邱金朋，沈競宇

（華潤微電子（重慶） 有限公司，重慶404100）

1 引言

GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）是寬禁帶半導體的代表器件之一，與Si 材料相比，GaN 材料具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的熱導率和更低的導通電阻。根據(jù)摩爾定律，集成電路上元器件的數(shù)目每隔18 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。Si 基器件驗證了這個定律的正確性，而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在對Si 基器件的多個參數(shù)（例如導通電阻、擊穿電壓、開關速度等）進行優(yōu)化后，Si 基器件的性能已經(jīng)接近其材料極限，無法滿足日益發(fā)展的應用對功率器件的要求，以GaN、SiC 為代表的第三代半導體材料逐漸進入人們的視野。

基于GaN 材料的優(yōu)勢，GaN HEMT 傳導電子的效率比Si 基器件高1 000 倍，開關速度也比Si 基器件快10 倍，GaN HEMT 因其優(yōu)良的特性，正在被應用于商業(yè)、工業(yè)甚至要求極為嚴格的汽車領域、軍工行業(yè)等。在相同的電壓等級下，GaN 材料具有更高的擊穿強度，可以做成更小的尺寸，帶來更高的功率密度，隨著功率密度的提升，GaN 器件在工作時會產生顯著的自熱效應，積累大量熱量，GaN 器件的性能和可靠性與溫度有直接的關系，因此研究GaN HEMT 器件的熱阻測試技術對研究產品性能、提高可靠性有重要意義。本文從GaN HEMT 與Si 基器件的原理出發(fā)，分析二者的差異，結合固態(tài)技術協(xié)會（JEDEC）的測試標準，對不同廠家、不同電壓等級、不同封裝結構的GaN HEMT 器件進行測試，通過對電性及原理的分析找到溫度敏感參數(shù)來表征結溫，并驗證其準確性，為研究GaN 功率器件的結溫表征及熱阻測試提供了一種思路。

2 GaN HEMT 器件結構

2.1 二維電子氣的形成

GaN 材料的特殊性在于其存在自發(fā)極化和壓電極化，當在GaN 層上面再生長一層AlGaN 層時，二者形成AlGaN/GaN 異質結，這兩種材料極化強度不同，二者共同作用時等效為在界面處形成極化正電荷，為了保持界面的電中性，在AlGaN/GaN 異質結界面處禁帶寬度較窄的GaN 一側會感應出自由電子，來補償界面上的正極化電荷。這些自由電子被高濃度的極化正電荷吸引在異質結附近，形成窄而深的量子阱，自由電子被限制在阱中，從而在界面處形成濃度很高的二維電子氣（2DEG）[1-3]。與Si 基功率器件不同，該2DEG 在未經(jīng)人為摻雜的情況下即可形成，具有高電子遷移率、高密度等特點，可以作為GaN HEMT 的導電溝道。

2.2 GaN HEMT 的結構及種類

GaN HEMT 的基本結構如圖1 所示，與Si 基MOSFET 相似，GaN HEMT 也具有柵極（Gate）、源極（Source）和漏極（Drain）。常規(guī)GaN HEMT 在外延生長完AlGaN/GaN 異質結之后便生成了高濃度2DEG，柵極位于AlGaN 頂部，當給柵極施加相對于漏極和源極的負電壓時，2DEG 中的電子被耗盡，這種器件被稱為耗盡型（D-mode）HEMT。在實際應用中，耗盡型器件使用不方便，如果不對柵極施加負壓，器件將處于導通狀態(tài)，增強型（E-mode）器件則不會受到這種限制，增強型器件經(jīng)過特殊工藝處理，使柵極下方的2DEG耗盡或消失，正常情況下器件是關斷的，不會傳輸電流，當給柵極施加正壓時，漏極和源極才會導通。通常有4 種結構實現(xiàn)增強型器件：凹槽柵[4]、注入柵[5]、P-GaN 柵[6]和共源共柵[7]。常用的P-GaN 柵增強結構如圖1 所示，通過在AlGaN 勢壘層上生長具有正電荷的P-GaN 層，耗盡柵極下方的2DEG，形成增強型AlGaN/GaN HEMT 結構。P-GaN 柵型GaN HEMT 器件是市面上應用最為廣泛的結構，本文所討論及研究的內容均是基于該結構的GaN 器件。

