用光熱反射熱成像測量GaN HEMT穩態溫度

翟玉衛，劉 巖，李 灝，丁 晨，丁立強，吳愛華

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引 言

氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN high electron mobility transistor，GaN HEMT）屬于第三代寬禁帶半導體材料，其較寬的帶隙使其能夠承受較高的擊穿電壓，這一特點非常適于大功率應用場合。但同時GaN HEMT具有較強的自熱效應，在大功率工作條件下會產生較高的結溫。溫度加速壽命試驗中需要獲得被測件可靠的結溫數據，用以預測在預期工作溫度下的平均失效前時間MTTF[1]或其他可靠性參數。

由于光學法測溫儀器具有非接觸的特點[2]，目前，光學法廣泛應用于GaN HEMT溫度測試，具體包括微區拉曼法[3]、光熱反射法[4]、紅外法[5]等。由于GaN HEMT關鍵尺寸越來越小，廣泛使用的紅外熱像儀最高2 μm的空間分辨率已經難以準確測量柵極、溝道等關鍵發熱區域或結構的溫度[6]。在這種背景下，具備更高空間分辨率的測溫技術及裝置成為業界研究的熱點。

基于可見光反射率隨溫度變化原理的光熱反射成像測溫儀器以熱成像的形式進行溫度分布測量，可實現亞微米的空間分辨率，采用不同波長的光源能夠準確測量GaN HEMT柵極金屬上表面、GaN溝道等關鍵發熱區的溫度[7]。此外，該技術還可以在高空間分辨率的同時實現納秒級別的高時間分辨率，能夠測得被測件表面溫度及分布隨時間的動態變化[8-10]，這是目前其他測溫技術都不具備的優點。

目前，美國兩家公司推出了商用的光熱反射熱成像儀器，已經在德國泰雷茲公司[11]、美國英飛凌公司[12]、美國海軍實驗室[13]和英國薩里大學[14]等數十家機構得到應用。國內對光熱反射成像測溫技術的報道多數是對進口儀器的應用、測試結果分析及綜述。在自主研發方面報道較少，僅有劉巖、翟玉衛等人進行了誤差分析[15]、噪聲處理[16]等方面的基礎性研究工作。

本文以國外商用儀器為參照，基于相同的光熱反射原理研發了一套熱成像測溫實驗裝置，對典型GaN HEMT進行了穩態條件下的溫度測試，采用365 nm淺紫外光源實現了最高405 nm的空間分辨率。

1 實驗詳情

1.1 基本原理

當可見光照射在某種材料表面時，材料對可見光的反射率隨材料溫度變化而變化。當半導體材料的溫度發生變化時，其能隙（energy gap）會發生變化（shift），同時其臨界點（critical points）會發生展寬（broading）。根據參考文獻[2]，介電常數的虛部通過聯合態密度函數（the joint density of states function），如式（1）與能帶的結構相聯系。

式中：η——聯合態密度，m–3；

δ——狄拉克函數；

hˉ — —約化普朗克常數；

k——波矢，rad/m；

Eac(k)——導帶態能量，eV；

Eav(k)——價帶態能量，eV；

PCV(k)——處于價帶和導帶間狀態的動量矩陣元素，Ns；

Ea——電子能量，eV。

式（1）中可見虛部與整個第一布里淵區（first Brillouin zone）的能量積分相關，第一布里淵區是一個與能帶結構相關的最基本概念。積分在第一布里淵區進行。

當被測件溫度發生變化時，其能帶結構會發生變化，能帶結構變化會導致介電常數變化，而介電常數的變化又引起材料折射率的變化，最終導致反射率出現改變。一般將可見光的反射率變化量與材料表面的溫度變化量關系進行一階近似，得到線性關系式，可表示為

式中：?R——反射率變化量；

R——反射率的均值；

?T——被測材料溫度變化量，K；

CTR——熱反射率校準系數，K–1。

利用上述原理，通過測量反射率的變化量?R計算得到材料表面溫度的變化量?T的技術稱為熱反射測溫技術或光反射測溫技術。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由一套日本奧林巴斯公司生產的STM7光學顯微鏡為基礎，裝置結構示如圖1所示。

圖1 實驗裝置結構示意圖

光源用于輸出測試用的單色光，包括可調諧光源與單色LED光源兩類。CCD相機用于采集被測件表面的圖像，測量被測件表面反射光強及其變化。X、Y位移裝置和X、Y、Z軸位移裝置作為粗調裝置用于快速調節被測件和CCD相機的位置。三軸納米位移臺作為細調裝置用于實時調節被測件與CCD相機的相對位置，使二者在測試過程中保持相對固定。精密控溫組件用于給被測件提供穩定的溫度環境條件。完成后的實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置實物圖

本次實驗中，以365 nm波長淺紫外LED作為光源，這是用于測試GaN溝道區域溫度測試最通用的波長。該裝置配備放大倍率50×、數值孔徑為0.5的物鏡。根據光的衍射理論，空間分辨率可依據斯派羅判據（Sparrow Criteria）進行計算[17]：

