CN111665430A - 一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，包括如下步骤S1:红外热像仪测试GaN HEMT器件的结温；首先进行器件的发射率校准，读取器件结温，保存器件有源区中间区域温度曲线，S2:求取红外热像仪测试的器件结温的置信区间；S3:利用有限元软件建立三维有限元热模型，并根据红外热像仪测试的器件结温的置信区间校准三维有限元热模型，得到校准后的三维有限元热模型；S4:利用所述校准后的三维有限元热模型，获取器件的结温，热阻，3‑D热分布图至少一种。本发明的评估方法简便，易于操作，且热评估结果更为准确，可对器件结构、材料、工艺给出合理的优化方向。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓器件性能评估，尤其是一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体的代表，具有大的禁带宽度、高电子迁移率和击穿场强高等优点，在电力电子和射频领域具有广阔的应用前景。但由于氮化镓具有高功率密度，高工作电压，导致器件在高温度环境下工作时产热高，散热差，将导致器件沟道温度的进一步上升，严重影响器件电学和热学的进一步退化，从而降低器件的可靠性和射频性能，影响器件的广泛应用。器件的结温与热阻是衡量射频功率器件热可靠性的重要指标，因此，获得准确的热阻显得至关重要。
由于GaN HEMT器件的一个重要特点是微区高热，因而很多现有的结温检测技术的检测结果都会存在较大的误差。目前应用最为广泛的GaN HEMT结温检测技术为显微红外成像技术，但是其空间分辨率较低，而且器件真实的热源宽度小于1um，并且热源是埋在多层金属及钝化层的下面，红外测试技术就会低估器件的峰值结温，那么计算出的热阻值比实际的热阻值要低。
另外，有源区发射率过低，导致红外热像仪测试结果误差较大，而且无法读取结温曲线；且测试器件表面材料种类较多，发射率也不一致，也是导致红外热像仪测试结果误差较大的原因。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种将红外测试与有限元仿真结合的方法，简便，易于操作，且能够准确评估GaN HEMT器件的热可靠性。具体包括如下步骤：
S1：红外热像仪测试在工作条件下GaN HEMT器件的结温；
首先进行器件发射率校准，在器件表面喷涂10um-15um黑色哑光黑漆，或者在上面覆盖一层黑色不透光绒布，校准器件发射率，使其发射率在0.95-1范围内；读取器件表面的最高温度，即器件结温，保存器件有源区中间区域温度曲线；
进行红外发射率校准，提高了红外热像仪的测量准确度，从而得到更准确的器件结温和峰值热阻；
S2:求取红外热像仪测试的器件结温的置信区间；
S21:依次求出所测试的n(n≥10)颗器件结温的平均值
标准方差S；
S22:根据公式：
求出不同直流耗散功率条件下，GaN HEMT器件的置信区间。
S3:利用有限元软件建立三维有限元热模型，并根据红外热像仪测试的器件结温的置信区间校准三维有限元热模型，得到校准后的三维有限元热模型；
优选的，基于被测器件的栅极、源极、漏极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板、热层中至少一种结构的尺寸特征及材料特征，在有限元软件上建立器件三维有限元热模型；
所述材料特征包括热导率、质量密度、比热容参数中的至少一种特征。
优选的，栅极的尺寸特征包括栅极长度和/或栅极宽度，源极的尺寸特征包括源极宽度，漏极的尺寸特征包括漏极宽度，热沉的尺寸特征包括热沉厚度，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
优选的，步骤S3中所述利用有限元软件建立三维有限元热模型还包括基于漏极到源极的距离和/或栅极到漏极的距离在有限元软件上建立器件三维有限元热模型。
优选的，基于被测器件的栅极长度，栅极宽度，源极宽度，漏极宽度，漏极到源极的距离，栅极到漏极的距离，热沉厚度，衬底厚度，GaN层厚度，AlGaN层厚度，场板等器件尺寸参数，以及材料的热导率，质量密度，比热容等热相关参数，在有限元软件上建立器件三维有限元热模型。
优选的，利用建立的三维有限元热模型求解出器件结温，调整模型至仿真所得的器件结温平均值在红外测试结果的置信区间内。
S4:利用所述校准后的三维有限元热模型，获取器件的结温，热阻，3-D热分布图至少一种。
优选的，工作条件可为直流稳态功率、射频条件或脉冲条件测试器件结温。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
