GaN HEMT 热阻测试技术研究

邱金朋，沈竞宇

（华润微电子（重庆） 有限公司，重庆404100）

1 引言

GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）是宽禁带半导体的代表器件之一，与Si 材料相比，GaN 材料具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的热导率和更低的导通电阻。根据摩尔定律，集成电路上元器件的数目每隔18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。Si 基器件验证了这个定律的正确性，而经过几十年的发展，在对Si 基器件的多个参数（例如导通电阻、击穿电压、开关速度等）进行优化后，Si 基器件的性能已经接近其材料极限，无法满足日益发展的应用对功率器件的要求，以GaN、SiC 为代表的第三代半导体材料逐渐进入人们的视野。

基于GaN 材料的优势，GaN HEMT 传导电子的效率比Si 基器件高1 000 倍，开关速度也比Si 基器件快10 倍，GaN HEMT 因其优良的特性，正在被应用于商业、工业甚至要求极为严格的汽车领域、军工行业等。在相同的电压等级下，GaN 材料具有更高的击穿强度，可以做成更小的尺寸，带来更高的功率密度，随着功率密度的提升，GaN 器件在工作时会产生显著的自热效应，积累大量热量，GaN 器件的性能和可靠性与温度有直接的关系，因此研究GaN HEMT 器件的热阻测试技术对研究产品性能、提高可靠性有重要意义。本文从GaN HEMT 与Si 基器件的原理出发，分析二者的差异，结合固态技术协会（JEDEC）的测试标准，对不同厂家、不同电压等级、不同封装结构的GaN HEMT 器件进行测试，通过对电性及原理的分析找到温度敏感参数来表征结温，并验证其准确性，为研究GaN 功率器件的结温表征及热阻测试提供了一种思路。

2 GaN HEMT 器件结构

2.1 二维电子气的形成

GaN 材料的特殊性在于其存在自发极化和压电极化，当在GaN 层上面再生长一层AlGaN 层时，二者形成AlGaN/GaN 异质结，这两种材料极化强度不同，二者共同作用时等效为在界面处形成极化正电荷，为了保持界面的电中性，在AlGaN/GaN 异质结界面处禁带宽度较窄的GaN 一侧会感应出自由电子，来补偿界面上的正极化电荷。这些自由电子被高浓度的极化正电荷吸引在异质结附近，形成窄而深的量子阱，自由电子被限制在阱中，从而在界面处形成浓度很高的二维电子气（2DEG）[1-3]。与Si 基功率器件不同，该2DEG 在未经人为掺杂的情况下即可形成，具有高电子迁移率、高密度等特点，可以作为GaN HEMT 的导电沟道。

2.2 GaN HEMT 的结构及种类

GaN HEMT 的基本结构如图1 所示，与Si 基MOSFET 相似，GaN HEMT 也具有栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）。常规GaN HEMT 在外延生长完AlGaN/GaN 异质结之后便生成了高浓度2DEG，栅极位于AlGaN 顶部，当给栅极施加相对于漏极和源极的负电压时，2DEG 中的电子被耗尽，这种器件被称为耗尽型（D-mode）HEMT。在实际应用中，耗尽型器件使用不方便，如果不对栅极施加负压，器件将处于导通状态，增强型（E-mode）器件则不会受到这种限制，增强型器件经过特殊工艺处理，使栅极下方的2DEG耗尽或消失，正常情况下器件是关断的，不会传输电流，当给栅极施加正压时，漏极和源极才会导通。通常有4 种结构实现增强型器件：凹槽栅[4]、注入栅[5]、P-GaN 栅[6]和共源共栅[7]。常用的P-GaN 栅增强结构如图1 所示，通过在AlGaN 势垒层上生长具有正电荷的P-GaN 层，耗尽栅极下方的2DEG，形成增强型AlGaN/GaN HEMT 结构。P-GaN 栅型GaN HEMT 器件是市面上应用最为广泛的结构，本文所讨论及研究的内容均是基于该结构的GaN 器件。

图1 GaN HEMT 的基本结构

3 功率器件热阻测试

3.1 热阻测试原理

热阻是热量在物体内部以热传导的方式传递时所遇到的阻力，表明1 W 功率所引起的温升，根据JESD51-51A[8]测试标准的规定，半导体器件结到某参考点的热阻Rth为

其中，Tj为半导体结温，TX为参考点温度，P 为半导体的功率损耗。

功率器件中具体包含以下热阻：芯片结到封装外壳的热阻Rthjc（参考点温度为芯片外壳温度Tc）；芯片结到电路板的热阻Rthjb（参考点温度为电路板温度Tb）；芯片结到周围环境的热阻Rthja（参考点温度为周围环境温度Ta）。

