CN102313613A - 一种测量fet沟道温度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量FET沟道温度的装置，属于集成电路技术领域。该装置将高低温探针台和脉冲分析仪联用，在FET漏端施加脉冲电压，从而测量FET沟道温度；该装置结构简单，使用简便、快捷，成本低廉。同时，本发明还公开了利用该装置测量FET沟道温度的方法，该方法利用了FET沟道温度和FET耗散功率的变化关系，简便、快速；该方法不需要使用数学方法进行拟合、求解和外推，数据处理过程可以消除测量系统中的系统误差，从而提高测量的精度。并且，FET沟道温度和FET耗散功率的变化关系曲线可以用于分析FET的热阻、制定FET的散热策略、确定FET加速寿命条件。

Description

一种测量FET沟道温度的装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种将高低温探针台和脉冲分析仪联用并在FET漏端施加脉冲电压，从而测量FET沟道温度的装置及方法。
背景技术
沟道温度测量技术广泛应用于半导体器件的设计、检测和使用过程中，器件沟道温度测量结果可用于设计器件结构，制定散热方案、确定器件工作条件和选择器件老化温度等多个方面。现有的用于测量半导体器件沟道温度的方法及其优缺点如表1所示。
表1  现有的用于测量半导体器件沟道温度的方法及其优缺点
Figure BDA0000081142930000011
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种的将高低温探针台和脉冲分析仪联用并在FET漏端施加脉冲电压，从而测量FET沟道温度的装置及方法。
本发明提供的测量FET沟道温度的装置包括高低温探针台，脉冲分析仪，以及，第I探针，第II探针、第III探针，FET置于所述高低温探针台上，所述脉冲分析仪利用所述第I探针在所述FET的栅端施加直流偏置电压，所述脉冲分析仪利用所述第II探针在所述FET的漏端施加脉冲电压，所述FET的源端利用所述第III探针与所述脉冲分析仪共同接地。
基于本发明提供的测量FET沟道温度的装置的FET沟道温度的测量方法包括：
选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值；
维持高低温探针台的温度，使之处于基准温度，在FET的栅端施加所选择值的直流偏置电压，在FET的漏端施加脉冲电压，连续改变所述脉冲电压的基准值，使得FET耗散功率连续改变，利用脉冲分析仪得到通过FET的电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压基准值为横坐标，绘制不同耗散功率条件下，通过FET的电流值-漏端脉冲电压基准值的平滑线散点图，形成第I曲线簇，所述第I曲线簇中的每条曲线对应一个FET耗散功率；
在不同耗散功率条件下，通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，描出所述垂线与第I曲线簇中的各条曲线的交点，确定各交点对应的通过FET的电流值，以FET耗散功率为纵坐标，以通过FET的电流值为横坐标，绘制FET耗散功率-通过FET的电流值的平滑线散点图；
维持施加在FET漏端的脉冲电压的基准值，使之处于0V，在FET的栅端施加所选择值的直流偏置电压，在FET的漏端施加脉冲电压，利用高低温探针台的温度控制装置，连续改变高低温探针台的温度，并使得FET沟道温度达到高低温探针台的温度，利用脉冲分析仪得到通过FET的电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压值为横坐标，绘制不同FET沟道温度条件下，通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，形成第II曲线簇，所述第II曲线簇中的每条曲线对应一个FET沟道温度；
在不同FET沟道温度条件下，通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，描出所述垂线与第II曲线簇中各条曲线的交点，确定各交点对应的通过FET的电流值，以FET沟道温度为纵坐标，以通过FET的电流值为横坐标，绘制FET沟道温度-通过FET的电流值的平滑线散点图；
将FET耗散功率-通过FET的电流值的曲线，FET沟道温度-通过FET的电流值的曲线绘制在同一坐标系中，得到横坐标为通过FET的电流值，纵坐标分别为FET沟道温度，以及，FET耗散功率的双纵坐标平滑线散点图；
利用所述双纵坐标平滑线散点图，以通过FET的电流值为媒介，建立FET沟道温度与FET耗散功率之间的关系，以FET沟道温度为纵坐标，以FET好散功率为横坐标，绘制FET沟道温度-FET耗散功率的平滑线散点图；
当已知FET耗散功率时，即能够在所述FET沟道温度-FET耗散功率的平滑线散点图的曲线上描出一个定点，所述定点的纵坐标即为FET沟道温度。
作为优选，所述选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值包括：
设定高低温探针台的基准温度；
当高低温探针台的温度升至所述基准温度时，连续改变施加在FET栅端的直流偏置电压值，利用所述脉冲分析仪得到通过FET的饱和电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压为横坐标，绘制施加于FET栅端的直流偏置电压值不同的条件下，通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，所述通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图中的每条曲线对应一个直流偏置电压值；
根据所得通过FET的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值。
作为优选，所述高低温探针台内充有N2。
作为优选，在FET的栅端施加的直流偏置电压值为使通过FET的电流值为通过FET的最大饱和电流值
Figure BDA0000081142930000041
时的电压值。
作为优选，所述脉冲电压为从0V以1V为间隔变化至15V的阶梯状方波，所述阶梯状方波的占空比为变化频率为1KHz。
