CN107783022A - 高电子迁移率晶体管的热可靠性评估方法 - Google Patents

高电子迁移率晶体管的热可靠性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电子迁移率晶体管热可靠性的评估方法，主要解决现有方法对器件热可靠性评估不准确的问题，其实现方案是：1)采用脉冲法测量不同温度下器件的输出特性，提取饱和漏电流随温度的变化关系作为校准曲线；2)采用直流法测量室温下器件的输出特性，并结合校准曲线提取不同功率下的器件沟道的平均温度；3)基于被测器件的各参数利用有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型，将不同功率下的测试结果与仿真所得到的沟道平均温度进行对照，验证模型的准确性；4)利用模型仿真推导出器件结温、热分布，并计算峰值热阻，实现对器件热可靠性的评估。本发明对热可靠性的评估准确度高，操作简单，适用于多种结构的高电子迁移率晶体管。

Description

高电子迁移率晶体管的热可靠性评估方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及晶体管的热可靠性测试方法，可用于对器件的可靠性分析，对器件的材料、结构以及工艺设计提供参考。
技术背景
作为新型半导体材料的杰出代表，氮化镓GaN以其突出的特性在微波大功率以及高温应用领域中逐步显现出优势。而AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件以其诸多优异特性取代了砷化镓GaAs基高电子迁移率晶体管HEMT成为微波功率器件的首选，并且在近年来也取得了实质性的进展。然而，显著的自热效应使得热可靠性问题仍然是制约其发展的一个重要因素。器件结温以及热阻是衡量微波功率器件热可靠性的重要指标，因此准确获取结温以及热阻十分必要。
目前，高电子迁移率晶体管HEMT器件的结温测量一般采用红外法或电学法。Jean-Baptiste Fonder等人采用红外法和电学方法对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的结温进行了提取，两者基本一致，但测量结果都远低于器件的实际结温，参见Jean-Baptiste Fonder,Olivier Latry,Farid Temcamani,etc,Channel temperatureestimation of AlGaN/GaN HEMT for pulsed RADAR applications using infraredthermography and electrical characterization,IEEE Conference Publications,2014,1405-1408.这主要是因为红外法的分辨率很低，达不到测量的精度，而电学方法通常提取的仅是器件沟道温度的平均值，因此都会低估器件的实际结温，造成对器件热可靠性评估的不准确。
发明内容
本发明的目的在于针对现有高电子迁移率晶体管HEMT器件可靠性评估中存在的不足，提出一种适用于高电子迁移率晶体管HEMT器件的热可靠性评估方法，以提高可靠性评估的准确度。
实现本发明目的的技术思路是：通过电学测试方法提取器件的沟道平均温度，通过ANSYS有限元仿真软件建立器件的热仿真模型，外推得到器件结温，并得到器件的三维热分布图像，通过仿真所得器件结温得到被测器件的峰值热阻，实现对被测器件热可靠性的评估，其实现步骤包括如下：
(1)将被测器件置于探针台上，源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压，设定栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，漏极电压VDS从0V扫描到10V，通过温度控制器对被测器件外部加温，测量不同外部温度下器件的输出特性，选取漏极电压VDS等于10V下的饱和漏电流Id0作为电学敏感参数，得到饱和漏电流Id0随温度的变化关系，作为校准曲线Ⅰ；
(2)在室温条件下，固定栅极电压VGS为0V，调节漏极电压VDS从0V到10V变化，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流Id，建立饱和漏电流Id随不同功率的变化关系Ⅱ；
(3)通过对饱和漏电流Id0随外部温度下的变化关系Ⅰ与饱和漏电流Id随功率下变化关系Ⅱ进行对应，步骤(1)中脉冲测试的外部温度数值上与工作时器件沟道的平均温度相同，令两关系式中Id0＝Id，得到不同功率下器件的沟道平均温度T0。；
(4)将步骤(3)中的任一个功率条件作为仿真时所用的热生成功率，基于被测器件的栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度、氮化镓GaN厚度以及各材料的热导率这些参数，在商用有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型，设定初始条件及边界调节，利用软件的热分析功能，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元热模型各节点的温度，进而推导得到这一功率下的沟道平均温度T；
(5)用仿真得到的沟道平均温度参数T作为检验三维有限元热模型正确性的标准，即将多个功率下在有限元软件ANSYS仿真所得的沟道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0进行对比：
