工作条件的结温变化规律进行分析，证明脉冲条件下器件各个位置的瞬时温度与平均温度呈线性关系；依据上述关系，采用各个位置的平均温度（高空间分辨率）对瞬态红外设备检测结果进行修正，有效提高瞬态红外设备检测GaN HEMT时的准确度。用有限元仿真结果验证上述方法的准确性。根据该方法，用高空间分辨率的显微红外测温结果对瞬态红外设备测温结果进行修正，实现2.8 μm空间分辨率的瞬态温度检测。该方法可以有效提高瞬态红外设备检测GaN HEMT结温结果的准确度。
关键词：热学；瞬态红外；结温；脉冲条件；空间分辨率
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）05-0020-06
Abstract： A method which utilizes a high spatial resolution technique to enhance the accuracy of IR thermal transient apparatus is hereby proposed to improve the accuracy of IR thermal transient apparatus for GaN HEMT junction temperature measurement. The law of how the junction temperature changes as a function of the pulse signal is analyzed， which proves the linear relationship between transient temperatures and time-averaged temperatures on every location； in line with such relationship， time-averaged temperatures on every location（high spatial resolution） is used for correcting the IR transient temperature results， the accuracy of IR thermal transient apparatus is improved effectively. Finite element simulation is performed to have the correctness of such the method verified. With such method， an IR Microscope with a high spatial resolution is used for correcting the results of IR transient thermal apparatus and the transient temperatures with a 2.8μm spatial resolution is obtained. This method is conducive to improving the accuracy of IR transient thermal apparatus effectively.
Keywords： thermology； IR transient thermal； junction temperature； pulsed conditions； spatial resolution
0 引 言
以氮化鎵高电子迁移率晶体管（GaN high electron mobility transistor，GaN HEMT）为代表的第3代半导体器件已经逐渐取代真空电子管和LDMOS成为雷达等重要通信装备和系统的重要电子器件。大功率应用下的GaN HEMT多工作在脉冲条件下，这样可以在实现大功率输出的情况下保持相对较低的结温。但是，由于GaN HEMT具有较强的自热效应，即使工作在脉冲条件下，在大功率应用中结温仍然会比较高。根据半导体器件可靠性理论，器件的结温与器件的性能及可靠性有着极为密切的联系，因此准确检测GaN HEMT在脉冲条件下的结温就显得非常重要。
目前，学术界已经有多种手段用于GaN HEMT脉冲工作结温检测和分析，如配备了高速探测器的红外显微镜（简称瞬态红外设备）[1]、高速拉曼测温仪[2-3]、可见光热反射测温仪[4-5]、有限元热仿真[6]等。在上述手段中，瞬态红外设备以其操作简单、速度快、成本低的优势广泛应用在微电子器件工业生产中，是目前国内唯一商用化的检测GaN HEMT脉冲结温特性的仪器。但是，随着GaN HEMT器件的崛起，瞬态红外设备的空间分辨率已经不能满足准确检测结温的需要。主要体现在：瞬态红外设备能够实现对被测器件的快速测温，满足测量脉冲条件下结温的需要，但是，其空间分辨率较低，最高只有15 μm（国内28.8 μm）[7-8]，输出结果是检测区域平均温度随时间的变化曲线，虽然具备较高的时间分辨能力，但是远远不能满足准确检测大功率GaN HEMT微米以及亚微米量级的发热结构的需求。为解决上述问题，提出一种采用高空间分辨率测温技术提高瞬态红外测温结果的空间分辨率的方法，在不改变瞬态红外设备硬件配置的条件下，运用数据处理的方法提高瞬态红外设备对GaN HEMT脉冲条件下结温特性检测的准确度。
