用光热反射热成像测量GaN HEMT稳态温度

翟玉卫，刘 岩，李 灏，丁 晨，丁立强，吴爱华

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引 言

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN high electron mobility transistor，GaN HEMT）属于第三代宽禁带半导体材料，其较宽的带隙使其能够承受较高的击穿电压，这一特点非常适于大功率应用场合。但同时GaN HEMT具有较强的自热效应，在大功率工作条件下会产生较高的结温。温度加速寿命试验中需要获得被测件可靠的结温数据，用以预测在预期工作温度下的平均失效前时间MTTF[1]或其他可靠性参数。

由于光学法测温仪器具有非接触的特点[2]，目前，光学法广泛应用于GaN HEMT温度测试，具体包括微区拉曼法[3]、光热反射法[4]、红外法[5]等。由于GaN HEMT关键尺寸越来越小，广泛使用的红外热像仪最高2 µm的空间分辨率已经难以准确测量栅极、沟道等关键发热区域或结构的温度[6]。在这种背景下，具备更高空间分辨率的测温技术及装置成为业界研究的热点。

基于可见光反射率随温度变化原理的光热反射成像测温仪器以热成像的形式进行温度分布测量，可实现亚微米的空间分辨率，采用不同波长的光源能够准确测量GaN HEMT栅极金属上表面、GaN沟道等关键发热区的温度[7]。此外，该技术还可以在高空间分辨率的同时实现纳秒级别的高时间分辨率，能够测得被测件表面温度及分布随时间的动态变化[8-10]，这是目前其他测温技术都不具备的优点。

目前，美国两家公司推出了商用的光热反射热成像仪器，已经在德国泰雷兹公司[11]、美国英飞凌公司[12]、美国海军实验室[13]和英国萨里大学[14]等数十家机构得到应用。国内对光热反射成像测温技术的报道多数是对进口仪器的应用、测试结果分析及综述。在自主研发方面报道较少，仅有刘岩、翟玉卫等人进行了误差分析[15]、噪声处理[16]等方面的基础性研究工作。

本文以国外商用仪器为参照，基于相同的光热反射原理研发了一套热成像测温实验装置，对典型GaN HEMT进行了稳态条件下的温度测试，采用365 nm浅紫外光源实现了最高405 nm的空间分辨率。

1 实验详情

1.1 基本原理

当可见光照射在某种材料表面时，材料对可见光的反射率随材料温度变化而变化。当半导体材料的温度发生变化时，其能隙（energy gap）会发生变化（shift），同时其临界点（critical points）会发生展宽（broading）。根据参考文献[2]，介电常数的虚部通过联合态密度函数（the joint density of states function），如式（1）与能带的结构相联系。

式中：η——联合态密度，m–3；

δ——狄拉克函数；

h¯ — —约化普朗克常数；

k——波矢，rad/m；

Eac(k)——导带态能量，eV；

Eav(k)——价带态能量，eV；

PCV(k)——处于价带和导带间状态的动量矩阵元素，Ns；

Ea——电子能量，eV。

式（1）中可见虚部与整个第一布里渊区（first Brillouin zone）的能量积分相关，第一布里渊区是一个与能带结构相关的最基本概念。积分在第一布里渊区进行。

当被测件温度发生变化时，其能带结构会发生变化，能带结构变化会导致介电常数变化，而介电常数的变化又引起材料折射率的变化，最终导致反射率出现改变。一般将可见光的反射率变化量与材料表面的温度变化量关系进行一阶近似，得到线性关系式，可表示为

式中：∆R——反射率变化量；

R——反射率的均值；

∆T——被测材料温度变化量，K；

CTR——热反射率校准系数，K–1。

利用上述原理，通过测量反射率的变化量∆R计算得到材料表面温度的变化量∆T的技术称为热反射测温技术或光反射测温技术。

1.2 实验装置

实验装置由一套日本奥林巴斯公司生产的STM7光学显微镜为基础，装置结构示如图1所示。

图1 实验装置结构示意图

光源用于输出测试用的单色光，包括可调谐光源与单色LED光源两类。CCD相机用于采集被测件表面的图像，测量被测件表面反射光强及其变化。X、Y位移装置和X、Y、Z轴位移装置作为粗调装置用于快速调节被测件和CCD相机的位置。三轴纳米位移台作为细调装置用于实时调节被测件与CCD相机的相对位置，使二者在测试过程中保持相对固定。精密控温组件用于给被测件提供稳定的温度环境条件。完成后的实验装置如图2所示。

图2 实验装置实物图

本次实验中，以365 nm波长浅紫外LED作为光源，这是用于测试GaN沟道区域温度测试最通用的波长。该装置配备放大倍率50×、数值孔径为0.5的物镜。根据光的衍射理论，空间分辨率可依据斯派罗判据（Sparrow Criteria）进行计算[17]：

