【氮化镓】AlGaN/GaN HEMTs沟道温度测量

文章是关于AlGaN/GaN HEMTs（高电子迁移率晶体管）在不同基底（如蓝宝石和硅）上生长时，通过直流（DC）特性方法确定沟道温度的研究。文章由J. Kuzmík, P. Javorka, A. Alam, M. Marso, M. Heuken, 和 P. Kordoˇs共同撰写，发表在2002年8月的《IEEE Transactions on Electron Devices》上，卷号为49，第8期。

摘要（Abstract）

文章首先提出了研究的背景，即AlGaN/GaN HEMTs因其出色的高频、功率和温度特性，非常适合用于高性能的电子设备。然而，随着温度的升高，HEMT的性能会下降，这主要是由于沟道的自加热效应。为了优化设备，研究在不同操作条件、不同基底材料和不同器件几何结构下的自加热效应非常重要。文章介绍了一种新的直流特性方法来确定沟道温度，并通过实验验证了这种方法的有效性。研究发现，对于在硅基底上生长的HEMT，其沟道温度上升速率比在蓝宝石基底上的要慢，表明硅基底更适合于高功率AlGaN/GaN HEMTs的应用。

引言（Introduction）

介绍了III-氮化物基器件的适用性，并指出了在高温下HEMT性能下降的问题。文章提到了自加热现象，即沟道被耗散的功率加热，这对于器件的优化至关重要。此外，文章还提到了一种技术创新，即用硅基底替代传统的蓝宝石基底，这不仅降低了成本，还因为硅的热导率高，有助于更好的设备冷却。

自热对晶体管直流性能的影响（Effect of Self-Heating on the Transistor DC Performance）

这一部分详细讨论了自加热对HEMT直流性能的影响。文章指出，当器件温度升高时，沟道中的低场电子迁移率会降低，从而导致源电阻（RS）增加。这种增加会改变源-栅极间的电位，导致电子传导路径被夹断，从而减少了源-漏饱和电流（Isat）。此外，文章还提到了电子饱和速度（vsat）和阈值电压（VT）随温度变化的问题，并提出了一个分析公式来描述这些变化。

实验（Experiment）

描述了用于研究的AlGaN/GaN HEMT结构的制备过程，包括在蓝宝石或硅晶片上生长的HEMT结构，以及它们的直流特性测量。文章展示了在高耗散功率水平下，饱和电流的明显下降，以及跨导（gm）随漏极电压（VD）的下降。此外，文章还测量了不同环境温度下的源电阻（RS）和阈值电压（VT），并使用多项式拟合得到了RS和VT随温度变化的关系。

结论（Conclusions）

总结了自加热效应在AlGaN/GaN HEMTs中的影响，并提出了一种新的沟道温度确定方法。通过实验，作者观察到输出特性中的负微分电阻伴随着HEMT的自加热效应。研究确认了在硅基底上生长的器件有更好的冷却效果，并且比在蓝宝石基底上的器件有更低的热阻。最后，文章还研究了不同栅长下HEMT的自加热效应，并验证了短栅结构的自加热效应更强。

图1: AlGaN/GaN HEMTs的输出和跨导特性

• 描述: 该图展示了在漏极电压（VD）为0 V时，AlGaN/GaN HEMTs的输出特性和跨导（gm）特性。
• 分析: 从图中可以看出，随着漏极电压的增加，饱和电流（Isat）出现明显下降，这表明了自加热效应对HEMT性能的影响。同时，跨导特性也显示出随着漏极电压的增加而降低，这进一步证实了自加热对晶体管性能的负面影响。 

  

图2: AlGaN/GaN HEMTs源电阻和阈值电压对环境温度的依赖性

• 描述: 该图展示了在不同环境温度下测量的AlGaN/GaN HEMTs的源电阻（RS）和阈值电压（VT）。
• 分析: 图中显示，无论是在蓝宝石还是硅基底上生长的HEMTs，源电阻RS都随着温度的升高而增加。对于蓝宝石基底的HEMTs，RS从室温的1.6 mΩ·mm增加到310°C时的8.57 mΩ·mm，而硅基底的HEMTs则从3.1 mΩ·mm增加到310°C时的8.57 mΩ·mm。此外，阈值电压VT对于蓝宝石基底的HEMTs几乎保持不变，而对于硅基底的HEMTs则随温度升高而增加。

图3: AlGaN/GaN HEMTs耗散功率到沟道温度的传递特性（针对硅和蓝宝石基底）

• 描述: 该图展示了不同基底上生长的AlGaN/GaN HEMTs在不同耗散功率下的沟道温度变化。
• 分析: 结果显示，对于在蓝宝石基底上生长的HEMTs，沟道温度上升得更快，当耗散功率达到6 W/mm时，温度可达320°C。相比之下，硅基底上的HEMTs在相同耗散功率下沟道温度仅为95°C，这表明硅基底具有更好的散热性能。

 

图4: 不同栅长AlGaN/GaN HEMTs耗散功率到沟道温度的传递特性

• 描述: 该图展示了不同栅长（0.25, 0.45, 和 0.65 μm）的AlGaN/GaN HEMTs在耗散功率变化下的沟道温度变化。
• 分析: 实验结果表明，栅长的长短对HEMT的自加热效应有显著影响。较短的栅长结构显示出更高的沟道温度，这与分析模型的预测一致，即较短的栅长结构散热更为困难。