圖1 GaN HEMT 的基本結構

3 功率器件熱阻測試

3.1 熱阻測試原理

熱阻是熱量在物體內部以熱傳導的方式傳遞時所遇到的阻力，表明1 W 功率所引起的溫升，根據(jù)JESD51-51A[8]測試標準的規(guī)定，半導體器件結到某參考點的熱阻Rth為

其中，Tj為半導體結溫，TX為參考點溫度，P 為半導體的功率損耗。

功率器件中具體包含以下熱阻：芯片結到封裝外殼的熱阻Rthjc（參考點溫度為芯片外殼溫度Tc）；芯片結到電路板的熱阻Rthjb（參考點溫度為電路板溫度Tb）；芯片結到周圍環(huán)境的熱阻Rthja（參考點溫度為周圍環(huán)境溫度Ta）。

芯片外殼溫度、電路板溫度、周圍環(huán)境溫度可以通過熱電偶接觸來測量，因此Tj是熱阻測試的關鍵。結溫測試法包括紅外熱像法[9-10]、電學法、顯微拉曼法[11]和熱反射率法[12-13]等，紅外熱像法、顯微拉曼法和熱反射率法都屬于光學方法。電學測量方法保證了樣品的完整性，更接近實際的應用狀態(tài)，是現(xiàn)在行業(yè)測量熱阻主要使用的方法。Tj測量出來之后，根據(jù)式（1）即可得到器件的熱阻。

3.2 JEDEC 熱阻測試標準

JEDEC 給微電子封裝熱現(xiàn)象提供了相關的測試標準。使用電學方法測量Tj時，最重要的是要有相應的溫度傳感器，最常用的溫度傳感器是具有溫度敏感參數(shù)（TSP）的結構或器件，例如正向偏置PN 二極管，它兩端的電壓降表現(xiàn)出隨溫度變化的線性正向特性；另一種類型的溫度傳感器是電阻式溫度檢測器（RTD），電阻型傳感器的優(yōu)點在于其阻值隨溫度變化的線性度更強，而且可以測試更寬的溫度范圍。

JEDEC 對溫度傳感器的選擇是有一定要求的：與加熱元件相比，溫度傳感器的尺寸應當盡可能小，以便在傳感器上提供具有最小溫度變化的限定溫度空間點；此外，溫度傳感器應該非常靠近加熱元件，以使熱源和溫度傳感器之間的溫度降最小化；溫度傳感器應具有易于測量的參數(shù)，該參數(shù)與溫度成可靠且可重復的比例。對于任何一種類型的傳感器，傳感器中的功率耗散都應該盡可能小，通常小于所施加的加熱源功率的1%，從而不會導致顯著的自加熱以及由此產生的溫度測量和所施加熱功率的擾動。

3.3 Si 基器件熱阻測試方法

傳統(tǒng)Si 基功率器件使用TSP 方法來測試Tj，Si 基功率器件中存在體二極管，體二極管的正向壓降可作為溫度敏感參數(shù)。具體測試方式為使芯片處在某一溫度下，使用固定的測試電流IM流過體二極管，產生一個正向壓降VF，測試多組溫度下的VF，VF與溫度變化近似呈線性關系，每下降固定的VF，體二極管對應相應的溫升，正向電壓下降1 mV 時，大多數(shù)二極管的溫升約為0.5 ℃，即-0.5 ℃/mV，該參數(shù)稱為K 因子，這個參數(shù)取決于工藝，通過測量不同溫度下的體二極管電壓來確定。

確定了K 因子之后就可以通過VF推導Tj，Tc、Tb、Ta可以通過熱電偶接觸等方式獲得，然后通過式（1）就可以計算出器件的相關熱阻。

4 GaN HEMT 熱阻測試方案

4.1 GaN HEMT 電性參數(shù)分析

Si 基器件用VF作為溫度敏感參數(shù)來衡量Tj，為了對GaN HEMT 器件進行結溫表征，需要找到GaN HEMT 中可作為溫度敏感參數(shù)的電性參數(shù)，同時還需要符合JEDEC 的標準。