作为优选，所述连续改变所述脉冲电压的基准值时，所述脉冲电压的基准值从0V以1V为间隔变化至15V。
作为优选，所述连续改变高低温探针台的温度时，所述高低温探针台的温度从25℃开始，以25℃为间隔变化至200℃。
作为优选，所述作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的垂线时，垂足处的漏端脉冲电压值为10V。
作为优选，所述建立FET沟道温度与FET耗散功率之间的关系时，FET沟道温度和FET耗散功率是在所述双纵坐标平滑线散点图中，选定的通过FET的电流值分别对应的FET沟道温度和FET耗散功率。
本发明提供的测量FET沟道温度的装置及方法的有益效果在于：
本发明提供的测量FET沟道温度的装置结构简单，使用简便、快捷，成本低廉。本发明提供的利用该装置测量FET沟道温度的方法利用了FET沟道温度和FET耗散功率的变化关系，简便、快速；该方法不需要使用数学方法进行拟合、求解和外推，数据处理过程可以消除测量系统中的系统误差，从而提高测量的精度。并且，FET沟道温度和FET耗散功率的变化关系曲线可以用于分析FET的热阻、制定FET的散热策略、确定FET加速寿命条件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的装置示意图；
图2为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的选择在GaNHEMTs的栅端施加的直流偏置电压值时施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图；
图3为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的在同一坐标系中绘制的施加在GaN HEMTs栅端的直流偏置电压值不同的条件下，通过GaNHEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图；
图4为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的当施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压的基准值为0V时，施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图；
图5为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的当施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压的基准值为7V时，施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图；
图6为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的在同一坐标系中绘制的在不同耗散功率条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图；
图7为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的GaNHEMTs耗散功率-通过GaN HEMTs的电流值的平滑线散点图；
图8为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的在同一坐标系中绘制的在不同GaN HEMTs温度条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图；
图9为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的GaNHEMTs沟道温度-通过GaN HEMTs的电流值的平滑线散点图；
图10为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的横坐标为通过GaN HEMTs的电流值，纵坐标分别为GaN HEMTs沟道温度，以及，GaNHEMTs耗散功率的双纵坐标平滑线散点图；
图11为本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的方法的GaNHEMTs沟道温度-GaN HEMTs耗散功率的平滑线散点图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明，其中表示时间的坐标轴的刻度值代表时间的份数。
GaN HEMTs是FET中的一类，本发明实施例以测量GaN HEMTs沟道温度的装置及方法为例进行详细说明如下：
参见附图1，本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的装置包括高低温探针台1，脉冲分析仪2，以及，第I探针3，第II探针4、第III探针5，GaN HEMTs置于高低温探针台1上，脉冲分析仪2利用第I探针3在GaNHEMTs的栅端施加直流偏置电压，脉冲分析仪2利用第II探针4在GaN HEMTs的漏端施加脉冲电压，GaN HEMTs的源端利用第III探针5与脉冲分析仪2共同接地。本实施例中，高低温探针台的型号是12K000，脉冲分析仪2的型号是NC4832。
本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的装置结构简单，使用简便、快捷，成本低廉。
应用本发明实施例提供的测量GaN HEMTs沟道温度的装置测量GaNHEMTs沟道温度时，12K000高低温探针台1内充有N2，以避免其被氧化，NC4832脉冲分析仪2选择为场效应晶体管测量模式，脉冲类型选择为G直流D脉冲，施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压为从0V以1V为间隔变化至15V的阶梯状方波，阶梯状方波的占空比为
Figure BDA0000081142930000071
变化频率为1KHz，具体方法如下：
步骤10：选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值。
