一種實時測量耗盡型場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)溫升和熱阻方法
【專利摘要】一種實時測量耗盡型場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)溫升和熱阻方法涉及半導(dǎo)體器件測試領(lǐng)域。包括如下步驟：將被測器件放置于一溫度為T0恒溫平臺；被測器件的柵電極不進(jìn)行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產(chǎn)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采樣電阻的一端，采樣電阻阻值為R1；采樣電阻的另一端接地，并將一采樣頻率400MHz以上的高速數(shù)據(jù)采集器接入采樣電阻兩端，以采集漏電流IDS；通過計算可以得到得到被測器件不同部位的溫升。本發(fā)明技術(shù)可以應(yīng)用于耗盡型，即常開型溝道器件等效功率下的瞬態(tài)溫升測量。測量方法簡單、準(zhǔn)確，適用于電子器件的生產(chǎn)、可靠性和性能研究和器件開發(fā)領(lǐng)域。
【專利說明】 一種實時測量耗盡型場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)溫升和熱阻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件測試領(lǐng)域，主要應(yīng)用于耗盡型(常開型溝道)場效應(yīng)晶體管溝道瞬態(tài)溫度測量和熱阻的測量與分析。
【背景技術(shù)】
[0002]耗盡型場效應(yīng)晶體管，如GaN基、GaAs基肖特基柵功率晶體管在微波功率領(lǐng)域有著出色的性能參數(shù)表現(xiàn)。然而，其有源區(qū)體積小、厚度薄、熱時間常數(shù)小、功率密度高，從而使得有源區(qū)溫度瞬態(tài)變化十分顯著。I微秒時間溫升變化可達(dá)100C。這將直接對器件性能參數(shù)，特別是使用壽命和可靠性帶來影響。由于外延層材料只有幾個微米，熱時間常數(shù)小，變化速度快，對器件瞬態(tài)特性影響嚴(yán)重。測量有源區(qū)瞬態(tài)溫升，對器件結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化有重要意義?，F(xiàn)有光學(xué)測溫技術(shù)，只能給出器件的表面溫度，不能實現(xiàn)從有源區(qū)至恒溫平臺的熱阻構(gòu)成?；谡蛐ぬ匦缘碾妼W(xué)參數(shù)法能很好給出器件熱阻構(gòu)成，但由于器件柵極從反偏(工作狀態(tài))至正偏(測量狀態(tài))的切換時間延遲一般為微秒量級，會影響到瞬態(tài)變化的溫升測量精度。
[0003]本發(fā)明技術(shù)可以應(yīng)用于耗盡型，即常開型溝道器件等效功率下的瞬態(tài)溫升測量。測量方法簡單、準(zhǔn)確，適用于電子器件的生產(chǎn)、可靠性和性能研究和器件開發(fā)領(lǐng)域。
[0004]本發(fā)明方法的工作原理:
[0005]常開型場效應(yīng)晶體管漏源之間是一個電阻。當(dāng)柵極不加電極，漏源之間施加一個電壓脈沖時，漏源電流會迅速增加，然后由于電流電壓自升溫效應(yīng)，隨著時間的增加，溫度升高，漏源電流會逐漸減少。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，漏源電流達(dá)到一個恒定值?？梢酝ㄟ^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(zhǔn)實現(xiàn)過程是在一恒定溫度平臺上，溫度為Tl，在施加漏源電壓的瞬間，電流迅速增加至最高值。由于電流的上升時間遠(yuǎn)小于熱時間常數(shù)，可以認(rèn)為該電流是溫度為Tl時的電流值。再將溫度設(shè)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(guān)系。通過該Ids溫度校準(zhǔn)關(guān)系，可以得到Ids隨溫度變化的溫度系數(shù)。將該溫度系數(shù)用于對實際Ids的校準(zhǔn)，即可得到溫度隨時間的變化曲線。
[0006]由于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(tài)溫度變化。對于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(jìn)性。
[0007]—種實時測量耗盡型場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)溫升和熱阻方法，其特征在于包括如下步驟:
[0008]將被測器件放置于一溫度為TO恒溫平臺；被測器件的柵電極不進(jìn)行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產(chǎn)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采樣電阻的一端，采樣電阻阻值為Rl ;采樣電阻的另一端接地，并將一采樣頻率400MHz以上的高速數(shù)據(jù)采集器接入采樣電阻兩端，以采集漏電流Ids ；
[0009]設(shè)置低電壓'的目的是為了預(yù)先去除可能的界面態(tài)影響，而又不至于產(chǎn)生自升溫。[0010]當(dāng)電壓源由低電平變?yōu)楦唠娖降耐瑫r，啟動高速數(shù)據(jù)采集器，采集漏電極電壓到達(dá)Vh后的漏電極電流Ids (t)，當(dāng)器件與恒溫平臺之間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，漏電極電流不再發(fā)生變化，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)；電壓到達(dá)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(shè)置恒溫平臺溫度來設(shè)定兩個溫度Tl、T2，分別采集兩個溫度下漏電極電壓到達(dá)Vh瞬間時的電流Ids2、Ids I，漏電極電流的溫度系數(shù)α ；
