基于微区拉曼法的AlGaN_GaN HEMT沟道温度测试研究.pdf

引用格式：引用格式：王瑞泽,郭怀新,付志伟,等.基于微区拉曼法的 AlGaN/GaNHEMT 沟道温度测试研究J.中国测试，2024,50(3):13-18.WANGRuize,GUOHuaixin,FUZhiwei,etal.ResearchonmeasurementofchanneltemperatureofAlGaN/GaNHEMTbasedonmicroRamanmethodJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):13-18.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022040008基于微区拉曼法的 AlGaN/GaN HEMT 沟道温度测试研究王瑞泽1，郭怀新1，付志伟2，尹志军1，李忠辉1，陈堂胜1(1.微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，江苏南京210000;2.电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州510000)摘要:针对现有温度测试技术难以满足 GaN 器件寿命、可靠性以及热管理控制对沟道温度精确评估的需求，开展基于微区拉曼法测定 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的沟道温度的研究。使用拉曼系统测量 GaN 材料的 E2声子频率特征峰来确定沟道温度。通过使用洛伦兹拟合方法，提高拉曼测试结果精度。对微区拉曼法和红外热成像法测量器件结温进行量化研究，器件的直流输出功率密度分别为 6、8、10W/mm 时基于微区拉曼法测得的GaN 器件沟道温度分布为 140.7、176.7、213.6；基于红外热成像法测得的温度分布为 132.0、160.2、189.8。其测试精度相对红外法分别提升 6.6%，10.3%和 12.5%，同时尝试探索沟道深度方向的温度测量，实现沟道下 3m的温度测量，结果表明微区拉曼法有更高的测试精度，对器件结温的测量与评估以及热管理技术的提升都有重要意义。关键词:微区拉曼法;AlGaN/GaNHEMT;沟道温度;红外热成像法中图分类号:TN386;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03001306Research on measurement of channel temperature of AlGaN/GaN HEMT based onmicro Raman methodWANGRuize1,GUOHuaixin1,FUZhiwei2,YINZhijun1,LIZhonghui1,CHENTangsheng1(1.ScienceandTechnologyonMonolithicIntegratedCircuitsandModulesLaboratory,Nanjing210000,China;2.KeyLaboratoryofReliabilityPhysicsofElectronicComponentsandItsApplicationTechnology,Guangzhou510000,China)Abstract:InviewofthefactthattheexistingtemperaturetestingtechnologyisdifficulttomeettheneedsofGaN device lifetime,reliability and thermal management control accurate evaluation of the channeltemperature,research on measurement of the channel temperature of AlGaN/GaN high electron mobilitytransistor(HEMT)basedonmicroRamanmethodwascarriedout.ThechanneltemperaturewasdeterminedbymeasuringtheE2phononfrequencycharacteristicpeakoftheGaNmaterialusingaRamansystem.ImprovetheprecisionofRamantestingresultsbyusingtheLorentzianfittingmethod.Thejunctiontemperatureofthe收稿日期:2022-04-01；收到修改稿日期:2022-05-27基金项目:国防科技重点实验室基金(61428060205)作者简介:王瑞泽（1995-），男，湖南永兴县人，助理工程师，硕士，主要从事微电子热管理的研究工作。