式中：Ds——空间分辨率，nm；

λ——光的波长，nm；

N.A.——数值孔径。

根据上述判据得到实验装置空间分辨率为365 nm，考虑 LED 光源的谱宽为±12 nm[18]及其他非理想因素后，实验装置空间分辨率约为400 nm。

1.3 实验过程

被测件为典型的GaN/AlGaN HEMT器件，以SiC为衬底，器件表面材料组成如图3所示。器件表面有一层SiN钝化层，由于钝化层较薄，可见光可以轻易穿透，这里不考虑钝化层材料的影响。出于同样的原因，本实验也不考虑AlGaN（厚度多在20 nm 左右）层的影响。

图3 被测件表面图像

该器件固定在一套匹配测试夹具中以实现良好的电接触并降低自激效应。被测件通过螺钉固定在夹具内，夹具稳定安放在水冷控温台（热沉）上，夹具底面与控温台之间涂抹一层导热脂，保证二者具有良好的热接触（图4）。水冷控温台温度设定为25 ℃，其最大散热功率为 200 W。

图4 被测件与测试夹具

实验过程基本分为两步，即CTR校准过程和器件温升∆T测量过程。首先，进行CTR校准时，被测件不加电，用精密控温组件改变被测件的温度（起始温度25 ℃，终止温度95 ℃），在确定的温差下用相机读数的变化量计算被测件表面材料的CTR。在该过程中采用了逐像素校准的方法，获得CCD相机每个像素点对应材料的CTR。然后，进行器件温升∆T测量时精密控温组件固定被测件环境温度，给被测件加电，用加电前后CCD相机每个像素读数的变化和已经测得的CTR与相机读数变化量计算被测件加电后的温升。

上述过程中都伴随着被测件和夹具的温度变化，必然会引起热胀冷缩而使得被测件与CCD相机的相对位置发生微小改变，称为位置漂移。在高空间分辨率测温时，即使纳米量级的位置漂移也可能引起明显的测温误差[19]。所以，本文采用了基于频域互相关的图像配准技术，可以实现亚像素、亚微米量级的偏移量计算，再借助精密纳米位移台根据偏移量计算结果对被测件进行位置调节，即可有效消除由于热胀冷缩导致的位置漂移。

另外，热反射成像测温是一个低信噪比的过程，主要噪声类型为白噪声，为了有效抑制噪声，本文采用位深为16 bit的CCD相机，同时采用多帧叠加平均的方式降低噪声。本次实验中，每幅有效图像是1000幅连续图像平均的结果。

2 结果分析

图5给出了测得的CTR图像，图中给出了漏极金属和GaN材料的CTR，GaN材料的CTR明显高于金属材料。CTR越高，有效信号越高，信噪比越大，测温误差越小。

图5 CTR图像

CTR比较低的金属区域容易产生较大的测温误差，这是由于CTR较低的区域有效信号较低，噪声造成的测温误差非常明显，原始的测温结果如图6所示。

图6 未滤除噪声的原始测温图像

这里在展示测试结果时，利用数据处理软件将CTR比较低的金属区域的温度信息进行滤除，只显示CTR比较高的GaN区域。

在Uds=28 V，Ids=0.25 A，控温组件 20 ℃ 试验条件对被测件进行了测试，采用50×物镜进行测试，为了便于观察，将被测件可见光图像与温度图形叠加在一起进行显示，如图7所示。为了便于对比，本文取一片面积较大的均匀GaN区域（即图中白框区域）的各像素点温度的平均值，为59.12 ℃。从图7可以直观地看到，利用365 nm浅紫外LED作为光源的光热反射成像测温装置能够有效分辨栅极和漏极之间GaN材料的温度分布，充分体现了高空间分辨率的优势。

图7 GaN区域温度分布

为了验证光热反射成像测温装置的准确性，委托外单位采用美国Microsanj公司生产的NT220B商用光热反射测温装置在相同的测试条件和工况下对同一被测件进行了验证测试，测试结果如图8所示。可见，两套测试装置在相同区域的测温结果相差约2 ℃。这很大程度上证明了研发的热反射成像测温装置可以对GaN HEMT器件GaN材料进行有效的温度测试。

图8 NT220B测得的温度分布

但是，由于国内外一直没有建立GaN HEMT器件温度的计量方法及溯源途径，也没有公认的准确度验证方法，本文只能采用与商用仪器对比的方式在一定程度上证明实验装置的准确性。同时，通过对比可见，图8中栅极和漏极之间GaN材料的温度要明显高于边缘处，而图7中两个区域的温差明显小于图8，造成这一问题的原因还需进一步研究。

3 结束语

本文研发的光热反射成像测温装置能够将被测件表面的温度分布以405 nm空间分辨率图像的形式呈现出来。试验结果证明，CTR较低会引入明显的测温误差，在采用365 nm波长时GaN材料的反射率随温度的变化较大，可以有效降低误差，测温装置能够测得GaN HEMT表面GaN材料区域的温度分布，这与国外的文献报道是一致的。通过与国外商用仪器的比对也证明实验装置GaN材料温度分布时是有效的。但是，在测量栅极和漏极之间GaN材料时，误差较大，还需进行进一步研究。拟通过更换对紫外透射较好的物镜来进一步改善装置的信噪比，以其提高其准确度。