GaN基微波功率器件有源层与异质界面微区瞬态温升特性研究

GaN-based microwave power transistors show excellent performance in radar, communication and other related fields. However, active region temperature changes sharply to 200℃ within 1 microsecond under high-frequency and high-power pulse. And the hetero-interface between the GaN layer and the substrate material lead to additional interface temperature rise exceed 100 ℃. So, it is an important factor related with performance reliability and lifetime. The project intends to slove the problem of the existing technology for nanosecond scale transient temperature rise and hetero-interface micro-region thermal resistance measurements，and realizing GaN active layer temperature rise process real-time measurement by designing a test chip; studying the nanosecond scale transient temperature characteristics under high-frequency power pulse. Proposing a new method to obtain micro-region temperature rise and thermal resistance between GaN layer and substrate interface based on nanosecond transient temperature rise curve, exploring the method to determine hetero-interface defect density, and establishing the hetero-interface additional temperature rise and defect density relationship model. Studying the relationship between the device temperature rise and reliability, explaining the internal mechanism of temperature sudden changes' impact on device electrical characteristics parameters, and establishing the transient temperature dependence model of device electrical parameters. On the foundation of the above study, developing the thermal reliablility design solution to solve the key issues of performance optimization design for GaN-based microwave power transistors.

GaN基微波功率器件在雷达、通信等领域表现出卓越的性能。然而，高频功率脉冲作用下有源区温度骤变，1微秒时间内可达200℃，加之GaN层与衬底材料之间的异质界面可引起100℃以上的附加温升，成为严重影响其性能可靠性和使用寿命的关键因素。本项目拟通过设计测试芯片结构，解决现有技术在纳秒量级瞬态温升测量，以及微区异质界面热阻研究上存在的问题，实现GaN有源层温度上升过程的实时测量，以研究高频功率脉冲冲击下纳秒级瞬态温度特性；提出基于纳秒级瞬态温升曲线获取GaN层与异质衬底界面微区附加温升和热阻的新方法，探索确定异质界面缺陷密度的方法，并由此建立异质界面附加温升和缺陷密度关系模型；研究器件温升对可靠性的影响，阐明温度骤升对器件电学特性参数影响的内在机理，建立器件电学参数瞬态温度依赖模型。在上述研究的基础上，探索器件热可靠性设计方案，解决GaN基微波功率器件性能优化设计的关键问题。

GaN基微波功率器件因在大功率条件下应用导致其自热效应尤为突出， 由此引发的温度应力对器件的反复冲击形成了对器件可靠性的严峻挑战。北京工业大学新型半导体器件及可靠性实验室在为其四年的研究时间里，利用专门的特制GaN样品深入地研究了器件级的热传导特性，二维面电子气的热输运特性及相关器件可靠性问题，并建立了横向器件级、纵向材料级的热传输特性研究方法及理论。本项目完成了预期的特制样品的设计与制备，实现了器件级有源区热特性传输特性的测量与研究，完成了器件温度对沟道电流影响的研究并提出了一种利用沟道电流测温的方法。通过对比器件热源区不同的加热条件包括功率大小、脉宽、频率等研究了多器件耦合时工作期间对周边环境施加的温度应力，并由此提出了器件最大寿命的工作方案及改进建议。此外，项目利用相应的RC网络构建技术拓展性地研究了GaN基宽带隙功率器件中的陷阱效应，实现了对器件级陷阱及缺陷的物理空间定位，陷阱时间常数的提取及相应能级的测量，可以定量表征器件中的陷阱效应对输出电流的影响程度。该项目完成了预期的研究任务目标与内容，并拓展性地运用了RC网络及峰值谱构建技术，对相关的器件制备和工作状态提出了提升可靠性的办法。