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

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)【摘要】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1pm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.％Temperaturemeasurementmethodsofsemiconductordevicesaresummarizedinthispaper.Particularly,fourthermaltestingtechnologiesandtheapplicationofthesemethodsinhigh-electronmobilitygalliumnitride(GaN)basedhighelectronmobilitytransistor(HEMTs)devicesareanalyzed.Theresultsshowthatthefourtechnologieshavetheiradvantagesanddisadvantages.Althoughelectronicmethodcanonlymeasuretheaveragetemperatureofthejunctionarea,itcandirectlymeasurethedevicetemperaturewithoutdamagetothepackage.Thespatialresolutionofinfraredmethodisrelativelylow,butitcaneasilymeasurethedevicetemperaturedistributionandboththestaticanddynamicmeasurement.Ramanscatteringtechnologyhastheadvantageofhighspatialresolutionofabout1prn,butitrequirespoint-by-pointscanningandthereforesuitableforlocalsmall-scaletemperaturemeasurement.Thermoreflectanceimagingmethodnotonlypossesshighspatialresolutionofsub-micronmagnitude,butalsocaneasilyobtaindevicetemperatureprofile,makingitverysuitableforGaN-basedHEMTsdevicethermaltest.ItispointedoutthatthethermoreflectanceimagingmethodislikelytobethedevelopmentdirectionofGaN-basedHEMTsdevicethermalcharacteristicsresearch.【期刊名稱】《電子元件與材料》【年(卷)，期】2017(036)009【總頁(yè)數(shù)】9頁(yè)(P1-9)【關(guān)鍵詞】GaN;熱測(cè)試;綜述;電學(xué)法;紅外輻射;拉曼散射;熱反射【作者】李汝冠;廖雪陽(yáng);堯彬;周斌;陳義強(qiáng)【作者單位】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;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;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I510610;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I510610;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【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TN307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。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［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)這三大類方法做簡(jiǎn)單介紹。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］、GaAsMESFET［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)。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：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1pm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。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)100nm以內(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。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: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。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。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A(yù)P,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AV,再通過(guò)k系數(shù)得到器件的溫度變化△T=AV-k，最后可以得到器件結(jié)溫的變化TJ=TJ0+ATJ。該過(guò)程如圖1所示。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°"semi-infiniteplate”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551,78°C,試驗(yàn)后器件結(jié)溫大幅上升了23°C。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FosterRC網(wǎng)絡(luò)模型，接下來(lái)轉(zhuǎn)換成CauerRC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)。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。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。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°C。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3ms、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3ms時(shí)間內(nèi)不斷升高，3ms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124C,遠(yuǎn)高于靜態(tài)紅外熱像108C的測(cè)試結(jié)果。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5000h高溫試驗(yàn)后，輸出電流密度從0.676A/mm大幅下降到0.144A/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。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)”(Virtualstates)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)程被稱為瑞利散射(Rayleighscattering)。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，稱為斯托克斯拉曼散射(Stokes)，要么從分子傳遞給散射光子，稱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］。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T。聲子譜線寬度「與聲子壽命T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。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地能夠明顯地看出來(lái)。值得一提的是，對(duì)于像GaN基HEMTs這類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)。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1pm,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。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；k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。熱反射法具有非常高的空間分辨率，選擇波長(zhǎng)為400-800nm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。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。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。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?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】THAMWH,ANGDS,BERALK,etal.ComparisonoftheAlxGa1-xN/GaNheterostructuresgrownonsilicon-on-insulatorandbulk-siliconsubstrates[J].IEEETransElectronDevices,2016,63(1):345-352.LESECQM,HOELV,ETANGS-LEVALLOISALD,etal.HighperformanceofAlGaN/GaNHEMTsreportedonadhesiveflexibletape[J].IEEEElectronDeviceLett,2011,32(2):143-145.ARENASO,ALAMEA,AIMEZV,etal.ElectrothermalmappingofAlGaN/GaNHEMTsusingmicroresistancethermometerdetectors[J].IEEEElectronDeviceLett,2015,36(2):111-113.PAINEBM,RUSTT,MOOREEA.MeasurementoftemperatureinGaNHEMTsbygateend-to-endresistance[J].IEEETransElectronDevices,2016,63(2):590-597.ZHANGYM,FENGSW,ZHUH,etal.Effectofself-heatingonthedraincurrenttransientresponseinAlGaN/GaNHEMTs[J].IEEEElectronDeviceLett,2014,35(3):345-347.KUZMIKJ,JAVORKAR,ALAMA,etal.DeterminationofchanneltemperatureinAlGaN/GaNHEMTsgrownonsapphireandsiliconsubstratesusingDCcharacterizationmethod[J].IEEETransElectronDevices,2002,49(8):1496-1498.ISLAMSS,ANWARAFM.Self-heatingandtrappingeffectsontheRFperformanceofGaNMESFETs[J].IEEETransMicrowaveTheoryTech,2004,52(4):1229-1236.CHINIA,SOCIF,MENEGHINIM,etal.DeeplevelscharacterizationinGaNHEMTs—partII:experimentalandnumericale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