4.1.1 反向導通

GaN HEMT 器件的工作原理如2.1 節(jié)所述，其導通原理為AlGaN/GaN 異質結相互作用形成2DEG，與Si 基器件摻雜產生PN 結的原理不同，因此GaN HEMT 器件內部沒有物理意義上的PN 結，GaN HEMT 器件的結溫指的是器件內部導電溝道附近的溫度。GaN HEMT 器件反向導通也是2DEG 的作用，其沒有寄生的體二極管；在芯片內部溝道處集成熱測試驗證芯片[14]的方式會增加工藝難度，并且需要額外的摻雜工藝，還會帶來更多的缺陷，影響器件可靠性，因此Si 基器件中最常使用的通過測量PN 結二極管的壓降來測試結溫的方式對于GaN HEMT 器件并不適用。

4.1.2 閾值電壓

對于功率器件，器件處于臨界導通狀態(tài)時的柵極電壓定義為閾值電壓Vth，GaN HEMT 器件的Vth與AlGaN 勢壘以及柵極內建電壓有關[15]。因AlGaN 勢壘中的應變不隨溫度變化，所以內部冶金結產生的電壓以及GaN HEMT 的Vth也基本不隨溫度變化。而且現(xiàn)階段增強型GaN HEMT 的Vth比較低，大多為1 V 左右，隨溫度變化的曲線比較平坦。

4.1.3 導通電阻

器件的導通電阻Rdson為導通回路上所有的電阻之和。GaN HEMT 的Rdson由以下幾部分組成：源漏金屬需要通過AlGaN 勢壘層連接到2DEG，這部分電阻為接觸電阻Rc；作為導電溝道的2DEG 的電阻R2DEG，該電阻與電子遷移率u2DEG、2DEG 的電子數(shù)N2DEG、電子運行距離L2DEG、2DEG 的寬度W2DEG和電荷常數(shù)q（1.6×10-19C）等有關[16]。

在實際器件中，在柵極的作用下，柵極區(qū)域2DEG的電子濃度比其他區(qū)域的電子濃度低，該區(qū)域電阻為R2DEG(Gate)，金屬連接及其他寄生電阻為Rparasitic。因此，GaN HEMT 的Rdson可近似由以下公式表示：

Rdson的每個組成部分都隨溫度變化，不同組成部分的電阻率溫度系數(shù)是不同的。在半導體中，金屬互連層的阻值與溫度具有線性關系，在JEDEC 中RTD作為溫度傳感器就是應用了金屬的這個特性。2DEG的電阻與Rc也具有相應的電阻率溫度系數(shù)。GaN HEMT 的Rdson與溫度T 的函數(shù)可近似表示為[17]

器件的Rdson隨溫度的變化取決于器件的設計，即Rc、R2DEG、Rparasitic以 及 柵 極 的 設 計 等，但 是R2DEG、Rc、Rparasitic的電阻率溫度系數(shù)均為正，因此對于一個確定的產品，隨著器件溫度的升高，電阻也會隨之增加，導通電阻理論上可以表示為溫度的函數(shù)。

4.2 測試器件選型

目前，GaN HEMT 有不同電壓等級以及不同封裝形式的器件，為找到一個能適用各種封裝以及各種電壓等級的器件結溫表征形式，本研究選用的器件電壓等級分為100 V、650 V；封裝形式包含晶體管外殼封裝（TO）、雙扁平無引線封裝（DFN）、芯片級封裝（CSP）。因CSP 為晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP），封裝后的芯片體積與裸芯（Die）相同，沒有引入鍵合所需的引線以及框架引腳的電阻，而且具有更優(yōu)良的散熱特性，與TO 封裝和DFN 封裝的導通電阻構成略有差異。通過選擇不同電壓等級、不同封裝形式的器件，驗證Vth以及Rdson隨溫度的變化情況。

