CN102955113A - 一种测量GaN基器件热可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量GaN基器件热可靠性的方法，包括：测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，并计算得到该多个被测GaN基器件的直流稳态功率；采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻；采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系；结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的测量。本发明实现了对GaN基HEMT器件热可靠性有效评估，对器件的结构优化和器件工艺的改进都具有重要的指导意义。

Description

一种测量GaN基器件热可靠性的方法

技术领域

本发明涉及GaN基HEMT内匹配器件的显微红外测量技术，尤其涉及一种采用显微红外测量GaN基器件热可靠性的方法。

背景技术

红外扫描法，是用红外探测器来检测器件的辐射能量密度分布，由此可以较准确的测定器件的峰值温度及其失效位置，从而推算峰值热阻。稳态显微红外测试，指的是被测件达到稳定状态时，用显微红外测试系统对其进行测量，从而得到被测件的高分辨率显微红外分布图像。稳态显微红外测试是微波器件热分析、热设计的有效手段，特别对于测量器件峰值温度，计算器件热阻、探测热斑和进行失效分析有着至关重要的作用。

器件结温是衡量微波功率器件热可靠性的主要因素之一。因此，在器件设计中，准确测定结温就很重要。但是，由于器件热阻不是一个恒量，而是随结温的提高相应变大。在测定器件热阻过程中，只有器件处于工作状态，测得的结温才是严格有效的。

器件的结温不仅与器件的热响应时间紧密相关，而且还要受器件上的功率分配及热斑所限制。热斑的存在使其功率下降，在估计器件失效前平均时间中更为重要的是热斑，因为在最热的点上失效最容易发生。

由于器件内部电流的不均匀造成温度分布的不均匀，而温度梯度的存在将更促使电流集中，形成正反馈效应。大功率场效应晶体管由于具有较大的电极面积，不可避免的存在器件结构以及外延材料的不均匀性，正是这种不均匀性，使得在平行于异质结平面的方向产生温度梯度和电场梯度，出现电流不均匀和热流不均匀，形成显著的局部过热点(热斑)。用显微红外扫描法测量器件的峰值结温的分布，进而得到器件的热阻大小，从而能较为准确的预测出器件的可靠度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量GaN基器件热可靠性的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量GaN基器件热可靠性的方法，包括：

测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，并计算得到该多个被测GaN基器件相应的直流稳态功率；

采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻；

采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系；

结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的评价。

上述方案中，所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小之前，还包括：将多个被测GaN基器件安装在专有夹具上，该专有夹具安装有抑制自激振荡电路，用于消除器件的自激振荡，使器件在测量过程中有一个稳定的直流稳态功率输出。

上述方案中，所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，包括：采用直流电源对被测GaN基器件进行直流特性的测量，得到被测GaN基器件在不同的栅压下漏压和漏电流的大小。

上述方案中，所述采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，包括：采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，将该辐射能量密度分布换算成该多个被测GaN基器件表面各点的温度值，确定该多个被测GaN基器件表面的温度分布以及峰值结温。所述采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，其环境温度控制在70℃。

上述方案中，所述由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，包括：将被测GaN基器件的直流稳态功率，基板温度以及峰值结温代入公式T_j＝P R_th(j-c)+T_c，计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，其中T_j为显微红外测量得到的峰值热阻，P为器件所加的直流稳态功率，R_th(j-c)为器件的结温到环境温度的热阻大小，T_c为器件所处的基板温度。

上述方案中，所述采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，包括：器件在某一固定的环境温度下，测量得到的峰值结温与直流耗散功率之间的关系，以及在某一固定的直流稳态功率条件下，测量得到的峰值结温与所处的环境温度之间的关系，同时在峰值结温测量的过程中获得器件的峰值结温的分布情况。

上述方案中，所述结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的测量，包括：结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，剔除其中热斑分布明显的器件；并对比该多个被测GaN基器件的热阻大小，剔除其中热阻明显偏大、温度分布或热电分布不均匀的被测GaN基器件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，首先采用显微红外的测量方法，获得不同衬底材料和器件的显微红外热像图，从而得到器件在不同基板温度和偏置条件下(相应的工作电压和工作电流)的峰值结温，进而得到该器件的热阻，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图和热阻的大小，进行器件的材料、工艺和器件结构优劣的评价。