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,2024devicemeasuredbythemicroRamanmethodandinfraredthermalimagingmethodwasquantitativelystudied.WhentheDCoutputpowerdensityofthedevicewas6,8,and10W/mm,thechanneloftheGaNdevicewasmeasuredbasedonthemicro-Ramanmethod,thetemperaturedistributionswere140.7,176.7and213.6C;respectively,thetemperaturedistributionsmeasuredbasedoninfraredthermalimagingwere132.0,160.2and189.8C.Comparedwiththeinfraredmethod,thetestingprecisionhasbeenimprovedby6.6%,10.3%and12.5%.Atthesametime,thetemperaturemeasurementinthedepthdirectionofthechannelhasbeenexplored,andthetemperaturemeasurementof3munderthechannelhasbeenachieved.TheresultsshowthatthemicroRamanmethodhashighertestingprecision,itisofgreatsignificancetothemeasurementandevaluationofdevicejunctiontemperatureandtheimprovementofthermalmanagementtechnology.Keywords:microRamanmethod;AlGaN/GaNHEMT;channeltemperature;infraredthermalimaging0 引言对比传统的 Si 和 GaAs 技术，AlGaN/GaN 的高电子迁移率晶体管(HEMT)有望实现更高的功率密度和更好的高频性能，被认为是下一代通信系统和功率转换应用的绝佳候选，将在未来的远程通信和雷达应用中发挥核心作用1-2，尽管近年来报告，在器件参数上不断有大的突破和进展，但是受限于亚微米区域导致的局部沟道温度过高，器件性能提升有限，GaN 基 HEMT 器件在实用化过程中依然存在诸多与温度有关的可靠性问题3-6。因此，当设计电路和器件建模时需要仔细考虑自热效应，首先，对于热管理和寿命评估来说，其关键在于用高的空间分辨率和温度分辨率来建立一个准确测量AlGaN/GaNHEMT 器件沟道温度的方法。目前用于半导体器件的热测量技术可分为物理接触、光学和电学三种方法；物理接触法对于器件特别是封装级的器件来说，是破坏性的测量，并且一定程度上会影响表面的温度分布，并不适合测量器件表面温度，因此不能作为 AlGaN/GaNHEMT器件的温度测量手段；电学法通过对温度敏感参数的测量可以推断出半导体器件的工作温度，由于电学法自身特点的限制，它只能得到温敏参数区域的平均温度，而不能得到器件的表面温度分布；而光学法主要以红外热成像法和拉曼法为代表，传统的红外热成像法空间分辨率一般为 515m，对沟道的测量温度结果偏低7-10。近年来，激光拉曼光谱法已成为公认的高空间分辨率测量半导体器件的热特性方法。KUBALLM 等人11首次报道了使用光谱分辨率为 0.1cm1和温度分辨率为 10 的激光微拉曼光谱法来测量 GaNHFET 的沟道温度。KOSAKAK 等人12分析了 AlGaN/GaNHFET 在击穿电压附近工作的热特性。然而，拉曼光谱法在实际应用中的主要缺点是温度分辨率仍然相对较低，而且传统的拉曼设备测温不能超过 12013-14。在本文中，我们使用改造后的可用于高温测量的拉曼系统和实验装置，通过微区拉曼法测量AlGaN/GaNHEMT 的沟道温度。通过使用洛伦兹拟合过程提高了结果的精度，此外，还使用红外热成像法来测量 AlGaN/GaNHEMT 的沟道温度，对比两种方法测得结果的差异，并且尝试使用微区拉曼法测量器件沟道深度方向的温度。1 实验1.1 拉曼光谱法原理介绍使用拉曼光谱测量 AlGaN/GaN 器件温度的原理是基于温度取决于 GaN 晶体的声子频率15-16。根据公式(1)来计算温度 T：IASIS=(l+plp)4e hpkT(1)式中：IAS反斯托克射线强度；IS斯托克射线强度；l光的频率，Hz；p声子的频率，Hz；T温度，K；修正系数；约化普朗克常数；k玻尔兹曼常数。然而，很难控制测试 IAS和 IS强度的精确度，因为反斯托克斯线的强度通常要比斯托克斯线低得多。所以转换一种方式来表征拉曼位移和温度之间的关系17-18，如公式(2)所示：(T)=0CeD h0kT1(2)14中国测试2024年3月式中：（T）温度 T 时的拉曼位移，m1；0温度为 0K 时的拉曼位移，m1；C，D拟合参数。同时为了进一步提高结果的准确性，在本文中，我们根据测试结果应用洛伦兹拟合方法确定准确的拉曼峰 E2的位置19-22。公式（3）是洛伦兹拟合的函数。I=I0+2AB4(T)2+B2(3)式中：I拉曼散射光谱测量的强度；I0拉曼散射光谱初始强度；拉曼位移，m1；A，B拟合参数。