原创 武大-中国科大团队演示了GaN器件的新型温度监测技术

基于多波长激光的瞬态热反射技术可对GaN器件进行准确、实时的沟道温度监测

武汉大学（WHU）、中国科学技术大学（USTC）、工业和信息化部电子第五研究所（CEPREI）的研究人员为GaN HEMT开发了一种新型温度表征方法。

基于多波长激光的瞬态热反射（MWL-TTR）技术可同时实现亚微米级空间分辨率和纳秒级时间分辨率，从而解决大功率器件热管理中的关键难题。

GaN HEMT虽然对高频和大功率应用至关重要，但在极端工作条件下会出现局部自热，因此面临着严重的可靠性问题。

在追求GaN HEMT的准确温度表征时，现有方法面临着根本性限制。红外热成像与电学方法的空间分辨率有限。微拉曼热成像方法通常使用带隙以下的探测光源，因此会低估沟道温度。

商用热反射成像（TTI）技术通常使用365nm紫外LED来表征GaN HEMT的沟道温度。然而，这些LED会影响CCD曝光，导致时间分辨率限制于微秒级。此外，研究人员表示，紫外光会诱发光电流，而光电流对结温测试的影响一直被忽视。

此外，他们还指出，实现稳健的热反射系数（Cth）校准存在问题（由于材料反射率不均匀性、热膨胀效应和焦点偏移），导致测温精度受限。

基于多波长激光的瞬态热反射（MWL-TTR）技术使用不同波长来测量不同区域（金属接触、沟道等）的温度，如上图所示。

相较于商用热反射成像方法，使用更短的波长（320 nm）来监测沟道温度可使测试位置更加接近沟道表面的自热区域，测试误差优于±10%。测试的空间分辨率达到亚微米级，瞬态测试的时间分辨率达到纳秒级。

对320 nm激光诱导的光电流进行了定量研究，将光电流干扰降至<5%。此外，还采用了泵浦-探测瞬态热反射法（先前发表的论文：J. Appl. Phys., 134, 115102, 2023; Materials Today Physics, 42, 101367,2024.）进行Cth校准，为准确温度表征提供稳定可靠的Cth。

这项新技术成功映射了关键器件通路的热梯度。栅极长度方向扫描显示，栅极和漏极区域之间的温差超过24 K（变化>40%），而栅极宽度剖面显示，沟道温度比相邻金属接触高出10 K。瞬态测量以纳秒级分辨率捕捉了50 μs、100 μs和200 μs开关周期内的热动态，这对于分析在MHz-GHz频率下工作的GaN器件而言至关重要。

总之，该团队表示，基于多波长激光的瞬态热反射技术能够对瞬态和稳态下的GaN HEMT进行温度扫描成像，还能测量其他器件，如基于GaAs、Si、SiC、Ga2O3的器件。这一创新测量技术为微波射频系统和电力电子器件提供了关键的热表征能力，在这些领域中，精确的热监测直接影响着器件的可靠性和电路设计的优化。

此外，该技术与宽禁带半导体的兼容性和动态热分析能力将有助于为下一代电子器件改进制造工艺、研究失效机制、进行热感知设计。

参考文献

Yali Mao, Chao Yuan et al., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 40, No. 6, pp. 8648–8657 (2025)

来源：雅时化合物半导体

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