步骤101：设定高低温探针台1的基准温度；
步骤102：当高低温探针台1的温度升至基准温度时，连续改变施加在GaNHEMTs栅端的直流偏置电压值，利用脉冲分析仪得到通过GaN HEMTs的饱和电流值；附图2为这一过程中，施加在GAN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图；
步骤103：在同一坐标系中，以通过GaN HEMTs的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压值为横坐标，绘制施加在GaN HEMTs栅端的直流偏置电压值不同的条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，参见附图3，图3中的每条曲线对应一个直流偏置电压值；
步骤104：根据所得通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，选择在GaN HEMTs的栅端施加的直流偏置电压值。在GaN HEMTs的栅端施加的直流偏置电压值可以为使通过GaN HEMTs的电流值为通过GaNHEMTs的最大饱和电流值
Figure BDA0000081142930000081
时的电压值。
步骤20：维持高低温探针台1的温度，使之处于基准温度，在GaN HEMTs的栅端施加所选择值的直流偏置电压，在GaN HEMTs的漏端施加脉冲电压，连续改变脉冲电压的基准值，使之从0V以1V为间隔变化至15V(附图4为当施加在GAN HEMTs漏端的脉冲电压的基准值为0V时，施加在GAN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图；附图5为当施加在GAN HEMTs漏端的脉冲电压的基准值为7V时，施加在GAN HEMTs漏端的脉冲电压波形示意图。)，使得GaNHEMTs耗散功率连续改变，利用脉冲分析仪2得到通过GaN HEMTs的电流值；
步骤30：在同一坐标系中，以通过GaN HEMTs的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压基准值为横坐标，绘制不同耗散功率条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压基准值的平滑线散点图，形成具有15条曲线的第I曲线簇，参见附图6，第I曲线簇中的每条曲线对应一个GaN HEMTs耗散功率；
步骤40：在不同耗散功率条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，垂足处的漏端脉冲电压值为10V，描出垂线与第I曲线簇中各条曲线的交点，共15个，确定各交点对应的通过GaN HEMTs的电流值，以GaN HEMTs耗散功率为纵坐标，以通过GaN HEMTs的电流值为横坐标，绘制GaN HEMTs耗散功率-通过GaN HEMTs的电流值的平滑线散点图，参见附图7；
步骤50：维持施加在GaN HEMTs漏端的脉冲电压的基准值，使之处于0V，在GaN HEMTs的栅端施加所选择数值的直流偏置电压，在GaN HEMTs的漏端施加脉冲电压，利用高低温探针台的温度控制装置，连续改变高低温探针台的温度，使之从25℃开始，以25℃为间隔变化至200℃，并使得GaN HEMTs沟道温度达到高低温探针台的温度，利用脉冲分析仪得到通过FET的电流值；
步骤60：在同一坐标系中，以通过GaN HEMTs的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压值为横坐标，绘制在不同GaN HEMTs沟道温度条件下，通过GaNHEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑线散点图，形成具有8条曲线的第II曲线簇，参见附图8，第II曲线簇中的每条曲线对应一个GaN HEMTs沟道温度；
步骤70：在在不同GaN HEMTs沟道温度条件下，通过GaN HEMTs的电流值-漏端脉冲电压值的平滑散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，垂足处的漏端脉冲电压值为10V，描出垂线与第II曲线簇中各条曲线的交点，共8个，确定各交点对应的通过GaN HEMTs的电流值，以GaN HEMTs沟道温度为纵坐标，以通过GaN HEMTs的电流值为横坐标，绘制GaN HEMTs沟道温度-通过GaN HEMTs的电流值的平滑线散点图，参见附图9；
步骤80：将GaN HEMTs耗散功率-通过GaN HEMTs的电流值的曲线，GaN HEMTs沟道温度-通过GaN HEMTs的电流值的曲线绘制在同一坐标系中，得到横坐标为通过GaN HEMTs的电流值，纵坐标分别为GaN HEMTs沟道温度，以及，GaN HEMTs耗散功率的双纵坐标平滑线散点图，参见附图10；
步骤90：利用双纵坐标平滑线散点图，以通过GaN HEMTs的电流值为媒介，建立GaN HEMTs沟道温度与GaN HEMTs耗散功率之间的关系，其中，GaNHEMTs沟道温度和GaN HEMTs耗散功率是在所述双纵坐标平滑线散点图中，选定的通过GaN HEMTs的电流值分别对应的GaN HEMTs沟道温度和GaNHEMTs耗散功率，绘制GaN HEMTs沟道温度-GaN HEMTs耗散功率的平滑线散点图；
当已知GaN HEMTs耗散功率时，即能够在所述GaN HEMTs沟道温度-GaN HEMTs耗散功率的平滑线散点图的曲线上描出一个定点，所述定点的纵坐标即为GaN HEMTs沟道温度。
本发明实施例提供的GaN HEMTs沟道温度和GaN HEMTs耗散功率的变化关系，简便、快速；该方法不需要使用数学方法进行拟合、求解和外推，数据处理过程可以消除测量系统中的系统误差，从而提高测量的精度。并且，GaNHEMTs沟道温度和GaN HEMTs耗散功率的变化关系曲线可以用于分析GaNHEMTs的热阻、制定GaN HEMTs的散热策略、确定GaN HEMTs加速寿命条件。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量FET沟道温度的装置，其特征在于，包括高低温探针台，脉冲分析仪，以及，第Ⅰ探针，第Ⅱ探针、第Ⅲ探针，FET置于所述高低温探针台上，所述脉冲分析仪利用所述第Ⅰ探针在所述FET的栅端施加直流偏置电压，所述脉冲分析仪利用所述第Ⅱ探针在所述FET的漏端施加脉冲电压，所述FET的源端利用所述第Ⅲ探针与所述脉冲分析仪共同接地。
