CN103604517B - 一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法 - Google Patents

一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法 Download PDF

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一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法涉及半导体器件测试领域。包括如下步骤：将被测器件放置于一温度为T0恒温平台；被测器件的栅电极不进行任何外部连接；漏电极接电压源，电压源产生低电平VL，高电平为VH的阶梯电压；被测器件的源电极连接至采样电阻的一端，采样电阻阻值为R1；采样电阻的另一端接地，并将一采样频率400MHz以上的高速数据采集器接入采样电阻两端，以采集漏电流IDS；通过计算可以得到得到被测器件不同部位的温升。本发明技术可以应用于耗尽型，即常开型沟道器件等效功率下的瞬态温升测量。测量方法简单、准确，适用于电子器件的生产、可靠性和性能研究和器件开发领域。

Description

一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法
技术领域
本发明涉及半导体器件测试领域，主要应用于耗尽型(常开型沟道)场效应晶体管沟道瞬态温度测量和热阻的测量与分析。
背景技术
耗尽型场效应晶体管，如GaN基、GaAs基肖特基栅功率晶体管在微波功率领域有着出色的性能参数表现。然而，其有源区体积小、厚度薄、热时间常数小、功率密度高，从而使得有源区温度瞬态变化十分显著。1微秒时间温升变化可达100C。这将直接对器件性能参数，特别是使用寿命和可靠性带来影响。由于外延层材料只有几个微米，热时间常数小，变化速度快，对器件瞬态特性影响严重。测量有源区瞬态温升,对器件结构和性能优化有重要意义。现有光学测温技术，只能给出器件的表面温度，不能实现从有源区至恒温平台的热阻构成。基于正向肖特性的电学参数法能很好给出器件热阻构成，但由于器件栅极从反偏(工作状态)至正偏(测量状态)的切换时间延迟一般为微秒量级，会影响到瞬态变化的温升测量精度。
本发明技术可以应用于耗尽型，即常开型沟道器件等效功率下的瞬态温升测量。测量方法简单、准确，适用于电子器件的生产、可靠性和性能研究和器件开发领域。
本发明方法的工作原理：
常开型场效应晶体管漏源之间是一个电阻。当栅极不加电极，漏源之间施加一个电压脉冲时，漏源电流会迅速增加，然后由于电流电压自升温效应，随着时间的增加，温度升高，漏源电流会逐渐减少。当达到稳态后，漏源电流达到一个恒定值。可以通过漏源电流随时间的变化过程，测量器件沟道中温度随时间的升温过程。漏源电流的温度校准实现过程是在一恒定温度平台上，温度为T1，在施加漏源电压的瞬间，电流迅速增加至最高值。由于电流的上升时间远小于热时间常数，可以认为该电流是温度为T1时的电流值。再将温度设置为T2、T3。。。等，从图2中可见。该电流值随温度变化有很好的线性关系。通过该Ids温度校准关系，可以得到Ids随温度变化的温度系数。将该温度系数用于对实际Ids的校准，即可得到温度随时间的变化曲线。
由于该方法直接测量漏源电流随温度的变化，因此可以得到纳秒级的瞬态温度变化。对于测量微米级外延层厚度的温度变化尤为实用，有很好的先进性。
一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法，其特征在于包括如下步骤：
将被测器件放置于一温度为T0恒温平台；被测器件的栅电极不进行任何外部连接；漏电极接电压源，电压源产生低电平VL，高电平为VH的阶梯电压；被测器件的源电极连接至采样电阻的一端，采样电阻阻值为R1；采样电阻的另一端接地，并将一采样频率400MHz以上的高速数据采集器接入采样电阻两端，以采集漏电流IDS；
设置低电压VL的目的是为了预先去除可能的界面态影响，而又不至于产生自升温。
当电压源由低电平变为高电平的同时，启动高速数据采集器，采集漏电极电压到达VH后的漏电极电流IDS(t)，当器件与恒温平台之间达到稳定状态以后，漏电极电流不再发生变化，即达到稳态；电压到达VH的瞬间漏电极电流为IDS0，温升引起漏电极电流随时间变化的曲线：
ΔIDS(t)＝IDS(t)-IDS0；
通过设置恒温平台温度来设定两个温度T1、T2，分别采集两个温度下漏电极电压到达VH瞬间时的电流IDS2、IDS1，漏电极电流的温度系数α；
α＝(IDS2-IDS1)/(T2-T1)；
器件异质结瞬态温升曲线ΔT(t)＝(IDS2-IDS1)/α；将ΔT(t)数据输入至商业热阻测试仪器(Analysis Tech公司Phase 11热阻分析仪)，或结构函数处理软件，即得到器件不同部位的温升；
本发明中，通过实时采集漏极电流的变化，实时测量沟道瞬态温度。能够实现实时、快捷、便利测量器件，尤其是对器件的温升构成进行分析。
附图说明
图1(a)异质结半导体芯片
图1(b)测试方法示意图
1SiC衬底；2GaN层；3AlGaN层；4漏电极；5源电极；6栅电极；
7Si3N4钝化层 8高速数据采集器
图2温度系数校准
图3异质结半导体器件漏极电流下降与有源区温升曲线图；
图4微分结构函数方法提取芯片内部各层温升示意图；
图5微分结构函数方法提取芯片内部热阻示意图。
具体实施方式
选择一单指AlGaN/GaN HEMT器件为待测器件，器件结构如图1(a)所示，1为400微米的SiC层，2为厚度为1.5微米的GaN层，3为25纳米的AlGaN层。其漏极4和源极5之间的距离为4.5微米，源漏宽为100微米,6为栅电极，7为Si3N4钝化层。
将器件置于恒温平台，使其与恒温平台接触良好，器件电学连接如图1(b)所示，栅电极6不进行任何外部连接，漏电极4接电压源，电压源能产生低电平0.01-0.1V，高电平为10V的阶梯电压(电压大小视器件额定电压而定)，源极接一大小为1欧的采样电阻，电阻另一端接地，并将采样电阻与一400MHz的高速数据采集器8连接，用来记录漏极4和源极5之间的电流。
设置恒温平台温度为20摄氏度，采集漏极电压达到10V的瞬间漏极4和源极5之间的电流IDS(20)，将恒温平台温度从20调整到90摄氏度，每次调整幅度为10摄氏度，采用同样的方式分别记录漏极4与源极5之间的正向压降，恒温平台温度为90摄氏度时电流为IDS(90)，通过线性拟合，即可得到温度系数校准线，如图2所示。计算出肖特基结温度系数α：
α＝(IDS(90)-IDS(20)))/(90-20)
将恒温平台温度设为20摄氏度，采集漏极电压达到10V的同时开始采集漏极与源极之间的电流IDS(t)，直到IDS(t)达到稳定状态。利用α计算出漏极与源极之间的温升ΔT随时间变化曲线1，如图3所示，
ΔT(t)＝(IDS(t)-IDS(20))/α
利用结构函数方法，对温升随时间的变化曲线1进行处理，得到微分结构函数曲线2，如图4所示，图中各个峰值对应热量传输通道上各个层的温升，从而有效的得到异质材料界面GaN层2与SiC衬底层1之间的界面温升为100K。利用热阻计算公式Rth＝ΔT/Wh，得到异质材料界面GaN层2与SiC衬底层1之间的界面热阻为20K/W，如图5所示。
由以上说明可看出，采用本发明所述的方法，通过采集热源区与温度探测区之间的热延迟时间，可以测量出异质半导体材料界面温升和热阻。