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同，则在有限元软件ANSYS中建立的热仿真模型具有正确性；
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0存在差异，则针对热仿真模型进行模型优化，重复步骤(4)，使不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同；
(6)在商用有限元软件ANSYS中，针对已验证并优化的三维有限元热模型，利用软件的热分析功能，设定初始条件及边界调节，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元模型各节点的温度，推导得到器件三维热分布图像、结温，进而计算出峰值热阻。
本发明具有以下优点：
采用本发明建立的仿真模型可以准确提取出器件结温和热阻，解决了目前红外法和电学法测量器件结温不准的问题。
本发明采用的电学测试方法操作简便，易于实现，不需要其他复杂测试结构来辅助。
附图说明
图1是本发明的实现流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的实施例进行更详细的说明。
参照图1，本发明给出如下三个实施例：
实施例1：蓝宝石衬底上高电子迁移率晶体管HEMT器件的热可靠性评估。
步骤一，测量器件的平均沟道温度。
1a)将被测器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，漏极电压VDS从0V扫描10V；通过温度控制器改变器件外部温度，分别测量外部温度在25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下器件的输出特性，选取漏极电压VDS等于10V下的饱和漏电流Id0作为电学敏感参数，得到其随外部温度的变化关系Ⅰ，绘制成图作为校准曲线；
1b)在室温条件下，固定栅极电压VGS为0V，调节漏极电压VDS从0V到10V变化，，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流Id，建立饱和漏电流Id随不同功率的变化关系Ⅱ；
1c)通过对饱和漏电流Id0随外部温度下的变化关系Ⅰ与饱和漏电流Id随功率下变化关系Ⅱ进行对应，步骤(1a)脉冲测试的外部温度数值上等于工作时器件的沟道平均温度，令两关系式中Id0＝Id，得到不同功率下器件的沟道平均温度T0。
步骤二，用ANSYS有限元软件建立三维有限元热模型。
2a)将步骤一中的功率条件作为仿真时所用的热生成功率，基于被测器件的栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度、氮化镓GaN厚度以及各材料的热导率这些参数，在商用有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型，设定初始条件及边界调节，利用软件的热分析功能，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元热模型各节点的温度，进而推导得到这一功率下的沟道平均温度T；
2b)用仿真得到的沟道平均温度参数T作为检验三维有限元热模型正确性的标准，即将多个功率下在有限元软件ANSYS仿真所得的沟道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0进行对比：
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同，则在有限元软件ANSYS中建立的热仿真模型具有正确性；
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0存在差异，则针对热仿真模型进行模型优化，重复步骤(2a)，使不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同。
步骤三，提取HEMT器件的结温以及峰值热阻。
3a)在商用有限元软件ANSYS中，针对步骤二中已验证并优化的三维有限元热模型，利用软件的热分析功能，设定初始条件及边界调节，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元模型各节点的温度，推导得到器件三维热分布图像、结温，进而计算出峰值热阻。
实施例2：碳化硅衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的热可靠性评估。
步骤一，测量器件的平均沟道温度。
1a)将被测器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，漏极电压VDS从0V扫描12V；通过温度控制器改变器件外部温度，分别测量外部温度在25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下器件的输出特性，选取漏极电压VDS等于12V下的饱和漏电流Id0作为电学敏感参数，得到其随温度的变化关系，作为校准曲线Ⅰ；
1b)在室温条件下，固定栅极电压VGS为0V，调节漏极电压VDS从0V到10V变化，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流Id，建立饱和漏电流Id随不同功率的变化关系Ⅱ；
