一種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法
2023-06-01 17:24:11
一種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法
【專利摘要】一種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法涉及半導體器件測試領域。包括如下步驟：將被測器件放置於一溫度為T0恆溫平臺；被測器件的柵電極不進行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產生低電平VL，高電平為VH的階梯電壓；被測器件的源電極連接至採樣電阻的一端，採樣電阻阻值為R1；採樣電阻的另一端接地，並將一採樣頻率400MHz以上的高速數據採集器接入採樣電阻兩端，以採集漏電流IDS；通過計算可以得到得到被測器件不同部位的溫升。本發明技術可以應用於耗盡型，即常開型溝道器件等效功率下的瞬態溫升測量。測量方法簡單、準確，適用於電子器件的生產、可靠性和性能研究和器件開發領域。
【專利說明】 一種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件測試領域，主要應用於耗盡型(常開型溝道)場效應電晶體溝道瞬態溫度測量和熱阻的測量與分析。
【背景技術】
[0002]耗盡型場效應電晶體，如GaN基、GaAs基肖特基柵功率電晶體在微波功率領域有著出色的性能參數表現。然而，其有源區體積小、厚度薄、熱時間常數小、功率密度高，從而使得有源區溫度瞬態變化十分顯著。I微秒時間溫升變化可達100C。這將直接對器件性能參數，特別是使用壽命和可靠性帶來影響。由於外延層材料只有幾個微米，熱時間常數小，變化速度快，對器件瞬態特性影響嚴重。測量有源區瞬態溫升，對器件結構和性能優化有重要意義。現有光學測溫技術，只能給出器件的表面溫度，不能實現從有源區至恆溫平臺的熱阻構成。基於正向肖特性的電學參數法能很好給出器件熱阻構成，但由於器件柵極從反偏(工作狀態)至正偏(測量狀態)的切換時間延遲一般為微秒量級，會影響到瞬態變化的溫升測量精度。
[0003]本發明技術可以應用於耗盡型，即常開型溝道器件等效功率下的瞬態溫升測量。測量方法簡單、準確，適用於電子器件的生產、可靠性和性能研究和器件開發領域。
[0004]本發明方法的工作原理:
[0005]常開型場效應電晶體漏源之間是一個電阻。當柵極不加電極，漏源之間施加一個電壓脈衝時，漏源電流會迅速增加，然後由於電流電壓自升溫效應，隨著時間的增加，溫度升高，漏源電流會逐漸減少。當達到穩態後，漏源電流達到一個恆定值。可以通過漏源電流隨時間的變化過程，測量器件溝道中溫度隨時間的升溫過程。漏源電流的溫度校準實現過程是在一恆定溫度平臺上，溫度為Tl，在施加漏源電壓的瞬間，電流迅速增加至最高值。由於電流的上升時間遠小於熱時間常數，可以認為該電流是溫度為Tl時的電流值。再將溫度設置為T2、T3。。。等，從圖2中可見。該電流值隨溫度變化有很好的線性關係。通過該Ids溫度校準關係，可以得到Ids隨溫度變化的溫度係數。將該溫度係數用於對實際Ids的校準，即可得到溫度隨時間的變化曲線。
[0006]由於該方法直接測量漏源電流隨溫度的變化，因此可以得到納秒級的瞬態溫度變化。對於測量微米級外延層厚度的溫度變化尤為實用，有很好的先進性。
[0007]—種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法，其特徵在於包括如下步驟:
[0008]將被測器件放置於一溫度為TO恆溫平臺；被測器件的柵電極不進行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產生低電平'，高電平為Vh的階梯電壓；被測器件的源電極連接至採樣電阻的一端，採樣電阻阻值為Rl ;採樣電阻的另一端接地，並將一採樣頻率400MHz以上的高速數據採集器接入採樣電阻兩端，以採集漏電流Ids ；
[0009]設置低電壓'的目的是為了預先去除可能的界面態影響，而又不至於產生自升溫。[0010]當電壓源由低電平變為高電平的同時，啟動高速數據採集器，採集漏電極電壓到達Vh後的漏電極電流Ids (t)，當器件與恆溫平臺之間達到穩定狀態以後，漏電極電流不再發生變化，即達到穩態；電壓到達Vh的瞬間漏電極電流為IDS0，溫升引起漏電極電流隨時間變化的曲線:
[0011 ] Δ Ids (t) =Ids (t) -1dsO ；
[0012]通過設置恆溫平臺溫度來設定兩個溫度Tl、T2，分別採集兩個溫度下漏電極電壓到達Vh瞬間時的電流Ids2、Ids I，漏電極電流的溫度係數α ；
[0013]a=(IDS2-1DSl)/(T2-Tl)；