1 方法研究
图1是文献[6]给出的GaN HEMT的结温特性，器件发热集中在1 μm甚至更小的区域，直接用瞬态红外设备测量，得到的必然是大区域的平均温度变化情况，会严重低估器件的峰值结温[9]。
相对于瞬态红外设备，显微红外测温法、液晶测温法等虽然速度较慢，不能满足测量脉冲条件结温的速度要求，但是具备较高的空间分辨率。以显微红外法为例，国内采用的显微红外热像仪帧频只有50帧/s，但是其最高像素分辨率为1.6 μm，最高空间分辨率为2.8 μm[8-9]，远高于瞬态红外设备。瞬态红外的探测区域等于显微红外18×18个像素构成的总探测区域。对于其他方法，也可以将瞬态红外设备测温区域分成若干小区域。这些小区域的温度随脉冲的变化情况，能够更加真实地反映器件的结温特性。
在脉冲工作条件下，假设可以建立起小区域随时间的平均温度（如显微红外2.8 μm空间分辨率测温结果）与大区域平均温度随时间变化数据（瞬态红外测温结果）之间的关系，就可以利用高空间分辨率的测温技术对瞬态红外测温结果进行修正，提高其空间分辨率从而提高其测量GaN HEMT微小发热区域的测温准确度。为此，首先需要分析脉冲工作条件下，GaN HEMT器件不同位置之间温度变化的联系。
1.1 提高瞬态红外设备测量GaN HEMT结温准确度的方法
1.1.1 脉冲条件下GaN HEMT不同位置之间温度变化关系的研究
GaN HEMT发热集中在栅下靠漏一侧的微小区域，其他区域都不产生热量。热量由这个区域向整个器件传导，导致器件的其他区域温度发生改变。由于微波功率器件结温检测过程中一般都是处于恒定壳温或热沉温度的条件下，近似认为属于一维热传导[10]，辐射散热和热对流散热可以忽略，此时，可以用傅里叶热传导理论来研究器件不同部位温度特性之间的关系。
上述理论推导证明，GaN HEMT器件不同位置、不同大小的区域在脉冲工作条件下的温度都服从一个规律：某一位置或区域在脉冲条件下任意时刻的温度与这一区域随时间的平均温度成线性关系。只要能够求解出这个线性关系，便可以用小区域平均温度和大区域的瞬时温度计算小区域的瞬时温度。在这个理论指导下，可以利用高空间分辨率测温仪器检测瞬态红外测温区域中小区域随时间的平均温度，再与瞬态红外设备测得的整个检测区域的温度随时间变化的数据进行运算，就可以得到小区域温度随时间变化的结果，相当于提高了瞬态红外设备检测结果的空间分辨力。
1.1.2 提高瞬态红外设备空间分辨率方法的实现
上述方法可以得到瞬态红外设备检测区域内各个小区域的脉冲工作结温数据，即提高了瞬态红外设备的空间分辨率，小区域的边长对应所采用的高空间分辨率检测仪器的空间分辨率。
在上述理论的指导下，编写数据处理软件，该软件采用LabVIEW平台进行开发，软件如图2所示。
1.2 有限元仿真
在多种脉冲条件-频率：1 kHz，占空比：10%、30%；频率：5 kHz，占空比：10%、30%；频率：10 kHz，占空比：10%，进行仿真。建立的仿真模型是一种典型的GaN器件结构，其材料特性均采用文献查到的典型值，如表1所示。该模型采用单栅结构，减少了建模的工作量，也降低了仿真时间，图3是构建的仿真模型。图4是仿真得到的温度分布图，其温度分布与GaN HEMT发热理论是一致的。
有限元仿真可以实现稳态和瞬态热仿真，既可以得到较大区域的脉冲工作温度（对应瞬态红外设备检测结果Tat）和较小区域对时间的平均温度（对应于高空间分辨率测温結果Ti），也可以得到小区域脉冲温度特性（标准值Tit）。
2 结果与讨论
将有限元仿真得到的Tat和Ti输入算法软件中，得到小区域脉冲温度结果Titx，将计算结果与仿真结果Tit相比较，可以验证算法的正确性。图5、图6给出了1 kHz，30%占空比下的比对结果，算法结果与仿真结果符合良好。
经过上述验证，采用本方法可以将瞬态红外设备的空间分辨率提高到与所用高空间分辨率测温技术同等的水平，在用于GaN HEMT脉冲工作结温检测时，得到的检测结果应同时高于瞬态红外设备测温结果与高空间分辨率测温设备的测温结果。用瞬态红外设备和2.8 μm空间分辨率的显微红外热像仪对某GaN HEMT进行了脉冲温度检测，并依据本文的方法进行了计算。选择峰值温度点数据进行对比，如图7所示，显微红外检测结果为89.5 ℃，瞬态红外检测结果最高为112.6 ℃，算法得到的检测结果最高为143.4 ℃，这与理论预期是一致的。这是由于算法得到的脉冲温度检测结果的空间分辨率为2.8 μm，远高于瞬态红外设备28.8 μm的技术指标，在检测发热区域较小的GaN HEMT时，高空间分辨率得到的结果高于低空间分辨率。
3 结束语
提出了利用高空间分辨率的温度检测技术提高瞬态红外设备空间分辨率的方法，有效提高了瞬态红外设备检测GaN HEMT脉冲条件下结温的准确度。经过有限元仿真验证，证明了该方法的有效性。依据该方法，利用高空间分辨率的显微红外热检测结果提高了瞬态红外设备检测GaN HEMT脉冲条件结温的准确度。
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（编辑：刘杨）