4.3 實驗平臺搭建及測試

本實驗需要使用如下設備：Keysight B1505A 功率器件分析儀，用于對被測器件（DUT）進行Vth及Rdson等電學特性的測試；油浴溫控系統(tǒng)或者高低溫測試機，用于給DUT 提供恒定的溫度環(huán)境。本實驗流程如下：首先將DUT 放入高低溫測試機或者油浴系統(tǒng)中，DUT 的漏極和源極要與Keysight B1505A 保持Kelvin連接；然后將高低溫測試機或者油浴系統(tǒng)溫度由室溫25 ℃逐漸升溫到150 ℃，在升溫過程中以25 ℃為溫度間隔，使用Keysight B1505A 采集對應溫度DUT 的Vth和Rdson。

Vth的測試方法為將器件的柵極與漏極短接，并施加一個從0 V 逐漸增大的電壓，器件由關斷狀態(tài)逐漸開啟，當漏極端電流達到測試電流IM時的柵極端電壓Vg就是Vth。

Rdson的測試方法為在柵極端施加一個高壓，使DUT 處于導通狀態(tài)，在漏極和源極之間施加一個偏置電流Id，該電流大小需適中，測試電流過小會導致被測電壓比較低，此時測試會引入較大的誤差，測試電流過大會產生熱量，影響測試結果，偏置電流的大小取決于DUT 的能力。通過四探針測試法測量在該Id下漏極和源極兩端的電壓Vds，然后根據(jù)歐姆定律R=V/I 即可得到每一個溫度下的Rdson。

5 分析與討論

選取3 款不同的器件：DUT1 為100 V、7 mΩ、CSP封裝GaN HEMT 器件；DUT2 為650 V、100 mΩ、TO封裝器件；DUT3 為650 V、200 mΩ、DFN 封裝器件。通過以上測試平臺及測試流程，對DUT 進行測試。圖2為DUT 的Vth隨Tj變化的曲線圖，由圖2 可以看到，不同電壓等級、不同封裝的GaN HEMT 器件Vth都在1 V 左右，Vth隨溫度變化很小，曲線較為平緩。

圖2 Vth 隨Tj 變化的曲線

表1 展示了DUT Vth的變化量ΔVth和變化率，其中ΔVth是圖2 中每條曲線的最大值與最小值的差值，變化率是該差值與對應器件在25 ℃時Vth的比值。變化率最大的DUT1 只有21.55%，變化值為0.261 V，與溫度的關聯(lián)性差；而且Vth與測試系統(tǒng)的精度息息相關，可重復性差。結合4.1.2 節(jié)對Vth的理論分析可知，GaNHEMT 的Vth不具備作為溫度敏感參數(shù)的必要條件。

表1 不同DUT 的Vth 變化

圖3 為DUT 的Rdson隨Tj變化的曲線，可以看出，雖然器件的擊穿電壓不同、封裝形式不同，但是導通電阻都隨溫度的上升有明顯的增加。

圖3 Rdson 隨Tj 變化曲線

表2 為各DUT Rdson的詳細變化量ΔRdson與變化率，變化量是圖3 中每條曲線的最大值與最小值的差值，變化率是該差值與對應器件在25 ℃時Rdson的比值，可以看到變化率超過67.6%。由測試曲線和測試數(shù)據(jù)可知：針對同一種器件，隨著溫度的升高，器件的Rdson逐漸增大，150 ℃下的Rdson甚至比在常溫25 ℃的Rdson增大近一倍。

表2 DUT 的Rdson 變化

為驗證圖2、3 所示規(guī)律的普遍性，選取A、B 兩種規(guī)格的GaN HEMT 器件各80 顆進行測試，A 器件為650 V、100 mΩ、TO 封裝的器件，B 器件為650 V、150 mΩ、DFN 封裝的器件。圖4 為兩種規(guī)格器件的Vth箱線圖，從圖中可以看出，A、B 兩款器件Vth的數(shù)據(jù)較為分散，在25 ℃和150 ℃兩種情況下，變化只有0.1 V左右，變化幅度很小，與圖2 曲線中的特性一致。圖5為兩種規(guī)格器件的Rdson箱線圖，由圖中可以看出，Rdson測試數(shù)據(jù)較為集中，對固定的產品，在結溫為150 ℃的情況下，相較于結溫為25 ℃的情況Rdson有明顯的增加，而且依據(jù)市面現(xiàn)有E-mode GaN HEMT 產品的數(shù)據(jù)表來看，Rdson隨溫度升高而增加是顯著且普遍存在的。結合測試數(shù)據(jù)與4.1.3 節(jié)的原理分析，可知Rdson與溫度有明顯的關聯(lián)。

