AlGaN/GaN HEMT微秒级瞬态热分析——基于TTI瞬态反射率热成像技术

日期：2026-03-18

AlGaN/GaN HEMT微秒级瞬态热分析——基于TTI瞬态反射率热成像技术

在高功率密度半导体器件领域，AlGaN/GaN HEMT因其优异的击穿特性与开关性能，在射频器件及电力电子领域展现出巨大的潜力。然而，在高压、大电流脉冲条件下，器件栅极区域常出现快速而剧烈的局部自发热现象，可能引发性能衰退，甚至是永久性退化。因此，理解并控制器件沟道内部温度分布对提升可靠性和延长使用寿命至关重要。瞬态反射率热成像技术（Transient Thermoreflectance Imaging, TTI）能够在脉冲偏置条件下实现GaN HEMT表面温度瞬态测量的热表征方法。

在本期分享的论文《Monitoring the Transient Thermal Response of AlGaN/GaN HEMTs using Transient Thermoreflectance Imaging》中，研究团队使用SanjSCOPE NT220瞬态反射率热成像技术(TTI）监测AlGaN/GaN HEMT器件的瞬态温度响应，并与栅极电阻热测试结果(Gate Resistance Thermometry, GRT)进行对照，验证TTI测试方法的准确性，证明该技术适用于脉冲条件下GaN HEMT的热特性表征，为GaN器件热分析提供了新的解决方案。

实验方法与被测器件

测试对象

测试对象为SiC衬底的AlGaN/GaN HEMT六指型器件，栅宽370μm。使用 SanSCOPE NT220设备进行瞬态反射率热成像测试。

测试条件

-20 V、400μs脉冲
-占空比：10% ~ 40%
-LED脉冲宽度：6.5 μs
-温度采样间隔：8 μs（10 ~ 270μs期间）

实验结果

1. 栅极区域局部发热的瞬态成像

实验分别在脉冲开始（约 15 μs）与脉冲中后段（约 167 μs）采集温度图像，结果显示：

-栅极区域清晰呈现局部焦耳热效应
-整个脉冲周期内器件的峰值温度上升，连续分布于栅极金属区域
-热量沿沟道扩散，沿沟道方向出现温度梯度
-源极与漏极温升最小

图1，6×370 μm GaN HEMT的瞬态反射率CCD成像。漏极施加20 V偏压，占空比40%，持续400 μs。图像分别在LED脉冲延迟为(a)15.2 μs和()167.2 μs时采集。通过栅极宽度方向上出现的最大温升，可清晰识别局部焦耳热效应的区域。

结果直观呈现出脉冲偏置下器件热点的快速形成与扩散过程。

2. 验证TTI 与GRT瞬态温度曲线的一致性

研究团队将 TTI 得到的栅极区域表面温升曲线与栅极电阻测试的 GRT 结果进行了对比，发现：

-TTI与GRT测试结果在不同占空比下温升曲线吻合
-验证了TTI所标定的系数及热成像方法准确可靠

图2，采用GRT（实线）与TTI（圆点）测得的GaN HEMT在400μs周期内不同占空比下的瞬态热响应

3. 整个器件的温度分布

图3展示了 25% 占空比条件下整个器件的热成像图，脉冲工作期间的最大温升约为35°C，该结果与图2所示瞬态温度响应曲线匹配良好。

图3，6×370 μm GaN HEMT的瞬态反射率CCD成像。漏极施加20 V偏压，占空比25%，持续时间400 μs。图像采集时LED脉冲延迟为110 μs。

4. 器件不同区域的瞬态温度曲线对比

探究团队进一步测量了栅极、沟道、漏极和源极温度随时间变化的曲线：

-栅极表面温升最高，约 40 K
-沟道表面温升较低，约 25 K
-栅极和沟道的差异源于钝化层厚度不同
-漏极和源极由于距离热点最远，温度最低

论文通过瞬态热反射成像技术，成功监测了 AlGaN/GaN HEMT 在脉冲偏置下的瞬态热响应，并通过栅极电阻测试方法验证了实验的准确性。研究不仅展示了 TTI瞬态反射率热成像技术在 GaN 器件热分析中的优势，也为理解器件内部复杂的热瞬态变化提供了新的研究手段，为器件结构设计、散热优化与可靠性研究提供数据支撑。

如您想了解实验细节和反射率-温度系数标定方法，请点击下方链接, 查看论文原文。

http://www.simu-cad.com/down-1948.aspx

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参老文献

[1] G. Pavlidis and S. Graham, “Monitoring the transient thermal response of AlGaN/GaN HEMTs using transient thermoreflectance imaging,” Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA.

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