首先进行红外发射率校准，在器件表面覆盖一层不透明高发射率材料，保证测试器件表面发射率固定，提高了红外热像仪的测量准确度，从而得到更准确的器件结温和峰值热阻；其次红外测试结果与有限元仿真结合，得到更准确的三维有限元热仿真模型，解决了现有GaN HEMT器件结温红外测试不准确的问题，根据准确的有限元仿真结果，可以得到不同衬底，不同基板温度和不同偏置条件下，不同器件结构的内部热分布以及有效的热可靠性评估，确定器件材料，工艺和器件薄弱环节，给出合理的优化方向，是对器件结构优化和工艺的改进都具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为红外热像仪测试原理图；图3为红外热像仪校准发射率原理图；
1红外热像仪；2器件；3PCB板；4管壳；5热电偶；6恒温平台；7测试夹具；8黑漆；
图4为红外热像仪发射率校准前的结温曲线；
图5为红外热像仪发射率校准后的结温曲线；
图6为红外热像仪测试的温度图像；
图7为10*125um GaN HEMT器件仿真3-D热分布图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1是本发明的实现流程图，本实施例测试的为SiC衬底的GaN HEM RF器件，栅极宽度W＝10*125um，器件栅极长度L＝0.45um，器件栅极高度0.2um，具体步骤如下：
步骤一：红外热像仪测试GaN HEMT器件的结温。
(1)将开帽后的器件放置于测试夹具上，然后将其固定于红外热像仪的加热平台上，如图2所示；
(2)发射率校准：在器件表面喷涂10um-15um黑色哑光黑漆，校准器件发射率，如图3所示，使器件发射率在0.95-1范围内；
测试器件表面材料较多，发射率不一致，而由红外辐射测温的基本原理可知，实际器件的全发射率直接影响器件表面温度测量的精确与否，因此，本实施例在器件表面覆盖一层不透明高发射率材料，如黑漆，保证了测试器件表面发射率固定，能够有效提高红外热像仪的测量器件表面温度的准确度；如图4是发射率校准前的结温曲线，测试结果误差较大，有些甚至无法读取结温曲线；如图5是校准后的结温曲线，曲线较为平整。
(3)发射率校准后，给加热台升高温度到70℃，此时监控热电偶温度，如果热电偶温度与加热台温度相同，则依次给器件施加直流耗散功率2.5W，待器件达到热稳定后，从红外热像仪软件上读取器件表面的最高温度，接着依次读取5W,7.5W,10W,12.5W,15W耗散功率时器件表面的最高温度，即器件结温，同时保存器件有源区中间区域温度曲线，如图6所示；
(4)给加热台升温至100℃，重复(3)步骤。
(5)重复(3)、(4)步骤，相同批次，相同封装的器件分别测试10-15颗器件。
步骤二:求取红外热像仪测试结果的置信区间。
(1)依次求出所测试的10-15颗器件在在不同环境温度，不同直流耗散功率条件下器件结温的平均值
标准差S，方差。
(2)根据公式
计算出所测试器件在不同环境温度，不同直流耗散功率条件下95％的置信区间(Z＝1.960)，n为样本容量，即所测试的器件颗数，不同直流耗散功率下器件的置信区间如表1所示。
表1.不同直流耗散功率下红外热像仪所测器件结温
其中Power为直流耗散功率值，Mean为结温平均值，Stde为结温标准差，confidence为置信度，confidence interval为置信区间。
步骤三：有限元软件建立三维有限元热模型并校准
(1)将步骤一中的任一功率条件作为热仿真时生成热所对应的耗散功率，如功率2.5W，基于SiC衬底的GaN HEM RF器件的栅极长度L＝0.45um，栅极宽度W＝125um，栅指数10，即热源个数为10，以及源极宽度，漏极宽度，漏极到源极的距离，栅极到漏极的距离，热沉厚度，衬底厚度，GaN层厚度，AlGaN层厚度，场板等器件尺寸参数，还包括材料的热导率，质量密度，比热容等热相关参数，在商用有限软件Ansys上建立器件三维有限元热模型，设定器件仿真时初始条件以及热边界条件，并施加参数功率密度，其中功率密度＝功率/热源总体积＝2.5W/125*10*0.45*0.2＝2.222*1010W/m3，然后进行网格划分，得出相关温度分布图，最后求解出器件在不同耗散功率条件下器件的结温。
(2)由于本实施例所用的红外热像仪的放大倍数为20倍，空间分辨率为2.7℃，也即红外所测的值是真实值的2.7um范围内的平均值。因此在仿真所得的峰值温度点2.7um范围内提取了4个点，然后取其温度的平均值，如果仿真所得的平均值在这一功率下红外测试结果的置信区间内，则认定三维热模型是正确的。否则需要重复步骤三中的(1)，直到热模型的平均温度值在步骤二所求的置信区间内。
(3)利用正确的三维有限元热模型，可以求得器件在不同功率，不同环境温度条件下的热阻，结温，3-D热分布图如图7所示。