2、本发明提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，是一种有效进行GaN基HEMT内匹配器件热可靠性表征的方法，该方法采用一种简易可操作的方法实现了对GaN基HEMT内匹配器件热可靠性的初步评估。

3、本发明提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，在获得器件的峰值结温与显微红外热像图的基础上，确定GaN HEMT器件的热阻大小，通过对比不同结构和材料器件的显微红外热像图，对器件的材料、结构和工艺进行有效评估，进而实现了GaN基内匹配器件的初步评价。

4、本发明提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，创新性的提出了一种测量内匹配器件显微红外热像图，确定器件材料、工艺和器件结构中的薄弱环节，给出优化方向，实现了对GaN基HEMT器件热可靠性有效评估的方法，无论对于器件的结构优化还是器件工艺的改进都具有重要的指导意义。

附图说明

图1是依照本发明实施例的测量GaN基器件热可靠性的方法流程图；

图2(a)是依照本发明实施例的测量所采用的AlGaN/GaN HEMT器件Ku5-4mm_L1器件结构；

图2(b)是依照本发明实施例的Ku5-4mm_L1内匹配器件峰值结温和温度分布；

图2(c)是依照本发明实施例的Ku5-4mm_L1内匹配器件栅指上的热分布；

图3(a)是依照本发明实施例的测量所采用的AlGaN/GaN HEMT器件Ku5-4mm_L2器件结构；

图3(b)是依照本发明实施例的Ku5-4mm_L2内匹配器件峰值结温和温度分布；

图3(c)是依照本发明实施例的Ku5-4mm_L2内匹配器件栅指上的热分布；

图4(a)是依照本发明实施例的测量所采用的AlGaN/GaN HEMT器件S-4mm_L器件结构；

图4(b)是依照本发明实施例的S-4mm_L内匹配器件峰值结温和温度分布；

图4(c)是依照本发明实施例的S-4mm_L内匹配器件栅指上的热分布；

图5是依照本发明实施例的拟和得到的GaN基HEMT内匹配器件峰值结温和峰值热阻随器件直流稳态功率的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，通过显微红外测量方法测量出不同结构、不同材料器件的显微红外热像图，确定GaN器件在稳态工作时的热斑和热电分布不均匀的位置，由显微红外热像图给出器件的峰值结温，进而得到其峰值热阻的大小，将具有严重的过热点以及热阻过高的器件进行剔除，实现对GaN基器件热可靠性的测量。

如图1所示，图1是依照本发明实施例的测量GaN基器件热可靠性的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，并计算得到该多个被测GaN基器件的直流稳态功率；

步骤2：采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻；

步骤3：采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系；

步骤4：结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的评估。

其中，所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小之前，还包括：将多个被测GaN基器件安装在专有夹具上，该专有夹具安装有抑制自激振荡电路，用于消除器件的自激振荡，使器件在测量过程中有一个稳定的直流稳态功率输出。

所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，包括：采用直流电源对被测GaN基器件进行直流特性的测量，得到被测GaN基器件在不同的栅压下漏压和漏电流的大小。

所述采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，包括：采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，将该辐射能量密度分布换算成该多个被测GaN基器件表面各点的温度值，确定该多个被测GaN基器件表面的温度分布以及峰值结温。所述采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，其环境温度控制在70℃。

所述由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，包括：将被测GaN基器件的直流稳态功率，基板温度以及峰值结温代入公式T_j＝P R_th(j-c)+T_c，计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，其中T_j为显微红外测量得到的峰值热阻，P为器件所加的直流稳态功率，R_th(j-c)为器件的结温到环境温度的热阻大小，T_c为器件所处的基板温度。

所述采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，包括：......。

所述结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的测量，包括：结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，剔除其中热斑分布明显的器件；并对比该多个被测GaN基器件的热阻大小，剔除其中热阻明显偏大、温度分布或热电分布不均匀的被测GaN基器件。