[0014]器件異質結瞬態溫升曲線厶丁⑴=^』-〗。)/^ JfAT(t)數據輸入至商業熱阻測試儀器(Analysis Tech公司Phasell熱阻分析儀)，或結構函數處理軟體，即得到器件不同部位的溫升；
[0015]本發明中，通過實時採集漏極電流的變化，實時測量溝道瞬態溫度。能夠實現實時、快捷、便利測量器件，尤其是對器件的溫升構成進行分析。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1(a)異質結 半導體晶片
[0017]圖1與(b)測試方法示意圖
[0018]ISiC襯底；2GaN層；3AlGaN層；4漏電極；5源電極；6柵電極；7Si3N4鈍化層8高速數據採集器
[0019]圖2溫度係數校準
[0020]圖3異質結半導體器件漏極電流下降與有源區溫升曲線圖；
[0021]圖4微分結構函數方法提取晶片內部各層溫升示意圖；
[0022]圖5微分結構函數方法提取晶片內部熱阻示意圖。
【具體實施方式】
[0023]選擇一單指AlGaN/GaN HEMT器件為待測器件，器件結構如圖1 (a)所示，I為400微米的SiC層，2為厚度為1.5微米的GaN層，3為25納米的AlGaN層。其漏極4和源極5之間的距離為4.5微米，源漏寬為100微米，6為柵電極，7為Si3N4鈍化層。
[0024]將器件置於恆溫平臺，使其與恆溫平臺接觸良好，器件電學連接如圖1(b)所示，柵電極6不進行任何外部連接，漏電極4接電壓源，電壓源能產生低電平0.01-0.1V，高電平為IOV的階梯電壓(電壓大小視器件額定電壓而定)，源極接一大小為I歐的採樣電阻，電阻另一端接地，並將採樣電阻與一 400MHz的高速數據採集器8連接，用來記錄漏極4和源極5之間的電流。
[0025]設置恆溫平臺溫度為20攝氏度，採集漏極電壓達到IOV的瞬間漏極4和源極5之間的電流Ids (20)，將恆溫平臺溫度從20調整到90攝氏度，每次調整幅度為10攝氏度，採用同樣的方式分別記錄漏極4 與源極5之間的正向壓降，恆溫平臺溫度為90攝氏度時電流為Ids (90)，通過線性擬合，即可得到溫度係數校準線，如圖2所示。計算出肖特基結溫度係數α:
[0026]a = (IDS (90) -1ds (20))) / (90-20)[0027]將恆溫平臺溫度設為20攝氏度，採集漏極電壓達到IOV的同時開始採集漏極與源極之間的電流IDS(t)，直到IDS(t)達到穩定狀態。利用α計算出漏極與源極之間的溫升AT隨時間變化曲線I,如圖3所示，
[0028]AT(t) = (IDS(t)-1DS(20))/a
[0029]利用結構函數方法，對溫升隨時間的變化曲線I進行處理，得到微分結構函數曲線2，如圖4所示，圖中各個峰值對應熱量傳輸通道上各個層的溫升，從而有效的得到異質材料界面GaN層2與SiC襯底層I之間的界面溫升為100K。利用熱阻計算公式Rth= Λ T/Wh，得到異質材料界面GaN層2與SiC襯底層I之間的界面熱阻為20K/W，如圖5所示。
[0030]由以上說明可看出，採用本發明所述的方法，通過採集熱源區與溫度探測區之間的熱延遲時間，可以測量出異質半導體材料界面溫升和熱阻。
【權利要求】
1.一種實時測量耗盡型場效應電晶體瞬態溫升和熱阻方法，其特徵在於包括如下步驟: 將被測器件放置於一溫度為TO恆溫平臺；被測器件的柵電極不進行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產生低電平\，高電平為Vh的階梯電壓；被測器件的源電極連接至採樣電阻的一端，採樣電阻阻值為Rl ;採樣電阻的另一端接地，並將一採樣頻率400MHz以上的高速數據採集器接入採樣電阻兩端，以採集漏電流Ids ; 當電壓源由低電平變為高電平的同時，啟動高速數據採集器，採集漏電極電壓到達Vh後的漏電極電流Ids (t)，當器件與恆溫平臺之間達到穩定狀態以後，漏電極電流不再發生變化，即達到穩態；電壓到達Vh的瞬間漏電極電流為IDS0，溫升引起漏電極電流隨時間變化的曲線:
Δ Ids (t) =Ids (t)-1dsO ； 通過設置恆溫平臺溫度來設定兩個溫度Tl、T2，分別採集兩個溫度下漏電極電壓到達Vh瞬間時的電流IDS2、Ids I，漏電極電流的溫度係數α ；a=(IDS2-1DSl)/(T2-Tl)； 被測器件異質結瞬態溫升曲線厶1(0 = (11?2-11?1)/(1 ^fAT(t)數據輸入至商業熱阻測試儀器或結構函數處理軟體`，即得到被測器件不同部位的溫升。
【文檔編號】G01K7/01GK103604517SQ201310558106
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】馮士維, 張亞民, 馬琳, 郭春生, 朱慧 申請人:北京工業大學