芯片外壳温度、电路板温度、周围环境温度可以通过热电偶接触来测量，因此Tj是热阻测试的关键。结温测试法包括红外热像法[9-10]、电学法、显微拉曼法[11]和热反射率法[12-13]等，红外热像法、显微拉曼法和热反射率法都属于光学方法。电学测量方法保证了样品的完整性，更接近实际的应用状态，是现在行业测量热阻主要使用的方法。Tj测量出来之后，根据式（1）即可得到器件的热阻。

3.2 JEDEC 热阻测试标准

JEDEC 给微电子封装热现象提供了相关的测试标准。使用电学方法测量Tj时，最重要的是要有相应的温度传感器，最常用的温度传感器是具有温度敏感参数（TSP）的结构或器件，例如正向偏置PN 二极管，它两端的电压降表现出随温度变化的线性正向特性；另一种类型的温度传感器是电阻式温度检测器（RTD），电阻型传感器的优点在于其阻值随温度变化的线性度更强，而且可以测试更宽的温度范围。

JEDEC 对温度传感器的选择是有一定要求的：与加热元件相比，温度传感器的尺寸应当尽可能小，以便在传感器上提供具有最小温度变化的限定温度空间点；此外，温度传感器应该非常靠近加热元件，以使热源和温度传感器之间的温度降最小化；温度传感器应具有易于测量的参数，该参数与温度成可靠且可重复的比例。对于任何一种类型的传感器，传感器中的功率耗散都应该尽可能小，通常小于所施加的加热源功率的1%，从而不会导致显著的自加热以及由此产生的温度测量和所施加热功率的扰动。

3.3 Si 基器件热阻测试方法

传统Si 基功率器件使用TSP 方法来测试Tj，Si 基功率器件中存在体二极管，体二极管的正向压降可作为温度敏感参数。具体测试方式为使芯片处在某一温度下，使用固定的测试电流IM流过体二极管，产生一个正向压降VF，测试多组温度下的VF，VF与温度变化近似呈线性关系，每下降固定的VF，体二极管对应相应的温升，正向电压下降1 mV 时，大多数二极管的温升约为0.5 ℃，即-0.5 ℃/mV，该参数称为K 因子，这个参数取决于工艺，通过测量不同温度下的体二极管电压来确定。

确定了K 因子之后就可以通过VF推导Tj，Tc、Tb、Ta可以通过热电偶接触等方式获得，然后通过式（1）就可以计算出器件的相关热阻。

4 GaN HEMT 热阻测试方案

4.1 GaN HEMT 电性参数分析

Si 基器件用VF作为温度敏感参数来衡量Tj，为了对GaN HEMT 器件进行结温表征，需要找到GaN HEMT 中可作为温度敏感参数的电性参数，同时还需要符合JEDEC 的标准。

4.1.1 反向导通

GaN HEMT 器件的工作原理如2.1 节所述，其导通原理为AlGaN/GaN 异质结相互作用形成2DEG，与Si 基器件掺杂产生PN 结的原理不同，因此GaN HEMT 器件内部没有物理意义上的PN 结，GaN HEMT 器件的结温指的是器件内部导电沟道附近的温度。GaN HEMT 器件反向导通也是2DEG 的作用，其没有寄生的体二极管；在芯片内部沟道处集成热测试验证芯片[14]的方式会增加工艺难度，并且需要额外的掺杂工艺，还会带来更多的缺陷，影响器件可靠性，因此Si 基器件中最常使用的通过测量PN 结二极管的压降来测试结温的方式对于GaN HEMT 器件并不适用。

4.1.2 阈值电压

对于功率器件，器件处于临界导通状态时的栅极电压定义为阈值电压Vth，GaN HEMT 器件的Vth与AlGaN 势垒以及栅极内建电压有关[15]。因AlGaN 势垒中的应变不随温度变化，所以内部冶金结产生的电压以及GaN HEMT 的Vth也基本不随温度变化。而且现阶段增强型GaN HEMT 的Vth比较低，大多为1 V 左右，随温度变化的曲线比较平坦。

4.1.3 导通电阻

器件的导通电阻Rdson为导通回路上所有的电阻之和。GaN HEMT 的Rdson由以下几部分组成：源漏金属需要通过AlGaN 势垒层连接到2DEG，这部分电阻为接触电阻Rc；作为导电沟道的2DEG 的电阻R2DEG，该电阻与电子迁移率u2DEG、2DEG 的电子数N2DEG、电子运行距离L2DEG、2DEG 的宽度W2DEG和电荷常数q（1.6×10-19C）等有关[16]。

