CN107622958B - 一种异质半导体器件纵向热阻的精确测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种异质半导体器件纵向热阻的精确测量方法涉及半导体器件可靠性领域。传统的利用恒定小电流下肖特基正向导通结电压温敏特性来直接测量瞬态温度响应曲线的方法忽视了正向测试电流本身对结电压的影响，这部分影响被当做温度的变化错误的计算进了温度响应曲线中。本申请针对这一瞬态温度变化的测量误差提出了一种修正方法，在传统的瞬态升温曲线测量之前设计了测量恒温时肖特基结结电压在正向小电流下其结电压变化的步骤，利用这一测量结果对最终的测温结果进行修正。该方法可以很好的修正正向测试电流对结电压的影响，从而达到精确测量器件热响应曲线，获取更客观的纵向热阻构成。

Description

一种异质半导体器件纵向热阻的精确测量方法
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性领域，主要应用于异质半导体器件的界面热阻测量与分析。
背景技术
以GaN基HEMT器件为代表的异质结半导体器件是新一代军用及民用的关键核心元器件。因其禁带宽度大，允许工作电压高，耐高温等特点，故在大功率应用中广泛使用。这种高压大电流应用在有源区产生了大量的热量，致使器件温度骤升，这种热应力使器件的可靠性问题变得尤为突出。
现有的研究器件热特性技术主要包含以红外热像光学测温技术和显微拉曼法为代表光学法和电学参数方法。红外法只能给出器件的表面温度，不能实现测量纵向多层级材料的温度分布，在测量瞬态温度变化时，其毫秒级的分辨率也远远不能满足测温需求。显微拉曼法可以达到纳秒级的测温，但其无法测量已封装的器件，且其极为复杂的测试条件也同样阻碍了这一技术的广泛普及。
利用器件温敏参数的电学测温方法，可以直接测试已封装的器件，且其采集的微秒甚至纳秒级的瞬态温度响应曲线。对于异质结器件来说，利用肖特基栅在正向小电流下其肖特基结结电压和温度的线性关系来获取器件的瞬态温度响应曲线是一种快速、准确、实用地测温方法。然而，传统的利用恒定小电流下肖特基正向导通结电压温敏特性来直接测量瞬态温度响应曲线的方法忽视了正向测试电流本身对结电压的影响，这部分影响被当做温度的变化错误的计算进了温度响应曲线中。
本申请针对这一瞬态温度变化的测量误差提出了一种修正方法，该方法可以很好的修正正向测试电流对结电压的影响，从而达到精确测量器件热响应曲线，获取更客观的纵向热阻构成。
发明内容
传统的器件瞬态温度响应曲线的测量是先给器件加恒定功率至热稳态，然后切断功率，立刻在栅上加一正向恒定小电流并测量其肖特基结结电压随时间的变化；然后根据事前测量好的肖特基结电压与温度的线性对应关系将瞬态结电压曲线转换为瞬态温度冷却曲线；再利用温度冷却曲线和加热曲线的互补关系得到其在恒定功率下的瞬态温升曲线；最后再利用结构函数法对瞬态温升曲线进行计算得到器件纵向热阻构成。然后，在实际测试中我们发现即便不加功率，仅直接在肖特基栅上施加恒定的正向小电流，其肖特基结结电压也会随时间发生变化，而此时器件的温度一直保持在室温，这表明这部分结电压的变化是由于测试电流本身所引起的。因此，在施加功率后，如果不修正这部分结电压变化而直接将所有的结电压变化视为温度引起的将会引起测量误差。
为了解决修正这一测量误差，我们在传统的瞬态升温曲线测量之前设计了测量恒温时肖特基结结电压在正向小电流下其结电压变化的步骤，利用这一测量结果对最终的测温结果进行修正。
一种异质半导体器件纵向热阻的精确测量方法，其特征在于：
1.选择一被测器件，将其置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加一小的(<5mA/mm)正向栅脉冲电流Igs并测量其肖特结结电压；改变恒温平台温度至T2并重复测量；改变恒温平台温度至T并重复测量，共测量至少4个点；描绘出结电压Vgs与温度的线性关系图。
2.将被测器件放置温度为T0的恒温平台上；对器件施加恒定的正向栅电流Igs并测量其肖特基结结电压随时间的变化曲线；利用步骤1所计算的肖特基结结电压Vgs与温度的对应关系将结电压的变化按比例转换为需要修正的温度量Tcorr。
3.将被测器件放置温度为T0的恒温平台上；对器件施加恒定的功率P0并将其加热至稳态(10s内温度上升小于0.1℃)；撤掉恒定功率同时在栅上施加恒定的正向栅电流Igs并测量肖特基结结电压随时间变化曲线；根据步骤1所得到的对应关系计算其温度冷却响应曲线；利用温升曲线与冷却曲线的互补关系得到器件在功率P0下的温升响应曲线。
4.利用结构函数法对步骤3得到的温升响应曲线进行分析、处理，得到传统的利用肖特基结结电压温敏特性计算的不同材料在RC网络中的热阻值Ri。将步骤2所计算的修正温度除以施加的功率得到修正的热阻值Rcorr＝Tcorr/P0加入到计算结果中；如果得到的微分结构函数曲线是以温度为横坐标，即，计算的是不同材料的温升Ti＝P0/Ri，则用Tcorr来修正Ti值。
本发明第一次关注并修正了测试电流本身对肖特基结结电压以及瞬态温度响应曲线的影响。因此，对于异质结器件来说，本方法所计算的纵向热阻值更为精确。
附图说明
图1器件肖特基栅正向结电压在不同测试电流下的温敏系数；
图2在不同测试电流下肖特基结结电压随时间的变化(无功率)；
图3在1.5W/mm功率密度下器件的瞬态温度响应曲线；
图4同一器件在相同功率不同测试电流下计算的未经修正的纵向材料温度分布；
图5在不同测试电流下经过修正后的沟道温升。
具体实施方式
下面给出一精确测量GaN基HEMT器件纵向界面热阻构成的实例。
1.将AlGaN/GaN HEMT待测器件置于温箱中，在栅上施加一脉冲测试电流并测量其正向结电压；改变测试电流大小并重复测量过程；以步进10℃的幅度改变温箱温度，等温度恒定后重复以上测量过程并绘制如图1所示的温敏参数曲线。
2.在温度为300K条件下给器件栅上施加恒定的测试电流并测量其正向结电压随温度的变化，测试电流大小与步骤1一致，结果如图2所示。
3.用与传统电学法测量一样的方式测量器件在1.5W/mm功率下的电压随时间的变化，结合温度系数得到瞬态温度响应曲线如图3所示。
4.利用结构函数对瞬态温度响应曲线进行分析、处理并得到微分结构函数如图4所示。其不同的峰值的横坐标差值为纵向各材料的温升大小。可以看到，传统的电学法计算后同一器件在同一功率下计算结果有很大差异。
5.将图2的测试电流本身对肖特基结结电压的影响纳入考量中并按照温敏系数换算成温度变化修正测量结果。修正值的大小如图5中斜线柱状所示，黑色为传统测量计算的温升值。可以看到修正后所计算的温升与测试电流大小基本无关，证明了本方法的有效性。

