Горячие носители провоцируют скрытый перегрев в канале СВЧ-транзисторов при стабильной температуре корпуса

Мощные СВЧ-транзисторы на основе нитрида галлия выглядят спокойными снаружи. Корпус держит комфортные сорок-пятьдесят градусов, система охлаждения работает штатно, а прибор вдруг начинает терять усиление и мощность. Виноваты не видимые поломки и не плохой теплоотвод. Всё дело в электронах, которые внутри канала разогреваются до тысяч кельвинов и создают крошечное тепловое пятно размером в доли микрометра. Этот эффект горячих носителей давно известен разработчикам GaN HEMT, но до сих пор заставляет переосмысливать привычные подходы к тепловому моделированию и тестированию.

Физическая основа явления горячих носителей

В двумерном электронном газе под затвором электрическое поле достигает значений в сотни киловольт на сантиметр. За время порядка пикосекунды электрон набирает энергию, значительно превышающую тепловую энергию решетки. Его эффективная температура T_e легко переваливает за тысячу-две тысячи кельвинов, а в пиковых случаях, по результатам моделирования, может доходить до десятков тысяч кельвинов при напряжении сток-исток около тридцати вольт. При этом решетка остается относительно холодной. Носители перестают находиться в равновесии с кристаллом. Их движение описывается уже не классической дрейфовой скоростью, а гидродинамической моделью, где учитывается всплеск скорости и последующий сброс энергии.

Ключевую роль играет взаимодействие с продольными оптическими фононами. В нитриде галлия энергия этих фононов ħω_LO составляет примерно девяносто два миллиэлектронвольта. Электрон испускает такой фонон очень быстро, за время меньше пикосекунды. Однако распад фонона на акустические пары идет гораздо медленнее, от нескольких десятков фемтосекунд до нескольких пикосекунд. Возникает так называемый bottleneck горячих фононов. Неравновесная популяция LO-фононов накапливается в крошечной области у края затвора со стороны стока и передает энергию решетке именно там, где нужно меньше всего.

Как формируется локальное тепловое пятно

Тепловыделение сосредоточено в слое толщиной десять-двадцать нанометров и длиной около половины микрометра. Плотность рассеиваемой мощности в этой зоне легко превышает десять ватт на миллиметр ширины затвора. Если выразить это через локальную плотность тока J и напряженность поля E, то удельная мощность q = J · E достигает гигантских значений в сотни гигаватт на кубический сантиметр. Именно поэтому даже при общей рассеиваемой мощности в несколько ватт на кристалле температура решетки в горячей точке поднимается на сто пятьдесят-двести градусов выше температуры подложки.

В классических HEMT горячая точка сидит прямо у края затвора со стороны стока. В структурах с полевыми пластинами или двойным каналом домен сильного поля смещается, тепловыделение распределяется на большую площадь. Пиковая температура падает на двадцать-двадцать пять процентов. Разработчики, которые внедряют такие решения, замечают, что прибор выдерживает большую входную мощность, а характеристики держатся стабильнее.

Механизм неравновесного переноса энергии от электронов к решетке

Горячие носители теряют энергию преимущественно через испускание оптических фононов. Среднее время релаксации энергии τ_e в GaN лежит в диапазоне от сотен фемтосекунд до единиц пикосекунд в зависимости от поля и плотности электронов. Баланс энергии выглядит примерно так: мощность, получаемая от поля, равна мощности, отдаваемой фононам. В упрощенном виде это записывается как e v_d E = (⟨E⟩ - E_0) / τ_e, где v_d дрейфовая скорость, ⟨E⟩ средняя энергия носителя, E_0 равновесная энергия. Когда τ_e растет из-за bottleneck, температура решетки в локальной зоне взлетает быстрее, чем ожидалось.

Этот процесс особенно ярко проявляется в импульсных режимах радаров и усилителей базовых станций. За время импульса в несколько микросекунд канал успевает сильно нагреться, а корпус почти нет.

Почему температура корпуса почти не меняется

Корпус и подложка обладают большой тепловой массой и площадью. Тепло от нанометрового пятна должно пройти через барьер AlGaN толщиной двадцать-тридцать нанометров, буферный GaN в один-два микрометра, подложку карбида кремния в сотни микрометров, припой и основание. Каждое из этих слоев добавляет свое тепловое сопротивление. Общее R_th от канала до корпуса обычно лежит в диапазоне от пяти до пятнадцати градусов на ватт в зависимости от конструкции. Пока средняя мощность не слишком высока, а пауза между импульсами достаточна, корпус нагревается всего на единицы градусов.

Инженеры часто сталкиваются с парадоксом. Термопара на корпусе показывает норму, а измерения S-параметров или мощности выдают деградацию. Именно здесь эффект горячих носителей и проявляет себя во всей красе: он греет не корпус, а сам канал.

Влияние скрытого перегрева на характеристики и срок службы

Локальный рост температуры сразу снижает подвижность носителей. В GaN зависимость почти линейная: каждые сто градусов дают падение подвижности примерно на двадцать процентов. Ток стока и коэффициент усиления уменьшаются. Кроме того, горячие электроны с энергией выше барьера могут инжектироваться в барьерный слой, захватываться ловушками и создавать новые дефекты. Со временем это приводит к токовому коллапсу и дрейфу порогового напряжения.

В непрерывном режиме картина еще жестче. Постоянное тепловое пятно ускоряет все процессы деградации. Именно поэтому для приборов пятого и шестого поколений разработчики вынуждены моделировать не только электрику, но и неравновесный перенос энергии от электронов к решетке с точностью до десятков нанометров.

Методы обнаружения и способы борьбы с эффектом

Обычная инфракрасная термография здесь почти бесполезна, она усредняет картину. Микро-Рамановская спектроскопия дает прямой доступ к температуре решетки по сдвигу пика E2-фонона. Электролюминесценция ловит свечение горячих носителей в видимом диапазоне. Электрический метод использует сравнение импульсных и постоянных характеристик: по изменению тока при разной длительности импульсов рассчитывают мгновенную температуру канала.

Борьба идет по нескольким направлениям одновременно. Полевые пластины снижают пиковую напряженность поля. Подложки из карбида кремния с теплопроводностью втрое выше сапфира отводят тепло быстрее. Дополнительные барьерные слои удерживают носители в центре канала. Алмазные покрытия сверху канала или тепловые интерфейсы тоже дают заметный выигрыш. Когда все эти приемы работают вместе, удельная мощность растет на двадцать-тридцать процентов без риска скрытого перегрева.

Понимание эффекта горячих носителей меняет сам подход к проектированию. Разработчики перестают смотреть только на среднюю температуру корпуса и начинают учитывать мгновенную картину в канале. В результате приборы получаются не просто холоднее снаружи, а действительно устойчивее внутри. Именно этот запас прочности сегодня решает, сможет ли усилитель выдержать требуемый режим в реальной аппаратуре год за годом.