在实际器件中，在栅极的作用下，栅极区域2DEG的电子浓度比其他区域的电子浓度低，该区域电阻为R2DEG(Gate)，金属连接及其他寄生电阻为Rparasitic。因此，GaN HEMT 的Rdson可近似由以下公式表示：

Rdson的每个组成部分都随温度变化，不同组成部分的电阻率温度系数是不同的。在半导体中，金属互连层的阻值与温度具有线性关系，在JEDEC 中RTD作为温度传感器就是应用了金属的这个特性。2DEG的电阻与Rc也具有相应的电阻率温度系数。GaN HEMT 的Rdson与温度T 的函数可近似表示为[17]

器件的Rdson随温度的变化取决于器件的设计，即Rc、R2DEG、Rparasitic以 及 栅 极 的 设 计 等，但 是R2DEG、Rc、Rparasitic的电阻率温度系数均为正，因此对于一个确定的产品，随着器件温度的升高，电阻也会随之增加，导通电阻理论上可以表示为温度的函数。

4.2 测试器件选型

目前，GaN HEMT 有不同电压等级以及不同封装形式的器件，为找到一个能适用各种封装以及各种电压等级的器件结温表征形式，本研究选用的器件电压等级分为100 V、650 V；封装形式包含晶体管外壳封装（TO）、双扁平无引线封装（DFN）、芯片级封装（CSP）。因CSP 为晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP），封装后的芯片体积与裸芯（Die）相同，没有引入键合所需的引线以及框架引脚的电阻，而且具有更优良的散热特性，与TO 封装和DFN 封装的导通电阻构成略有差异。通过选择不同电压等级、不同封装形式的器件，验证Vth以及Rdson随温度的变化情况。

4.3 实验平台搭建及测试

本实验需要使用如下设备：Keysight B1505A 功率器件分析仪，用于对被测器件（DUT）进行Vth及Rdson等电学特性的测试；油浴温控系统或者高低温测试机，用于给DUT 提供恒定的温度环境。本实验流程如下：首先将DUT 放入高低温测试机或者油浴系统中，DUT 的漏极和源极要与Keysight B1505A 保持Kelvin连接；然后将高低温测试机或者油浴系统温度由室温25 ℃逐渐升温到150 ℃，在升温过程中以25 ℃为温度间隔，使用Keysight B1505A 采集对应温度DUT 的Vth和Rdson。

Vth的测试方法为将器件的栅极与漏极短接，并施加一个从0 V 逐渐增大的电压，器件由关断状态逐渐开启，当漏极端电流达到测试电流IM时的栅极端电压Vg就是Vth。

Rdson的测试方法为在栅极端施加一个高压，使DUT 处于导通状态，在漏极和源极之间施加一个偏置电流Id，该电流大小需适中，测试电流过小会导致被测电压比较低，此时测试会引入较大的误差，测试电流过大会产生热量，影响测试结果，偏置电流的大小取决于DUT 的能力。通过四探针测试法测量在该Id下漏极和源极两端的电压Vds，然后根据欧姆定律R=V/I 即可得到每一个温度下的Rdson。

5 分析与讨论

选取3 款不同的器件：DUT1 为100 V、7 mΩ、CSP封装GaN HEMT 器件；DUT2 为650 V、100 mΩ、TO封装器件；DUT3 为650 V、200 mΩ、DFN 封装器件。通过以上测试平台及测试流程，对DUT 进行测试。图2为DUT 的Vth随Tj变化的曲线图，由图2 可以看到，不同电压等级、不同封装的GaN HEMT 器件Vth都在1 V 左右，Vth随温度变化很小，曲线较为平缓。

图2 Vth 随Tj 变化的曲线

表1 展示了DUT Vth的变化量ΔVth和变化率，其中ΔVth是图2 中每条曲线的最大值与最小值的差值，变化率是该差值与对应器件在25 ℃时Vth的比值。变化率最大的DUT1 只有21.55%，变化值为0.261 V，与温度的关联性差；而且Vth与测试系统的精度息息相关，可重复性差。结合4.1.2 节对Vth的理论分析可知，GaNHEMT 的Vth不具备作为温度敏感参数的必要条件。

表1 不同DUT 的Vth 变化

图3 为DUT 的Rdson随Tj变化的曲线，可以看出，虽然器件的击穿电压不同、封装形式不同，但是导通电阻都随温度的上升有明显的增加。

图3 Rdson 随Tj 变化曲线

表2 为各DUT Rdson的详细变化量ΔRdson与变化率，变化量是图3 中每条曲线的最大值与最小值的差值，变化率是该差值与对应器件在25 ℃时Rdson的比值，可以看到变化率超过67.6%。由测试曲线和测试数据可知：针对同一种器件，随着温度的升高，器件的Rdson逐渐增大，150 ℃下的Rdson甚至比在常温25 ℃的Rdson增大近一倍。

