基于热成像的GaN HEMT热阻测量

孙明，王爽，黄东巍，周钦沅

（中国电子技术标准化研究院，北京 100176）

0 引言

以GaN为代表的第三代半导体，即宽禁带半导体材料具有宽半导体带隙、高击穿强度、高电子饱和漂移速度和高热导率等特性，特别适合制造高频率、高速度和高温工作的半导体器件。GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）中采用的AlGaN/GaN异质结结构，可以实现高浓度二维电子气,其电子迁移率比三维的电子快得多。综合性能的优势,使GaN HEMT器件在相同工作频率下其功率密度比Si和GaAs微波器件要高出10倍[1-2]，在微波和大功率半导体器件领域有巨大的发展优势。根据半导体器件可靠性理论，器件的工作温度与器件的性能及可靠性有着极为密切的联系。在大功率工作条件下，“自热效应”使得GaN HEMT器件有源沟道区的温度升高，严重影响了器件的功率密度和功率附加效率性能[3-4]。同时，高温对载流子密度、材料缺陷及衬底产生影响，器件性能参数随温度的升高而发生退化[5]。

通常，采用热阻来表征器件对芯片热量的传递能力。由于峰值结温无法在线测量，工作时的结温需要通过热阻值计算。同时，热阻测试也是器件筛选和考核的重要项目。与硅基功率器件不同，传统电学热阻测试方法无法准确测量GaN HEMT器件的热阻，GaN HEMT器件热阻测试一般采用红外热像法[6]。

随着工艺尺寸逐渐变小，GaN HEMT器件栅长一般小于1μm。利用显微红外测量得到的峰值温度较其他高空间分辨率方法测量的温度低几十度[7]，已无法完全满足当前的功率器件的热测试需求。

1 热阻测试技术分析

1.1 热阻测试技术

热阻计算公式：

式中，是器件热阻， 是芯片结温， 是器件壳温， 是器件功耗。壳温一般采用热电偶接触测量。结温的测量技术主要包括电学法和光学法两大类。相比于电学法，光学测量的主要优势是光信号的采集在空间和时间上独立于器件的电信号，可以获得芯片中某一微小区域和某一瞬时的温度值，实现高空间分辨率和高时间分辨率。

红外热像法、显微拉曼法[8-9]和热反射率法[10-11]都属于光学方法。其中，显微拉曼法和热反射率法属于主动式探测技术，测量时需要激光照射芯片表面；而红外热像法属于被动式探测，不需要对芯片施加额外的光学激励。

显微拉曼法和热反射率法可以采用较短波长的光作为光源，在高数值孔径的镜头下，可以获得亚微米量级衍射极限的横向分辨率，尤其适合于测量微米级器件的温度场分布。

表1 主要光学温度测试技术比较

1.2 红外热成像法

任何高于绝对零度的物体都会发出红外辐射，因此红外光可以用来探测芯片的温度。利用红外阵列探测器或单元探测器获取芯片的红外辐射量NM，结合芯片表面辐射率ε，即可计算得到芯片红外热像或温度。其中辐射率ε可以通过公式（2）计算得到：

其中，NT是在指定温度下的黑体辐射，NA是周围环境的黑体辐射。

巴尔迪曾执教于奥柏林音乐学院，现任教于克利夫兰音乐学院钢琴系。同时，他还创办了意大利“托迪（Todi）国际音乐节”，并定期在中国音乐学院、上海音乐学院等国内院校开设大师课，担任多个重要国际比赛评委。

中波红外光对半导体材料的穿透性较好，且波长较短，因此，（3～5）μm是红外热成像较为理想的波长范围。

1.3 反射率热成像法

当光照射在某种材料表面时，材料对光的反射率随材料温度变化而变化，且对光的反射率变化量与材料表面的温度变化量的一阶近似呈一定的线性关系，可表示为：

式中，ΔR为反射率变化量；R为反射率的均值；ΔT为被测材料温度变化量(单位：K)； 为热反射率校准系数(单位：K-1)。

由于热反射信号相对较小，需要利用锁相放大的方法增加信噪比以提高灵敏度。利用上述原理，通过测量反射率的变化量ΔR计算得到材料表面温度的变化量ΔT的技术称为热反射测温技术或光反射测温技术。