微波功率器件是温度敏感器件，结温每增加1℃，器件的特性参数将有很大的下降。而且热敏参数变化大的器件，往往是由内部潜在缺陷的早期失效器件。在短时间内对器件施加超稳态功率，使器件结温迅速接近或达到最高允许结温，结温检测，是寻求功率和结温对应关系的良好途径。

GaN基HEMT器件稳态工作寿命试验大都是在一定的壳温和相应最大额定功率的条件下进行。按T_j＝P R_th(j-c)+T_c计算，其中Tj为GaN器件的峰值结温值，P为器件的直流稳态功率的大小，R_th(j-c)为器件的结温到环境温度的热阻大小，Tc为器件的环境温度。可以得到不同结构器件相对应的峰值热阻。峰值结温的测量是拟定高可靠器件筛选应力的前提，器件筛选对于剔除早期失效的器件或剔除有隐患的器件，反映器件在一定功率工作下的实际可靠性特征，从而实现对器件热可靠性的有效评价。

本发明实施例提供的测量GaN基器件热可靠性的方法，其具体步骤如下：

步骤1：首先将被测GaN基器件固定在专用夹具上，该夹具上设计有抑制振荡的电路，消除被测GaN基器件的自激振荡，然后采用直流电源对被测GaN基器件进行直流特性的测量，确定被测GaN基器件在不同的栅压、漏压和漏电流的大小，从而计算得到该被测GaN基器件的直流稳态功率；图2(a)、图3(a)和图4(a)为本实施例所采用样品的器件结构。

步骤2：采用显微红外热像仪测量被测GaN基器件的结温，由测量得到的被测GaN基器件的结温，结合热阻的定义式T_j＝P R_th(j-c)+T_c，得到不同外延材料以及不同结构器件的峰值热阻，同时通过数学拟和得到器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系。

本实施例中使用的热成像系统是美国QFI公司生产的II型显微红外热像仪，空间分辨率可以达到2.5μm，温度分辨率是0.05℃，测温范围是70℃-350℃。

图2(b)、图2(c)、图3(b)、图3(c)、图4(b)和图4(c)为本实施例给出器件结温测量显微红外的测量结果。表1示出了不同结构器件在基板温度70℃，其偏置条件及峰值结温和热阻结果：

步骤3：结合不同外延材料以及不同器件结构下测量得到的结温分布以及热阻大小的结果，分析不同的外延材料、不同的器件结构以及工艺对器件热阻和结温变化的影响，图5给出了在固定的基板温度下，器件的峰值结温以及热阻随直流稳态功率的变化曲线。

在本实施例中，GaN基HEMT器件显微红外的测试环境是：1)通过控制夹具周围的环境温度，控制器件的壳温，器件所处基板的温度为70℃；2)对于不同结构和外延材料的器件，在不同的偏置条件下测量器件的峰值结温，具体见表1，其中给出不同结构和外延材料的器件所加的偏置条件。通过显微红外设备上专有软件采集数据，获得不同材料和结构内匹配器件的显微红外热像图。

步骤4：分析器件的显微红外热像图，把其中热斑分布明显的器件进行剔除；通过对比不同结构器件的热阻大小，把其中热阻明显偏大以及温度分布及其热电分布不均匀的器件进行剔除。从而实现对器件的有效筛选和可靠性的评估。同时证明了该方法的有效性。

分析器件的显微红外热像图，即由器件的显微红外热像图，从器件的结温分布来看，图2(a)所示器件Ku5-4mmL1的结温分布上，可以发现很明显热斑存在，正常的红外测量结果，应该是热均匀的分布在了器件的栅指上，从图2(b)和图2(c)的结果来看，位于中间位置栅指的热斑明显，(白色区域)解决的方法可以在器件结构设计上通过栅指间距进行渐变的设计。在中间位置的栅栅间距拉大，由中间向器件两侧逐渐把栅栅间距减小。优化器件的结构，提高器件的可靠性。