2.基于权利要求1所述的装置的FET沟道温度的测量方法，其特征在于，包括：
选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值；
维持高低温探针台的温度，使之处于基准温度，在FET的栅端施加所选择值的直流偏置电压，在FET的漏端施加脉冲电压，连续改变所述脉冲电压的基准值，使得FET耗散功率连续改变，利用脉冲分析仪得到通过FET的电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压基准值为横坐标，绘制不同耗散功率条件下，通过FET的电流值—漏端脉冲电压基准值的平滑线散点图，形成第Ⅰ曲线簇，所述第Ⅰ曲线簇中的每条曲线对应一个FET耗散功率；
在不同耗散功率条件下，通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑线散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，描出所述垂线与第Ⅰ曲线簇中的各条曲线的交点，确定各交点对应的通过FET的电流值，以FET耗散功率为纵坐标，以通过FET的电流值为横坐标，绘制FET耗散功率—通过FET的电流值的平滑线散点图；
维持施加在FET漏端的脉冲电压的基准值，使之处于0V，在FET的栅端施加所选择值的直流偏置电压，在FET的漏端施加脉冲电压，利用高低温探针台的温度控制装置，连续改变高低温探针台的温度，并使得FET沟道温度达到高低温探针台的温度，利用脉冲分析仪得到通过FET的电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压值为横坐标，绘制不同FET沟道温度条件下，通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑线散点图，形成第Ⅱ曲线簇，所述第Ⅱ曲线簇中的每条曲线对应一个FET沟道温度；
在不同FET沟道温度条件下，通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑散点图上，作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的一条垂线，描出所述垂线与第Ⅱ曲线簇中各条曲线的交点，确定各交点对应的通过FET的电流值，以FET沟道温度为纵坐标，以通过FET的电流值为横坐标，绘制FET沟道温度—通过FET的电流值的平滑线散点图；
将FET耗散功率—通过FET的电流值的曲线，FET沟道温度—通过FET的电流值的曲线绘制在同一坐标系中，得到横坐标为通过FET的电流值，纵坐标分别为FET沟道温度，以及，FET耗散功率的双纵坐标平滑线散点图；
利用所述双纵坐标平滑线散点图，以通过FET的电流值为媒介，建立FET沟道温度与FET耗散功率之间的关系，以FET沟道温度为纵坐标，以FET耗散功率为横坐标，绘制FET沟道温度—FET耗散功率的平滑线散点图；
当已知FET耗散功率时，即能够在所述FET沟道温度—FET耗散功率的平滑线散点图的曲线上描出一个定点，所述定点的纵坐标即为FET沟道温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值包括：
设定高低温探针台的基准温度；
当高低温探针台的温度升至所述基准温度时，连续改变施加在FET栅端的直流偏置电压值，利用所述脉冲分析仪得到通过FET的饱和电流值；
在同一坐标系中，以通过FET的电流值为纵坐标，以漏端脉冲电压为横坐标，绘制施加于FET栅端的直流偏置电压值不同的条件下，通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑线散点图，所述通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑线散点图中的每条曲线对应一个直流偏置电压值；
根据所得通过FET的电流值—漏端脉冲电压值的平滑线散点图，选择在FET的栅端施加的直流偏置电压值。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述高低温探针台内充有N2。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在FET的栅端施加的直流偏置电压值为使通过FET的电流值为通过FET的最大饱和电流值                                               
Figure 2011102230269100001DEST_PATH_IMAGE002
时的电压值。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脉冲电压为从0V以1V为间隔变化至15V的阶梯状方波，所述阶梯状方波的占空比为
Figure 2011102230269100001DEST_PATH_IMAGE004
，变化频率为1KHz。
7.根据权利要求2或6所述的方法，其特征在于，所述连续改变所述脉冲电压的基准值时，所述脉冲电压的基准值从0V以1V为间隔变化至15V。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述连续改变高低温探针台的温度时，所述高低温探针台的温度从25℃开始，以25℃为间隔变化至200℃。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述作垂直于漏端脉冲电压值坐标轴的垂线时，垂足处的漏端脉冲电压值为10V。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立FET沟道温度与FET耗散功率之间的关系时，FET沟道温度和FET耗散功率是在所述双纵坐标平滑线散点图中，选定的通过FET的电流值分别对应的FET沟道温度和FET耗散功率。
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