1c)通过对饱和漏电流Id0随外部温度下的变化关系Ⅰ与饱和漏电流Id随功率下变化关系Ⅱ进行对应，根据步骤(A1)脉冲测试的外部温度数值上等于工作时器件的沟道平均温度，令两关系式中Id0＝Id，得到不同功率下器件的沟道平均温度T0。
步骤二，用ANSYS有限元软件建立热仿真模型。
本步骤与实施例1中步骤二相同。
步骤三，提取HEMT器件的结温以及峰值热阻。
本步骤与实施例1中步骤三相同。
实施例3：硅衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的热可靠性评估
步骤一，测量器件的平均沟道温度。
1a)将被测器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，漏极电压VDS从0V扫描15V；通过温度控制器改变器件外部温度，分别测量外部温度在25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下器件的输出特性，选取漏极电压VDS等于9V下的饱和漏电流Id0作为电学敏感参数，得到其随温度的变化关系，作为校准曲线Ⅰ；
1b)在室温条件下，固定栅极电压VGS为0V，调节漏极电压VDS从0V到15V变化，，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流Id，建立饱和漏电流Id随不同功率的变化关系Ⅱ；
1c)通过对饱和漏电流Id0随外部温度下的变化关系Ⅰ与饱和漏电流Id随功率下变化关系Ⅱ进行对应，根据步骤(1a)脉冲测试的外部温度数值上等于工作时器件的沟道平均温度，令两关系式中Id0＝Id，得到不同功率下器件的沟道平均温度T0。
步骤二，用ANSYS有限元软件建立热仿真模型。
本步骤与实施例1中的步骤二相同。
步骤三，提取HEMT器件的结温以及峰值热阻。
本步骤与实施例1中步骤三相同。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种高电子迁移率晶体管HEMT器件热可靠性的评估方法，包括如下步骤：
(1)将被测器件置于探针台上，源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压，设定栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，漏极电压VDS从0V扫描到10V，通过温度控制器对被测器件外部加温，测量不同外部温度下器件的输出特性，选取漏极电压VDS等于10V下的饱和漏电流Id0作为电学敏感参数，得到饱和漏电流Id0随温度的变化关系，作为校准曲线Ⅰ；
(2)在室温条件下，固定栅极电压VGS为0V，调节漏极电压VDS从0V到10V变化，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流Id，建立饱和漏电流Id随不同功率的变化关系Ⅱ；
(3)通过对饱和漏电流Id0随外部温度下的变化关系Ⅰ与饱和漏电流Id随功率下变化关系Ⅱ进行对应，步骤(1)中脉冲测试的外部温度数值上与工作时器件沟道的平均温度相同，令两关系式中Id0＝Id，得到不同功率下器件的沟道平均温度T0；
(4)将步骤(3)中的任一个功率条件作为仿真时所用的热生成功率，基于被测器件的栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度、氮化镓GaN厚度以及各材料的热导率这些参数，在商用有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型，设定初始条件及边界调节，利用软件的热分析功能，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元热模型各节点的温度，进而推导得到这一功率下的沟道平均温度T；
(5)用仿真得到的沟道平均温度参数T作为检验三维有限元热模型正确性的标准，即将多个功率下在有限元软件ANSYS仿真所得的沟道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0进行对比：
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同，则在有限元软件ANSYS中建立的热仿真模型具有正确性；
若在不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0存在差异，则针对热仿真模型进行模型优化，重复步骤(4)，使不同功率下仿真所得道平均温度T与测试所得到的沟道平均温度T0均相同；
(6)在商用有限元软件ANSYS中，针对已验证并优化的三维有限元热模型，利用软件的热分析功能，设定初始条件及边界调节，通过有限元法求解热平衡方程，计算得到三维有限元模型各节点的温度，推导得到器件三维热分布图像、结温，进而计算出峰值热阻。
2.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(1)中外部所加温度为25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃等7个温度点。
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