从显微红外测试结果来看，即从图4(a)所示的S-4mm_L的显微红外来看，器件的钝化层位置红外的温度分布不均匀，因此钝化层的质量影响了器件的热阻。另外，从Ku5-4mm_L2显微红外的分布来看，器件一半温度较高，另外一半的温度较低，这个分析认为一是跟器件的减薄有关，如果器件不平，导致局部温度过高，另外可能是封装中接触部分不充分导致的局部温度过高。

从内匹配的测量结果来看，对于具有相同材料结构的器件，例如图2(a)所示Ku5-4mm_L1和图3(a)所示Ku5-4mm_L2的器件结构进行对比，Ku5器件结构中源漏间距为2.4um的器件其热阻在8-9℃/W之间，相同材料Ku5源漏间距为4um的器件其热阻小于源漏间距为2.4um的器件，其值为6.9℃/W，明显低于源漏间距为2.4um的器件，说明器件源漏间距对热阻有一定的影响，源漏间距越大，器件的热阻越小。

从不同材料的器件显微红外对比结果来看，Ku5(进口材料)和S1436(国产)材料的器件进行对比，Ku5的热阻(一般低于9℃/W)明显低于S1436器件的热阻(21℃/W)。材料的缺陷越少，其热阻越小，从可靠性的角度来看，Ku5材料的器件热阻明显小于S材料器件对应的热阻，其可靠性也就越高。同时，由图可知，器件的热阻随直流稳态功率的波动，通常热阻波动越大，器件热可靠性越低。同时器件热阻不是常数，主要随温度而变化。估算不同结温下的热阻值，通过红外测量器件的热阻，得到热阻随结温的变化率，可以较为准确的预测出器件的可靠程度。由此可见显微红外测量的方法可以作为衡量器件热可靠性的重要表征手段。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，包括：

测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，并计算得到该多个被测GaN基器件的直流稳态功率；

采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻；

采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系；

结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的测量。

2.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小之前，还包括：

将多个被测GaN基器件安装在专有夹具上，该专有夹具安装有抑制自激振荡电路，用于消除器件的自激振荡，使器件在测量过程中有一个稳定的直流稳态功率输出。

3.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述测量多个被测GaN基器件在不同栅压下漏压和漏电流的大小，包括：

采用直流电源对被测GaN基器件进行直流特性的测量，得到被测GaN基器件在不同的栅压下漏压和漏电流的大小。

4.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述采用显微红外热像仪测量该多个被测GaN基器件的峰值结温，包括：

采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，将该辐射能量密度分布换算成该多个被测GaN基器件表面各点的温度值，确定该多个被测GaN基器件表面的温度分布以及峰值结温。

5.根据权利要求4所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述采用显微红外热像仪检测该多个被测GaN基器件芯片的辐射能量密度分布，其环境温度控制在70℃。

6.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述由该峰值结温计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，包括：

将被测GaN基器件的直流稳态功率，基板温度以及峰值结温代入公式T_j＝P R_th(j-c)+T_c，计算得到该多个被测GaN基器件的峰值热阻，其中T_j为显微红外测量得到的峰值热阻，P为器件所加的直流稳态功率，R_th(j-c)为器件的结温到环境温度的热阻大小，T_c为器件所处的基板温度。

7.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述采用数学拟和得到该多个被测GaN基器件的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，包括：器件在某一固定的环境温度下，测量得到的峰值结温与直流耗散功率之间的关系，以及在某一固定的直流稳态功率条件下，测量得到的峰值结温与所处的环境温度之间的关系，同时在峰值结温测量的过程中获得器件的峰值结温的分布情况。

8.根据权利要求1所述的测量GaN基器件热可靠性的方法，其特征在于，所述结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，实现对GaN基器件热可靠性的测量，包括：

结合得到的峰值结温与直流稳态功率之间的关系以及峰值热阻与直流稳态功率之间的关系，分析该多个被测GaN基器件的显微红外热像图，剔除其中热斑分布明显的器件；并对比该多个被测GaN基器件的热阻大小，剔除其中热阻明显偏大、温度分布或热电分布不均匀的被测GaN基器件。

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