氮化镓晶片和电子器件热阻的研究

近年来,以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体获得了广泛的研究、开发与应用。受益于禁带宽度大和击穿场强高等优越的电学特性,基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)成为了高功率,高频率放大器的理想选择。但是,随着器件功率密度的不断提高,栅极附近的焦耳自生热效应愈发明显。过高的结温会限制器件的峰值功率密度并降低器件可靠性。因此GaN HEMT的热管理问题日益凸显。对于GaN HEMT来讲,GaN外延层和衬底之间的有效界面热阻(TBR_(eff))主导了器件内部的热扩散过程,因此通过实验来表征TBR_(eff)至关重要。目前可用于测量TBR_(eff)的方法包括时域热反射(TDTR),拉曼热成像等,但是它们在测量前需要对样品镀金属换能层或者需要加工器件等预处理,增加了测量成本和周期,同时引入了测量的不准确度。在这项工作中,为了解决上述测量方法中存在的问题,我们开发了一种快速且非破坏性的光学表征方法,在晶片的级别上来测量GaN外延层和衬底之间的TBR_(eff),且无需对被测晶片进行额外的预处理。该方法是基于高频紫外激光的瞬态热反射法(TTR)。我们使用此方法已经成功地测量了GaN异质外延结构的热传输特性,包括GaN-on-SiC、GaN-on-diamond晶片的界面热阻;GaN-on-Si晶片中存在于GaN外延层与Si衬底之间应力缓冲层的热导率;以及在GaN上生长的新型纳米晶金刚石薄膜的有效热导率。此外,我们使用拉曼光谱法测量了工业级GaN HEMT工作在直流条件下的温度分布,并确定了每个器件的总热阻以及界面热阻。我们比较了不同栅极宽度或不同封装方式的GaN HEMT的热阻,展示了拉曼热成像与有限元器件热模拟相结合是研究GaN电子器件热阻的有效工具。结合基于紫外激光的瞬态热反射法,拉曼热成像法和有限元热模拟,我们建立了一套完整的针对GaN晶片和电子器件热输运性质的表征和研究方案。