下面对有限元热模型的准确性进行了验证，如表2为红外热像仪测试的数据和有限元热模型的仿真数据，从表中可以看出，红外热像仪测试的数据和有限元热模型的仿真数据非常接近。
表2.红外热像仪测试的数据和有限元热模型的仿真数据
其中power表示直流耗散功率，Temperature-IR表示红外热像仪测试的温度(也称为红外热像仪测得的结温)，Rth-IR表示红外热像仪测试得到的热阻(将红外热像仪测得到的温度换算成器件的热阻值)，Temperature-ANSYS表示ANSYS有限元仿真得到的器件的结温，Rth-Ansys表示ANSYS有限元仿真得到的热阻值。
本发明提出的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，首先进行红外发射率校准，在器件表面覆盖一层不透明高发射率材料，保证测试器件表面发射率固定，提高了红外热像仪的测量准确度，从而得到更准确的器件结温和峰值热阻，其次红外测试结果与有限元仿真结合，得到更准确的三维有限元热仿真模型，解决了现有GaN HEMT器件结温红外测试不准确的问题，根据准确的有限元仿真结果，可以得到不同衬底，不同基板温度和不同偏置条件下，不同器件结构的内部热分布以及有效的热可靠性评估，确定器件材料，工艺和器件薄弱环节，给出合理的优化方向，是对器件结构优化和工艺的改进都具有重要的指导意义。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:红外热像仪测试在工作条件下的GaN HEMT器件的结温；
首先，进行器件的发射率校准，读取器件结温，并保存器件有源区中间区域的温度曲线；
S2:求取红外热像仪测试的器件结温的置信区间；
S3:利用有限元软件建立三维有限元热模型，并根据红外热像仪测试的器件结温的置信区间校准三维有限元热模型，得到校准后的三维有限元热模型；
S4:利用所述校准后的三维有限元热模型，获取器件的结温、热阻、3-D热分布图至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S1中所述发射率校准具体为：在器件表面喷涂10um-15um黑色哑光黑漆，校准器件发射率，使其发射率在0.95-1范围内。
3.根据权利要求2所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S1中所述发射率校准具体为：在器件在上面覆盖一层黑色不透光绒布，校准器件发射率，使其发射率在0.95-1范围内。
4.根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S2中所述求取红外测试结果的置信区间具体为：
S31:依次求出所测试的n颗器件结温的平均值
标准方差S；
S32:根据公式：
求出器件结温的置信区间。
5.根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S3中所述利用有限元软件建立三维有限元热模型具体为：
基于被测器件的栅极、源极、漏极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板、热层中至少一种结构的尺寸特征及材料特征，在有限元软件上建立器件三维有限元热模型；
所述材料特征包括热导率、质量密度、比热容参数中的至少一种特征。
6.根据权利要求5所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，栅极的尺寸特征包括栅极长度和/或栅极宽度，源极的尺寸特征包括源极宽度，漏极的尺寸特征包括漏极宽度，热沉的尺寸特征包括热沉厚度，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
7.根据权利要求6所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S3中所述利用有限元软件建立三维有限元热模型还包括基于漏极到源极的距离和/或栅极到漏极的距离在有限元软件上建立器件三维有限元热模型。
8.根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，步骤S3中所述根据红外测试结果的置信区间校准三维有限元热模型具体为：利用建立的三维有限元热模型求解出器件结温，调整模型至仿真所得的器件结温平均值在红外测试结果的置信区间内。
9.根据权利要求1任一项所述的一种GaN HEMT器件的热可靠性评估方法，其特征在于，所述工作条件为在直流耗散功率、射频条件或脉冲条件。
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