表2 DUT 的Rdson 变化

为验证图2、3 所示规律的普遍性，选取A、B 两种规格的GaN HEMT 器件各80 颗进行测试，A 器件为650 V、100 mΩ、TO 封装的器件，B 器件为650 V、150 mΩ、DFN 封装的器件。图4 为两种规格器件的Vth箱线图，从图中可以看出，A、B 两款器件Vth的数据较为分散，在25 ℃和150 ℃两种情况下，变化只有0.1 V左右，变化幅度很小，与图2 曲线中的特性一致。图5为两种规格器件的Rdson箱线图，由图中可以看出，Rdson测试数据较为集中，对固定的产品，在结温为150 ℃的情况下，相较于结温为25 ℃的情况Rdson有明显的增加，而且依据市面现有E-mode GaN HEMT 产品的数据表来看，Rdson随温度升高而增加是显著且普遍存在的。结合测试数据与4.1.3 节的原理分析，可知Rdson与温度有明显的关联。

图4 25 ℃与150 ℃下Vth 分布

图5 25 ℃与150 ℃下Rdson 分布

从图3 可以看出，Rdson随Tj的变化是非线性的，因此无法像二极管正向压降随温度的变化曲线那样得出一个近似线性的K 因子。为研究GaN HEMT 的Rdson与Tj的关系，对测试曲线进行拟合，可以得到一个Rdson随Tj变化的函数。

针对本实验过程中的DUT，对DUT1 进行拟合之后的函数为

对DUT2 进行拟合之后的函数为

通过拟合的函数确定Rdson与Tj的对应关系，可通过拟合函数使用某一时刻的Rdson反推导出此刻GaN HEMT 的Tj。

为验证该方案的可行性与拟合结果的准确性，设计验证测试，测试所需设备有：直流电源，为DUT 提供栅极驱动；电子负载，为DUT 提供负载，并控制电流；ROHDE&SCHWARZ 示波器，抓取测试过程中的波形；Fotric 红外热成像仪，用来扫描DUT 的温度。

实验步骤如下：对DUT 栅极施加Vg，使器件处于开启状态，在电子负载的作用下对器件漏源极施加一个固定电流Id，器件Tj升高，测量温升过程中某一时刻的Rdson，并使用红外热成像仪扫描该点的器件温度Ttest。

图6 为DUT1 在测试点的红外热成像图，在此测试点通过示波器得到DUT1 的Rdson为3.034 mΩ，通过拟合式（4）反推该时刻的Tj=101.623 ℃，与图6 中红外热成像仪扫描的99.9 ℃相近。

图6 DUT1 在测试点的红外热成像图

图7 为DUT2 在测试点的红外热成像图，此时求得DUT2 此点的Rdson为109.7 mΩ，通过式（5）反推该时刻的结温Tj=64.803 ℃，高于图7 中红外热成像仪扫描的49.8 ℃。

图7 DUT2 在测试点的红外热成像图

在该实验中，红外热像法热阻测试只能在器件未封帽或者开盖后进行，不适用于封装完整的器件[18]，DUT1 为CSP 封装，与TO 或DFN 等封装形式不一样，该封装并没有框架引脚、引线键合、塑封外壳，近似裸芯片，因此红外热成像仪扫描出来的温度接近真实结温；而DUT2 为TO 封装，红外热成像仪只能扫描塑封料及金属框架的表面温度，真实结温要高于该温度。二者测试结果均符合上述理论。

表3 选用了4 颗CSP 封装GaN HEMT 器件，DUT4 为150 V、6 mΩ，DUT5 为200 V、100 mΩ，DUT6 为200 V、80 mΩ，DUT7 为60 V、45 mΩ，按照上文的测试步骤进行测试验证，对Rdson及Tj进行拟合，最后将Rdson表征的Tj与红外热成像测试的结果Ttest进行对比，可以看到二者比较接近，因此将Rdson作为温度敏感参数来表征GaN HEMT 的结温是可行的。

表3 多组CSP 器件表征结温与红外热成像对比

使用Rdson表征出GaN HEMT 的Tj后，结合测出的壳温及环境温度以及式（1）即可计算出GaN 器件的热阻。

6 结论

本文通过对GaN HEMT 器件的工作原理、电性参数进行分析，依据JEDEC 的标准，结合Si 基功率器件的测试经验，通过实验的方式对不同击穿电压、不同封装形式的GaN HEMT 器件的阈值电压、导通电阻进行温度的关联性测试，对测试结果进行分析，并将表征结果与红外热成像法测得的结温进行对比，验证了导通电阻作为温度敏感参数表征GaN HEMT 器件结温的可行性，该参数可以用来进行热阻测试。