圖4 25 ℃與150 ℃下Vth 分布

圖5 25 ℃與150 ℃下Rdson 分布

從圖3 可以看出，Rdson隨Tj的變化是非線性的，因此無法像二極管正向壓降隨溫度的變化曲線那樣得出一個近似線性的K 因子。為研究GaN HEMT 的Rdson與Tj的關系，對測試曲線進行擬合，可以得到一個Rdson隨Tj變化的函數(shù)。

針對本實驗過程中的DUT，對DUT1 進行擬合之后的函數(shù)為

對DUT2 進行擬合之后的函數(shù)為

通過擬合的函數(shù)確定Rdson與Tj的對應關系，可通過擬合函數(shù)使用某一時刻的Rdson反推導出此刻GaN HEMT 的Tj。

為驗證該方案的可行性與擬合結果的準確性，設計驗證測試，測試所需設備有：直流電源，為DUT 提供柵極驅動；電子負載，為DUT 提供負載，并控制電流；ROHDE&SCHWARZ 示波器，抓取測試過程中的波形；Fotric 紅外熱成像儀，用來掃描DUT 的溫度。

實驗步驟如下：對DUT 柵極施加Vg，使器件處于開啟狀態(tài)，在電子負載的作用下對器件漏源極施加一個固定電流Id，器件Tj升高，測量溫升過程中某一時刻的Rdson，并使用紅外熱成像儀掃描該點的器件溫度Ttest。

圖6 為DUT1 在測試點的紅外熱成像圖，在此測試點通過示波器得到DUT1 的Rdson為3.034 mΩ，通過擬合式（4）反推該時刻的Tj=101.623 ℃，與圖6 中紅外熱成像儀掃描的99.9 ℃相近。

圖6 DUT1 在測試點的紅外熱成像圖

圖7 為DUT2 在測試點的紅外熱成像圖，此時求得DUT2 此點的Rdson為109.7 mΩ，通過式（5）反推該時刻的結溫Tj=64.803 ℃，高于圖7 中紅外熱成像儀掃描的49.8 ℃。

圖7 DUT2 在測試點的紅外熱成像圖

在該實驗中，紅外熱像法熱阻測試只能在器件未封帽或者開蓋后進行，不適用于封裝完整的器件[18]，DUT1 為CSP 封裝，與TO 或DFN 等封裝形式不一樣，該封裝并沒有框架引腳、引線鍵合、塑封外殼，近似裸芯片，因此紅外熱成像儀掃描出來的溫度接近真實結溫；而DUT2 為TO 封裝，紅外熱成像儀只能掃描塑封料及金屬框架的表面溫度，真實結溫要高于該溫度。二者測試結果均符合上述理論。

表3 選用了4 顆CSP 封裝GaN HEMT 器件，DUT4 為150 V、6 mΩ，DUT5 為200 V、100 mΩ，DUT6 為200 V、80 mΩ，DUT7 為60 V、45 mΩ，按照上文的測試步驟進行測試驗證，對Rdson及Tj進行擬合，最后將Rdson表征的Tj與紅外熱成像測試的結果Ttest進行對比，可以看到二者比較接近，因此將Rdson作為溫度敏感參數(shù)來表征GaN HEMT 的結溫是可行的。

表3 多組CSP 器件表征結溫與紅外熱成像對比

使用Rdson表征出GaN HEMT 的Tj后，結合測出的殼溫及環(huán)境溫度以及式（1）即可計算出GaN 器件的熱阻。

6 結論

本文通過對GaN HEMT 器件的工作原理、電性參數(shù)進行分析，依據(jù)JEDEC 的標準，結合Si 基功率器件的測試經(jīng)驗，通過實驗的方式對不同擊穿電壓、不同封裝形式的GaN HEMT 器件的閾值電壓、導通電阻進行溫度的關聯(lián)性測試，對測試結果進行分析，并將表征結果與紅外熱成像法測得的結溫進行對比，驗證了導通電阻作為溫度敏感參數(shù)表征GaN HEMT 器件結溫的可行性，該參數(shù)可以用來進行熱阻測試。