测试 GaN 器件表面温度，其拉曼光谱的聚焦需考虑光在空气中传播，通过激光聚焦调控，实现了使用极小光斑的聚集在样品表面进行测试，在器件表面的测试由显微成像系统的光学衍射极限决定，在 GaN 器件的表面横向分辨率为：rlateral=0.51NA(4)式中：rlateral横向分辨率，nm；光的波长，nm；NA显微镜物镜的数值孔径。本文中采用的拉曼设备型号为 HoribaHR800系统，拉曼位移范围为 1003000cm1，最大光谱分辨率为 0.65cm1，最大可移动范围大于 100mm100mm。其拉曼光波长为 532.8nm，采用的物镜为三丰超长焦显微镜物镜，其数值孔径为 0.55，代入公式（4）计算得出拉曼法测试氮化镓器件的表面横向分辨率为 0.494m。此外，本文中所使用的用于对比的红外热成像仪为 QFIInfrascope型，其具有 0.1 温度分辨率、空间分辨率可达 2.7m，时间分辨率为 3s。1.2 器件结构和器件参数AlGaN/GaNHEMT 的器件结构如图 1 所示，AlGaN/GaNHEMT 组成为 25nm 未掺杂的 AlGaN层、1.8m 的 GaN 缓冲层、400m 的 4H-SiC 衬底，欧姆金属为 Ti/Al/Ni/Au，栅金属 Ni/Au。器件为 10指栅，单指栅长为 450nm，单指栅宽为 100m，源漏间距为 7m 的和栅源间距为 2m。栅极和源极由空气桥结构连接。器件表面是 200nm 的 SiN 钝化层。在拉曼法测试和红外测试前，针对设计的 GaN器件，采用电阻和电容互联栅、漏电极途径实现GaN 器件的内匹配，防止出现自激现象，在对制备好的器件进行检测和筛选，将筛选后的 GaNHEMT器件进行装配，通过键合金丝使器件的栅、源、漏电极与外电极连接，供红外热成像法和微区拉曼法温度测试使用。1.3 拉曼测试和红外测试实验使用微区拉曼法结温测试平台对多指栅器件进行结温测试，如图 2（a）所示测量区域为第 5 指栅的中心，将器件放置在微区拉曼系统的控温台上，使用控温台上的探针将器件与直流电源进行连接，首先进行拉曼信号与温度的关系标定，温度会影响GaNE2(H)峰的位置，拉曼峰的位置会随着温度升高而向左偏移。先为测试系统装填液氮并开启水循环设备，使测试系统具有足够的控温能力，其温度误差可控制在 0.1 以内，使测试的精确性得到保障。将待测器件放入加热台的腔室中，通过调节加热台使校准样品均匀加热，每调节一次温度设定时，需等待温度稳定后再进行测量，在对准时开启拉曼电镜的滤光器并调整强度至 4 位置，使拉曼激光的强度减弱并使光斑中心显现在显微镜下，便于聚焦与移动，如图 2（b）所示：将聚焦好的拉曼光斑照射在器件有源区的栅条位置附近，并避免其与金属电极接触而出现杂峰。对准完成后将滤光器调节至初始 0 位置，准备测量。在温度曲线标定时，温度的选择应包括目标区间范围，测试位置应在器件有源区内。因此，实验选择从 25 开始测试，于 275 结束，温度梯度为 50。测量得到不同温度下 GaNHEMT 器件的 GaNE2(H)谱线，并得到 GaNE2(H)谱线波数与温度的关系。完成了温度标定曲线测量后，先通过调节电SourceGateAlGaNGaN2DEGGaN buffer layerSiC substrateDrain图 1 AlGaN/GaN HEMT 器件结构图第50卷第3期王瑞泽，等：基于微区拉曼法的 AlGaN/GaNHEMT 沟道温度测试研究15源使器件的直流输出功率密度达到分别为 6、8、10W/mm，进而对 GaNHEMT 进行拉曼谱线的测试，结合 GaNE2(H)声子温度依赖关系，求得基于拉曼光谱法的 GaN 器件沟道温度分布。同时完成对器件在相同直流输出功率密度下红外热成像法对结温的测量。2 结果与讨论2.1 拉曼测量结果的洛伦兹拟合与温度曲线标定如图 3（a）所示是拉曼测试 GaN 材料特征峰的处理前的结果，通过图中散点我们很难得到精确具体的波数，所以我们通过洛伦兹拟合对 GaN 材料特征峰处理，拟合结果在图 3（b）中给出，提高了结果精度，能获得更为精确的波数。利用洛伦兹拟合对测量谱线进行处理，得到如图 4 所示的 GaNE2(H)温度校准曲线，拉曼位移与温度的相关系数为0.997，说明拉曼位移与温度呈现强的负相关线性关系，GaNE2(H)声子的温度依赖系数为0.0128cm1/，完成 GaN 器件热源区拉曼峰-温度系数标定，拟合曲线波数和温度的关系为：（T）=0.0128T+567.65。2060100140180220260564565566567568拉曼位移/cm1温度/k=0.012 8 cm1/R=0.997图 4 拉曼法测 GaN E2特征峰波数与温度的关系2.2 拉曼测试结果与红外测试结果的对比分析在器件的直流输出功率密度达到分别为 6、8、10W/mm 时，使用微区拉曼法和红外热成像法分别对器件沟道进行测温，如图 5 所示将不同功率下测试的结果进行洛伦兹拟合，得到对应的波束分别为565.8997、565.8796、565.8495cm1结合 GaNE2(H)声子温度依赖关系，求得基于拉曼光谱法的 GaN 器件沟道温度分布为 140.7、176.7、213.6。