2 测试内容

2.1 测试样品

本文选择3只CREE公司功率容量为25W的GaN HEMT器件进行测试。该器件芯片衬底为100μm SiC，AuSn焊料焊接，1mm厚铜钼铜管壳。

图1 GaN HEMT 器件芯片

2.2 测试电路及夹具

热阻测试采用红外热成像和反射率热成像两种测量技术。测试时，栅压固定在某一偏置点，对被测器件进行漏调制，漏电压为脉冲电压。测试电路见图2。为了防止器件在测试过程中发生自激，还需要在漏端加入去耦电容，并做好输入输出匹配。

图2 器件测试电路图

器件安装到铜制测试夹具上后，同夹具一起固定到控温冷板上。

图3 壳温测量设计

2.3 红外热成像

采用512×512像素阵列的InSb红外探测器对器件进行热成像测试。

芯片表面辐射率测量时，器件不加电，此时芯片表面温度等于平台温度，红外探测器测量环境的黑体辐射和芯片的辐射量，计算得到芯片表面的发射率图像，见图4。

图4 芯片发射率（左侧）及红外热成像图（右侧）

从图4中可以看到，芯片沟道区相比于源、漏金属覆盖区，具有更高的发射率，因此，也具有更好的温度测量准确度。由于高功率GaN HEMT的发热区域处于亚微米量级，具有较高的功率密度，因此，红外空间分辨率和景深对结温测量结果的影响很大。为了使测量结果尽可能接近实际的结温，采用15×显微红外镜头。

2.4 反射率热成像

采用可见光CCD探测器对GaN HEMT进行反射率热成像测试，50X倍率、0.55NA镜头。

不同波长光照射下，材料热反射率有很大差异。通常，热反射率校准系数CTR在10-2到10-5数量级[12]。为了实现更好的温度测量精度，反射率温度测量必须选择热反射率校准系数较大波长的光。确定光源波长，使用不同波长激光光源，在整个测量光谱波段范围内，对GaN材料进行热反射率校准系数的测量，获得不同波长下热反射率校准系数CTR的值。

从表2中可以看出，GaN材料在365nm波长激光下具有最高的热反射率校准系数。因此，采用365nm激光进行反射率热成像测试。

表2 不同波长光源下GaN 材料热反射率校准系数

首先，通过改变平台温度，获得芯片的CTR图像，器件通电工作时，测量得到ΔR/R的图像。根据公式（3），计算出芯片各处的温度。

2.5 测试结果的对比

根据红外热成像和反射率热成像结温和壳温测量结果计算热阻值。在相同的功耗条件下，结温和热阻的测试结果见表3。

表3 热阻测试结果对比

虽然从测试结果分析，两种方法热阻测试结果具有较好的一致性。但实际上，采用365nm光源，反射率热成像空间分辨率可以达到0.3μm左右。而红外热成像的空间分辨率只有约3μm[13]。较低的空间分辨率使红外热成像法增大了对峰值结温的低估。

为了提高红外辐射能量，红外法测量时，器件温度较反射率法高。更高的温度下，管壳和衬底材料的热导率降低，增大了整个器件的热阻值[14-15]。热阻值增大导致的结温升高抵消了低空间分辨率对峰值结温的“削峰”效果，使红外法热阻测试结果与反射率法热阻测试结果相当。

图5 芯片沟道区CTR（左上方）、ΔR/R 图像（右上方）及热成像图（下方）

图6 更低的空间分辨增大了对实际峰值结温的低估

通过比较图4和图5中两种方法的热成像结果，可以看出，反射率热成像法由于具有高的空间分辨率，可以呈现细致的发热区特征，更适合于对微小区域的温度进行分析。由于发热结区位于表面以下，且红外光在GaN和SiC材料中较强的透射性，红外法受芯片表面质量的影响较小，热成像结果更加平滑和连续。

3 结语

本文采用红外热成像法和反射率热成像法两种热成像技术，对一款进口GaN HEMT器件进行了热阻测试。测量了GaN材料在几种不同波长光源下的热反射率校准系数，选择365nm波长光源作为测量光源，获得了接近0.3μm的温度测量空间分辨率。虽然红外热成像法具有较低的空间分辨率，但由于红外法测试时器件温度较高，材料热导率增加导致热阻的增大，使两种方法的热阻测试结果基本一致。研究表明，反射率热成像法作为一种新的热阻测试手段，相比于传统的红外法，具有更高的空间分辨率，对于高功率GaN HEMT的稳态条件下微区温度和热阻测试，具有明显的优势。