Claims (1)

1.一种异质半导体器件纵向热阻的精确测量方法，其特征在于：
1)选择一被测器件，将其置于一温度为T1的恒温平台或温箱内；对器件施加一小于5mA/mm的正向栅脉冲电流Igs并测量其肖特结结电压；改变恒温平台温度至T2并重复测量；改变恒温平台温度至T并重复测量，共测量至少4个点；描绘出结电压Vgs与温度的线性关系图；
2)将被测器件放置温度为T0的恒温平台上；对器件施加恒定的正向栅电流Igs并测量其肖特基结结电压随时间的变化曲线；利用步骤1)所计算的肖特基结结电压Vgs与温度的对应关系将结电压的变化按比例转换为需要修正的温度量Tcorr；
3)将被测器件放置温度为T0的恒温平台上；对器件施加恒定的功率P0并将其加热至稳态；撤掉恒定功率同时在栅上施加恒定的正向栅电流Igs并测量肖特基结结电压随时间变化曲线；根据步骤1)所得到的对应关系计算其冷却曲线；利用温升曲线与冷却曲线的互补关系得到器件在功率P0下的温升曲线；
4)利用结构函数法对步骤3)得到的温升响应曲线进行分析、处理，得到传统的利用肖特基结结电压温敏特性计算的不同材料在RC网络中的热阻值Ri；将步骤2)所计算的修正的温度量除以施加的功率得到修正的热阻值Rcorr＝Tcorr/P0加入到计算结果中；如果得到的微分结构函数曲线是以温度为横坐标，即，计算的是不同材料的温升Ti＝P0*Ri，则用Tcorr来修正Ti值。
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