Comparison between thermal characterization methods for gallium nitride high-power hyperfrequency transistors

Les composants HEMTs (High Electron Mobility Transistors) à base d’AlGaN/GaN sont à ce jour les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance, dû essentiellement à leur forte densité de porteurs et des mobilités électroniques élevées. Cependant, la température générée en condition réelle est un paramètre capital à mesurer, afin d’estimer précisément la fiabilité des composants et leur durée de vie. Pour ces raisons, nous avons comparé les méthodes de caractérisation thermique par thermoréflectance et par spectroscopie Raman car elles sont non destructives et avec une résolution spatiale submicronique. Ces techniques ont déjà prouvé leur faisabilité pour la caractérisation thermique des transistors, en modes de fonctionnement continu et pulsé. Nous comparons dans cette étude leurs adaptabilité et performance dans le cadre de la réalisation d’un banc d’essai thermique dédié. Ces méthodes sont reconnues pour ne caractériser que certaines catégories de matériaux : les métaux pour la thermoréflectance et les semiconducteurs pour la spectroscopie Raman, ce qui nous a conduit à l’éventualité de les combiner. Nous avons confronté des résultats obtenus par thermoréflectance à partir des équipements de deux fabricants commercialisant cette méthode, nous permettant ainsi de mettre en évidence des résultats originaux sur des aspects et inconvénients qui ne sont pas relayés dans la littérature. Avec la spectroscopie Raman, nous avons identifié les paramètres de métrologie qui permettent de réaliser un protocole de mesure thermique le plus répétable possible, et nous présentons également une technique innovante pour sonder les matériaux en surface, à l'aide du même équipement, et notamment les métaux.At the moment, AlGaN/GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are the most promising for high-power hyperfrequency applications, essentially due to their large carrier density and a high electronic mobility. However, the temperature generating during operational conditions is a crucial parameter to measure, in order to estimate the reliability and durability of components. For these reasons, we compared thermoreflectance and Raman spectroscopy, that are non-destructive and possessing a submicronic spatial resolution. These techniques have already proven their feasibility as thermal characterization methods in both continuous wave and pulsed operational modes. We compare here their adaptability and performance to the conception of a thermal test bench. These methods are known for characterizing specific types of material: metals for thermoreflectance and semiconductors for Raman spectroscopy, leading us to the eventuality to combine them. We compared several results measured by thermoreflectance method with equipment from two different manufacturers that commercialize this technology, so we could highlight some aspects and drawbacks that are note relayed in the literature. With Raman spectroscopy, we identified metrology parameters allowing to realize a thermal measurement setup as reproducible as possible, and we also present an innovative method to probe surface material, especially metals

Comparaison de méthodes de caractérisation thermique de transistors de puissance hyperfréquence de la filière nitrure de gallium

At the moment, AlGaN/GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are the most promising for high-power hyperfrequency applications, essentially due to their large carrier density and a high electronic mobility. However, the temperature generating during operational conditions is a crucial parameter to measure, in order to estimate the reliability and durability of components. For these reasons, we compared thermoreflectance and Raman spectroscopy, that are non-destructive and possessing a submicronic spatial resolution. These techniques have already proven their feasibility as thermal characterization methods in both continuous wave and pulsed operational modes. We compare here their adaptability and performance to the conception of a thermal test bench. These methods are known for characterizing specific types of material: metals for thermoreflectance and semiconductors for Raman spectroscopy, leading us to the eventuality to combine them. We compared several results measured by thermoreflectance method with equipment from two different manufacturers that commercialize this technology, so we could highlight some aspects and drawbacks that are note relayed in the literature. With Raman spectroscopy, we identified metrology parameters allowing to realize a thermal measurement setup as reproducible as possible, and we also present an innovative method to probe surface material, especially metals.Les composants HEMTs (High Electron Mobility Transistors) à base d’AlGaN/GaN sont à ce jour les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance, dû essentiellement à leur forte densité de porteurs et des mobilités électroniques élevées. Cependant, la température générée en condition réelle est un paramètre capital à mesurer, afin d’estimer précisément la fiabilité des composants et leur durée de vie. Pour ces raisons, nous avons comparé les méthodes de caractérisation thermique par thermoréflectance et par spectroscopie Raman car elles sont non destructives et avec une résolution spatiale submicronique. Ces techniques ont déjà prouvé leur faisabilité pour la caractérisation thermique des transistors, en modes de fonctionnement continu et pulsé. Nous comparons dans cette étude leurs adaptabilité et performance dans le cadre de la réalisation d’un banc d’essai thermique dédié. Ces méthodes sont reconnues pour ne caractériser que certaines catégories de matériaux : les métaux pour la thermoréflectance et les semiconducteurs pour la spectroscopie Raman, ce qui nous a conduit à l’éventualité de les combiner. Nous avons confronté des résultats obtenus par thermoréflectance à partir des équipements de deux fabricants commercialisant cette méthode, nous permettant ainsi de mettre en évidence des résultats originaux sur des aspects et inconvénients qui ne sont pas relayés dans la littérature. Avec la spectroscopie Raman, nous avons identifié les paramètres de métrologie qui permettent de réaliser un protocole de mesure thermique le plus répétable possible, et nous présentons également une technique innovante pour sonder les matériaux en surface, à l'aide du même équipement, et notamment les métaux

Utilisations possibles d’un spectromètre Raman pour la caractérisation de HEMTs à base de GaN

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Determination of AlGaN/GaN power transistor junction temperature for radar applications

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Analyse Thermique de Transistors AlInN/GaN avec des Micro-Thermomètres Raman à base de TiO2 et de CeO2

National audienceL’objectif de cette étude était de déterminer la température de fonctionnement de transistors AlInN/GaN par spectroscopie Raman. Afin d’estimer à la fois la température volumique et surfacique du GaN et des électrodes métalliques, nous avons combiné les possibilités offertes par la spectroscopie micro-Raman classique avec celles offertes par l’utilisation de micro-thermomètres à base de CeO2 et de TiO2 déposés sur le composant. Ainsi, nous avons montré que la température d’auto-échauffement surfacique du GaN mesurée grâce aux microparticules est de l’ordre de 200 °C alors que la température volumique de la couche de GaN est d’environ 150 °C pour une densité linéique de puissance dissipée de 9 W/mm. L’étude nous a permis d’analyser les avantages et les inconvénients de chacun des micro-thermomètres

Determination of the self-heating temperature of AlGaN/GaN HEMTs in radar operation

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Utilisation de micro-thermomètres Raman pour la mesure de la température d’échauffement de transistors de la filière GaN

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Utilisation de micro-thermomètres Raman pour la mesure de la température d’échauffement de transistors de la filière GaN

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Utilisation de micro-thermomètres Raman pour la mesure de la température d’échauffement de transistors de la filière GaN

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Innovative submicron thermal characterization method for AlGaN/GaN power HEMTs with hyperspectral thermoreflectance imaging

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