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TechnicalFeature 技术特写

图4(a)：SiC基板上方厚度约为2微米的GaN层温度场。 图4(b)：栅极上方的表面温度。

性。图2显示了典型的器件级FEA热模型。 表1
建模与测量热生成和热消散时， FEA温度解决方案与红外测量、分辨率误差
选择适当的边界条件并理解这些条件假
尺寸 真正的最高温度 红外测量的表面温度
设的影响很重要。一般而言，会针对温 测量主体或区域 (μm x μm) 像素排列至热点 (℃) (℃)
度和热消散边界条件做出不实际或不恰
当的假设。不实际的预测和测量经常会 仿真 GaN 器件 - - 204.3 -
导致产品设计在数据手册中显示工作良 表面区域 #1 2.5×2.5 居中 - 195.9
好，但在应用中会出故障。 表面区域 #2 2.5×2.5 偏移 - 189.1
最后，简化FEA模型以显示红外显 表面区域 #3 5.0×5.0 居中 - 188.3
微镜能够解析的低分图像，及其综合值 表面区域 #4 5.0×5.0 偏移 - 183.0
较低的测量结果。然后，将这个经过修
改的模型与红外显微镜测量结果进行比 间分辨率理论极限值可通过瑞利分辨率 在通道下方施加典型的GaN器件容积
较，以便对过失误差进行实证检查。 准则计算得出： 热载荷，得到的3D温度场如图4(a)的等高
0.61λ 线所示，相应的表面温度如图4(b)所示。
使用配备GaN器件的红外显微镜 D = N.A. 仿真期间记录的峰值温度为
红外显微镜通过寻找半导体器件中 D=可解析目标之间的距离 204℃，位于GaN通道中点（对此半模
的热点来确定故障位置。但是，热特性 λ=波长（MWIR 为 3-5µm） 型为x=0）。该条件发生在基板表面下
中的红外应用受到空间分辨率不兼容的 N.A.=数值孔径（不得超过1，通常 方，无法通过红外热成像显现。
限制。红外显微镜无法解析GaN晶体管 在应用中接近0.9） 表1列出了红外显微镜（空间分辨
活跃面积那样小尺寸的点。因此，红外 得出的结果是尺寸约2.5μm的点的理 率极限值为技术样例）记录的表面区域
测量需对温度较低的非活跃区域和要测 论下限。由于当今的GaN几何尺寸小一个 的最高温度和平均温度。这些表面区域
量的活跃区域进行平均计算。换言之， 数量级，所以无法解析峰值通道温度。 如图5(a)到5(d)所示。
假设对仅有0.25µm宽度的区域进行红外 为了演示测量GaN器件时红外分辨 在这个理想示例中，使用红外热成
测量，则测得的温度读数可能比该区域 率限制的影响，构建了一个GaN器件的 像来对通道上方的2.5µm×2.5µm 表面
的峰值温度低25%。分立式GaN晶体管 半对称有限元模型。假设该模型对于 y 区域成像（具有代表性的红外分辨率限
的红外图示例如图3。 轴左右对称。该仿真将器件置于0.040英 制），得到的测量值低估了峰值通道温
典型的红外显微镜采集中波红外 寸厚的铜钨合金基板上，并贴装AuSn裸 度，低估值为8-15℃。偏移范围是由于
（MWIR）频谱光线。MWIR测量的空 片。在CuW 基板上施加85℃边界条件。 无法精确对齐通道最热区域顶部的一个

图5(a) 表面区域#1：宽度=2.5微米（通道最热部分居中）。 图5(b) 表面区域#2：宽度=2.5微米（x和y偏移）。

图5(c) 表面区域#3：宽度=5微米（通道最热部分居中）。 图5(d) 表面区域#4：宽度=5微米（x和y偏移）。

46 Microwave Journal China 微波杂志 May/Jun 2018