本文是一篇关于高功率微波脉冲作用下GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）热电多物理场耦合失效的实验研究。文章由Xiangdong Li等人撰写，发表在2023年11月的《IEEE Transactions on Electron Devices》上。文章通过实验研究了在高功率微波脉冲应力下GaN HEMT的热电多物理场耦合失效现象，并提出了相应的测试和测量方法。
摘要（Abstract）
恶劣的电磁环境对GaN HEMT的可靠性和安全运行构成威胁。为了解决这一问题，作者提出了一种在高功率微波（HPM）脉冲应力下对GaN HEMT进行瞬态热响应测试和表面电场分布测量的方法。研究发现，在低功率HPM注入时，最高温度出现在靠近栅极侧的栅极-漏极接触区域；而当HPM注入功率接近破坏阈值时，一个明显的热点出现在栅极-源极接触区域的栅极边缘，即微波信号的输入端。这一发现表明，是热电多物理场耦合而不是单纯的热烧毁导致了设备在HPM脉冲应力下的失效。这些发现对于预测损伤位置和提高复杂电磁环境下的可靠性设计具有重要意义。
引言（Introduction）
引言部分详细介绍了GaN HEMT在射频和微波应用中的广泛采用，以及随着无线通信、雷达和脉冲功率电子技术的快速发展，HEMT面临的电磁环境变得越来越恶劣，可能触发致命故障。文章回顾了相关研究，包括HPM对射频和微波设备损伤效应的研究，以及GaN HEMT在HPM脉冲应力下的失效机制。作者指出，尽管已有一些关于HPM损伤效应的文献，但GaN HEMT在HPM脉冲应力下的失效机制仍不明确，且通常基于模拟分析。因此，迫切需要先进的热电多物理测量来揭示GaN HEMT在HPM脉冲应力下的根失败机制。
设备结构和射频性能（Device Structure and RF Performance）
本节介绍了实验中使用的商业GaN HEMT的结构和射频性能参数。作者详细描述了DUT（被测设备）的物理结构，包括栅极长度、栅极间距、总宽度等，并提供了最大额定电压、最大电流、栅极阈值电压等参数。此外，还展示了DUT的示意图、扫描电子显微镜（SEM）图像以及在HPM注入期间的增益、输出功率和最大功率附加效率（PAE）曲线。
高功率微波脉冲应力下GaN HEMT的瞬态热响应和表面电场分布测量方法（Transient Thermal Response and Surface Electric Field Distribution Measurement Methods of GaN HEMTS Under HPM Pulse Stress）
这一部分详细描述了用于测量GaN HEMT在HPM脉冲应力下的瞬态热响应和表面电场分布的实验方法。作者首先介绍了瞬态热响应测量方法，包括使用热反射成像（TTI）系统进行高精度温度测量的原理和步骤。接着，介绍了表面电场分布测量方法，即使用LANGER电场探针在GaN HEMT表面进行电场扫描的过程。
实验结果与讨论（Experimental Results and Discussion）
本节展示了GaN HEMT在HPM应力下的实验结果，并进行了分析讨论。作者首先展示了HPM应力前后设备电气特性的退化情况，包括饱和漏极电流的减小和阈值电压的正向偏移。通过测量HPM注入期间的栅极电流，作者观察到在接近破坏阈值时电流的显著变化。此外，还分析了瞬态温度响应和表面电场分布，发现在不同注入功率下，热点位置的变化。实验结果显示，在低功率HPM注入时，热点位于栅极-漏极接触区域；而在高功率HPM注入时，热点转移到栅极-源极接触区域的栅极边缘。通过电场扫描，验证了热电多物理场耦合是导致设备失效的原因。
结论（Conclusion）
结论部分总结了整个研究的主要发现。作者指出，通过先进的表征方法，包括瞬态热成像测试和表面电场测量，研究了GaN HEMT在HPM注入下的失效机制。研究结果表明，随着注入功率的增加，热点位置从栅极-漏极接触区域转移到栅极-源极接触区域的栅极边缘。这些发现对于定位故障点和在未来复杂电磁环境中保护GaN HEMT具有重要意义。