550555560565570575580585550555560565570575580550555560565570575580拉曼位移/cm16 W/mm强度8 W/mm(T3)=564.916 4 cm1(T2)=565.388 0 cm1(T1)=565.849 5 cm110 W/mm图 5 器件在不同功率密度下拉曼测试峰的洛伦兹拟合结果同时用红外热成像法测得对应的结温分别为132.0、160.2、189.8。不同功率下微区拉曼法和红外热成像法测温结果对比如图 6 所示，微区拉曼(a)扫描电镜照片(b)拉曼测试照片DrainSourceGate图 2 AlGaN/GaN HEMT 器件的微观结构照片强度550555560565570575580强度拉曼位移/cm1550555560565570575580拉曼位移/cm1(a)GaN 材料特征峰处理前(b)GaN 材料特征峰处理后原始曲线洛伦兹拟合曲线图 3 GaN 材料特征峰处理前与处理后16中国测试2024年3月法较红外热成像法有更高的测试精度，通过计算得到基于拉曼光谱法的 GaN 器件沟道温度测试精度相对红外法分别提升了 6.6%，10.3%和 12.5%，而且结温越高，微区拉曼法有更高的测试精度。67891013014015016017018019020021010.3%12.5%温度/功率密度/(Wmm1)拉曼测试结果红外测试结果6.6%图 6 拉曼法和红外法测温度随功率密度的变化结果对比2.3 拉曼测试深度方向的结果分析本文尝试探索了使用微区拉曼法对沟道深度方向的温度测量，首先进行温度标定，如图 7 所示，标定的关系为（T）=0.0106T+567.7。04080120160200240565566567568拉曼位移/cm1温度/k=0.010 6 cm1/R=0.994图 7 拉曼法测 GaN E2特征峰波数与温度的关系如图 8 所示然后将不同深度测试的结果进行洛伦兹拟合，得到深度 为 03m 的波数分别为565.8997、565.8796、565.8495、565.8094、565.8094、565.8897、565.8997cm1，代入计算可得温度分别为169.8、171.7、174.6、178.4、178.4、170.8、169.8。结果表明，在浅表面应下探的深度在 3m 以内时，GaNE2(H)特征峰测试较好，可有效进行沟道温度的拟合计算。因此，通过对浅表面应下探的深度 控制可有效实现对 GaN 器件深度方向沟道温度的测试。器件温度随距沟道表面的深度 的关系如图 9所示，测量结果显示沟道下 1.5m 和 2m 附近温度较高，这与器件的材料结构 GaN 层的厚度也比较吻合。550555560565570575580585550555560565570575580550555560565570575580550555560565570575580550555560565570575580550555560565570575580550555560565570575580拉曼位移/cm1(a)=01.5 m(b)=23 m拉曼位移/cm1强度强度(=1.5)=565.809 4 cm1(=1.0)=565.849 5 cm1(=0.5)=565.879 6 cm1(=0)=565.899 7 cm1(=3.0)=565.899 7 cm1(=2.5)=565.889 7 cm1(=2.0)=565.809 4 cm1=1.5 m=1.0 m=0.5 m=0 m=3.0 m=2.5 m=2.0 m图 8 测量距器件沟道表面不同深度的拉曼波数洛伦兹拟合结果00.51.01.52.02.53.0155160165170175180185190温度/距沟道表面深度/m图 9 拉曼法测温度随沟道深度方向距离变化关系第50卷第3期王瑞泽，等：基于微区拉曼法的 AlGaN/GaNHEMT 沟道温度测试研究173 结束语在本文中，使用微区拉曼法测量多指栅 AlGaN/GaNHEMT 器件的沟道温度。使用 HoribaHR800拉曼系统测量 GaN 材料的 E2声子频率特征峰来确定沟道温度。通过使用洛伦兹拟合方法，提高拉曼测试结果精度。对微区拉曼法和红外热成像法测量器件结温进行量化研究，器件的直流输出功率密度分别为 6、8、10W/mm 时基于拉曼光谱法测得的GaN 器件沟道温度分布为 140.7、176.7、213.6；基于红外热成像法测得的温度分布为 132.0、160.2、189.8。其测试精度相对红外法分别提升 6.6%，10.3%和 12.5%，微区拉曼法有更高的空间分辨率；同时尝试探索沟道深度方向的温度测量，实现沟道下 3m 的温度测量，测量结果显示沟道下 1.5m附近温度最高，这与器件的材料结构 GaN 层的厚度也比较吻合，验证拉曼测试的精准度，对器件结温的测量与评估以及热管理技术的提升都有重要意义。参考文献 LIUC,CHOREF,TANLS.Enhanceddeviceperformanceof AlGaN/GaN 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