[0013]a=(IDS2-1DSl)/(T2-Tl)；
[0014]器件異質(zhì)結(jié)瞬態(tài)溫升曲線厶?、?^』-〗。)/^ JfAT(t)數(shù)據(jù)輸入至商業(yè)熱阻測試儀器(Analysis Tech公司Phasell熱阻分析儀)，或結(jié)構(gòu)函數(shù)處理軟件，即得到器件不同部位的溫升；
[0015]本發(fā)明中，通過實時采集漏極電流的變化，實時測量溝道瞬態(tài)溫度。能夠?qū)崿F(xiàn)實時、快捷、便利測量器件，尤其是對器件的溫升構(gòu)成進(jìn)行分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1(a)異質(zhì)結(jié) 半導(dǎo)體芯片
[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(shù)據(jù)采集器
[0019]圖2溫度系數(shù)校準(zhǔn)
[0020]圖3異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件漏極電流下降與有源區(qū)溫升曲線圖；
[0021]圖4微分結(jié)構(gòu)函數(shù)方法提取芯片內(nèi)部各層溫升示意圖；
[0022]圖5微分結(jié)構(gòu)函數(shù)方法提取芯片內(nèi)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(jié)構(gòu)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]將器件置于恒溫平臺，使其與恒溫平臺接觸良好，器件電學(xué)連接如圖1(b)所示，柵電極6不進(jìn)行任何外部連接，漏電極4接電壓源，電壓源能產(chǎn)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歐的采樣電阻，電阻另一端接地，并將采樣電阻與一 400MHz的高速數(shù)據(jù)采集器8連接，用來記錄漏極4和源極5之間的電流。
[0025]設(shè)置恒溫平臺溫度為20攝氏度，采集漏極電壓達(dá)到IOV的瞬間漏極4和源極5之間的電流Ids (20)，將恒溫平臺溫度從20調(diào)整到90攝氏度，每次調(diào)整幅度為10攝氏度，采用同樣的方式分別記錄漏極4 與源極5之間的正向壓降，恒溫平臺溫度為90攝氏度時電流為Ids (90)，通過線性擬合，即可得到溫度系數(shù)校準(zhǔn)線，如圖2所示。計算出肖特基結(jié)溫度系數(shù)α:
[0026]a = (IDS (90) -1ds (20))) / (90-20)[0027]將恒溫平臺溫度設(shè)為20攝氏度，采集漏極電壓達(dá)到IOV的同時開始采集漏極與源極之間的電流IDS(t)，直到IDS(t)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。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(jié)構(gòu)函數(shù)方法，對溫升隨時間的變化曲線I進(jìn)行處理，得到微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線2，如圖4所示，圖中各個峰值對應(yīng)熱量傳輸通道上各個層的溫升，從而有效的得到異質(zhì)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(zhì)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，采用本發(fā)明所述的方法，通過采集熱源區(qū)與溫度探測區(qū)之間的熱延遲時間，可以測量出異質(zhì)半導(dǎo)體材料界面溫升和熱阻。
【權(quán)利要求】
1.一種實時測量耗盡型場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)溫升和熱阻方法，其特征在于包括如下步驟: 將被測器件放置于一溫度為TO恒溫平臺；被測器件的柵電極不進(jìn)行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產(chǎn)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采樣電阻的一端，采樣電阻阻值為Rl ;采樣電阻的另一端接地，并將一采樣頻率400MHz以上的高速數(shù)據(jù)采集器接入采樣電阻兩端，以采集漏電流Ids ; 當(dāng)電壓源由低電平變?yōu)楦唠娖降耐瑫r，啟動高速數(shù)據(jù)采集器，采集漏電極電壓到達(dá)Vh后的漏電極電流Ids (t)，當(dāng)器件與恒溫平臺之間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，漏電極電流不再發(fā)生變化，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)；電壓到達(dá)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(shè)置恒溫平臺溫度來設(shè)定兩個溫度Tl、T2，分別采集兩個溫度下漏電極電壓到達(dá)Vh瞬間時的電流IDS2、Ids I，漏電極電流的溫度系數(shù)α ；a=(IDS2-1DSl)/(T2-Tl)； 被測器件異質(zhì)結(jié)瞬態(tài)溫升曲線厶1(0 = (11?2-11?1)/(1 ^fAT(t)數(shù)據(jù)輸入至商業(yè)熱阻測試儀器或結(jié)構(gòu)函數(shù)處理軟件`，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(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】馮士維, 張亞民, 馬琳, 郭春生, 朱慧 申請人:北京工業(yè)大學(xué)