式中：Ds——空間分辨率，nm；

λ——光的波長，nm；

N.A.——數值孔徑。

根據上述判據得到實驗裝置空間分辨率為365 nm，考慮 LED 光源的譜寬為±12 nm[18]及其他非理想因素后，實驗裝置空間分辨率約為400 nm。

1.3 實驗過程

被測件為典型的GaN/AlGaN HEMT器件，以SiC為襯底，器件表面材料組成如圖3所示。器件表面有一層SiN鈍化層，由于鈍化層較薄，可見光可以輕易穿透，這里不考慮鈍化層材料的影響。出于同樣的原因，本實驗也不考慮AlGaN（厚度多在20 nm 左右）層的影響。

圖3 被測件表面圖像

該器件固定在一套匹配測試夾具中以實現良好的電接觸并降低自激效應。被測件通過螺釘固定在夾具內，夾具穩定安放在水冷控溫臺（熱沉）上，夾具底面與控溫臺之間涂抹一層導熱脂，保證二者具有良好的熱接觸（圖4）。水冷控溫臺溫度設定為25 ℃，其最大散熱功率為 200 W。

圖4 被測件與測試夾具

實驗過程基本分為兩步，即CTR校準過程和器件溫升?T測量過程。首先，進行CTR校準時，被測件不加電，用精密控溫組件改變被測件的溫度（起始溫度25 ℃，終止溫度95 ℃），在確定的溫差下用相機讀數的變化量計算被測件表面材料的CTR。在該過程中采用了逐像素校準的方法，獲得CCD相機每個像素點對應材料的CTR。然后，進行器件溫升?T測量時精密控溫組件固定被測件環境溫度，給被測件加電，用加電前后CCD相機每個像素讀數的變化和已經測得的CTR與相機讀數變化量計算被測件加電后的溫升。

上述過程中都伴隨著被測件和夾具的溫度變化，必然會引起熱脹冷縮而使得被測件與CCD相機的相對位置發生微小改變，稱為位置漂移。在高空間分辨率測溫時，即使納米量級的位置漂移也可能引起明顯的測溫誤差[19]。所以，本文采用了基于頻域互相關的圖像配準技術，可以實現亞像素、亞微米量級的偏移量計算，再借助精密納米位移臺根據偏移量計算結果對被測件進行位置調節，即可有效消除由于熱脹冷縮導致的位置漂移。

另外，熱反射成像測溫是一個低信噪比的過程，主要噪聲類型為白噪聲，為了有效抑制噪聲，本文采用位深為16 bit的CCD相機，同時采用多幀疊加平均的方式降低噪聲。本次實驗中，每幅有效圖像是1000幅連續圖像平均的結果。

2 結果分析

圖5給出了測得的CTR圖像，圖中給出了漏極金屬和GaN材料的CTR，GaN材料的CTR明顯高于金屬材料。CTR越高，有效信號越高，信噪比越大，測溫誤差越小。

圖5 CTR圖像

CTR比較低的金屬區域容易產生較大的測溫誤差，這是由于CTR較低的區域有效信號較低，噪聲造成的測溫誤差非常明顯，原始的測溫結果如圖6所示。

圖6 未濾除噪聲的原始測溫圖像

這里在展示測試結果時，利用數據處理軟件將CTR比較低的金屬區域的溫度信息進行濾除，只顯示CTR比較高的GaN區域。

在Uds=28 V，Ids=0.25 A，控溫組件 20 ℃ 試驗條件對被測件進行了測試，采用50×物鏡進行測試，為了便于觀察，將被測件可見光圖像與溫度圖形疊加在一起進行顯示，如圖7所示。為了便于對比，本文取一片面積較大的均勻GaN區域（即圖中白框區域）的各像素點溫度的平均值，為59.12 ℃。從圖7可以直觀地看到，利用365 nm淺紫外LED作為光源的光熱反射成像測溫裝置能夠有效分辨柵極和漏極之間GaN材料的溫度分布，充分體現了高空間分辨率的優勢。

圖7 GaN區域溫度分布

為了驗證光熱反射成像測溫裝置的準確性，委托外單位采用美國Microsanj公司生產的NT220B商用光熱反射測溫裝置在相同的測試條件和工況下對同一被測件進行了驗證測試，測試結果如圖8所示。可見，兩套測試裝置在相同區域的測溫結果相差約2 ℃。這很大程度上證明了研發的熱反射成像測溫裝置可以對GaN HEMT器件GaN材料進行有效的溫度測試。

圖8 NT220B測得的溫度分布

但是，由于國內外一直沒有建立GaN HEMT器件溫度的計量方法及溯源途徑，也沒有公認的準確度驗證方法，本文只能采用與商用儀器對比的方式在一定程度上證明實驗裝置的準確性。同時，通過對比可見，圖8中柵極和漏極之間GaN材料的溫度要明顯高于邊緣處，而圖7中兩個區域的溫差明顯小于圖8，造成這一問題的原因還需進一步研究。

3 結束語

本文研發的光熱反射成像測溫裝置能夠將被測件表面的溫度分布以405 nm空間分辨率圖像的形式呈現出來。試驗結果證明，CTR較低會引入明顯的測溫誤差，在采用365 nm波長時GaN材料的反射率隨溫度的變化較大，可以有效降低誤差，測溫裝置能夠測得GaN HEMT表面GaN材料區域的溫度分布，這與國外的文獻報道是一致的。通過與國外商用儀器的比對也證明實驗裝置GaN材料溫度分布時是有效的。但是，在測量柵極和漏極之間GaN材料時，誤差較大，還需進行進一步研究。擬通過更換對紫外透射較好的物鏡來進一步改善裝置的信噪比，以其提高其準確度。