果對比

雖然從測試結果分析，兩種方法熱阻測試結果具有較好的一致性。但實際上，采用365nm光源，反射率熱成像空間分辨率可以達到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峰值結溫的低估。

為了提高紅外輻射能量，紅外法測量時，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率降低，增大了整個器件的熱阻值[14-15]。熱阻值增大導致的結溫升高抵消了低空間分辨率對峰值結溫的“削峰”效果，使紅外法熱阻測試結果與反射率法熱阻測試結果相當。

圖5 芯片溝道區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實際峰值結溫的低估

通過比較圖4和圖5中兩種方法的熱成像結果，可以看出，反射率熱成像法由于具有高的空間分辨率，可以呈現細致的發熱區特征，更適合于對微小區域的溫度進行分析。由于發熱結區位于表面以下，且紅外光在GaN和SiC材料中較強的透射性，紅外法受芯片表面質量的影響較小，熱成像結果更加平滑和連續。

3 結語

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，對一款進口GaN HEMT器件進行了熱阻測試。測量了GaN材料在幾種不同波長光源下的熱反射率校準系數，選擇365nm波長光源作為測量光源，獲得了接近0.3μm的溫度測量空間分辨率。雖然紅外熱成像法具有較低的空間分辨率，但由于紅外法測試時器件溫度較高，材料熱導率增加導致熱阻的增大，使兩種方法的熱阻測試結果基本一致。研究表明，反射率熱成像法作為一種新的熱阻測試手段，相比于傳統的紅外法，具有更高的空間分辨率，對于高功率GaN HEMT的穩態條件下微區溫度和熱阻測試，具有明顯的優勢。