Claims (1)

1.一种实时测量耗尽型场效应晶体管瞬态温升和热阻方法，其特征在于包括如下步骤：
将被测器件放置于一温度为T0恒温平台；被测器件的栅电极不进行任何外部连接；漏电极接电压源，电压源产生低电平VL，高电平为VH的阶梯电压；被测器件的源电极连接至采样电阻的一端，采样电阻阻值为R1；采样电阻的另一端接地，并将一采样频率400MHz以上的高速数据采集器接入采样电阻两端，以采集漏电流IDS；
当电压源由低电平变为高电平的同时，启动高速数据采集器，采集漏电极电压到达VH后的漏电极电流IDS(t)，当器件与恒温平台之间达到稳定状态以后，漏电极电流不再发生变化，即达到稳态；电压到达VH的瞬间漏电极电流为IDS0，温升引起漏电极电流随时间变化的曲线：
ΔIDS(t)＝IDS(t)-IDS0；
通过设置恒温平台温度来设定两个温度T1、T2，分别采集两个温度下漏电极电压到达VH瞬间时的电流IDS1、IDS2，漏电极电流的温度系数α；
α＝(IDS2-IDS1)/(T2-T1)；
计算得到被测器件异质结瞬态温升曲线ΔT＝ΔIDS(t)/α，将ΔT数据输入至商业热阻测试仪器或结构函数处理软件，即得到被测器件不同部位的温升；利用热阻计算公式Rth＝ΔT/Wh，ΔT为温度变化量，Wh为耗散功率，即得到异质半导体材料热阻。
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