CN107833840B - AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结温测试方法 - Google Patents

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结温测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结温测试方法，主要解决现有方法测量结温偏低的问题，其实现方案是：采用脉冲测试方法对器件的肖特基正向特性进行测试，提取栅源电阻RS0与肖特基串联电阻RT0随温度的变化关系，结合上述两者得到肖特基接触电阻RB0随温度变化关系作为校准曲线；其次，在室温条件下选取偏置点，采用脉冲测试法测试器件的肖特基正向特性，并提取肖特基串联电阻RT，测量被测器件的输出特性提取栅源电阻RS，得到肖特基接触电阻RB在不同功率下的变化关系，通过对比校准曲线，提取出器件结温。本发明提高了结温测试的准确度，减小了测量误差，可用于高电子迁移率晶体管器件的测量与分析。

Description

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结温测试方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT的结温测试方法，可用于器件的测量与分析。
技术背景
在高温以及微波大功率等领域的应用之中，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT具有非常广阔的发展前景，在过去几十年中引起了广泛关注。而这主要是基于GaN材料宽禁带、高击穿场强以及高饱和电子漂移速度等诸多优良的特性。虽然AlGaN/GaN HEMT在今后具备非常大的潜力，但器件的热可靠性问题仍然是限制其发展的瓶颈之一。在高温领域的应用之中，AlGaN/GaN HEMT器件显著的自热效应会使器件结温升高，材料各参数退化，从而对器件的电学特性以及可靠性产生非常严重的影响。为了分析器件温度对其各方面特性以及可靠性的影响，有必要对器件结温进行准确的测量。
目前，AlGaN/GaN HEMT器件的结温测量一般采用红外法或者电学法。N.Killat等人采用红外法对AlGaN/GaN HEMT器件的结温进行了提取并与拉曼测试结果进行对比，发现红外测试结果远低于器件的实际结温，参见N.Killat,M.Kuball,T.–M.Chou,etc.Temperature Assessment of AlGaN/GaN HEMTs:A Comparative study by Raman,Electrical and IR Thermography.IEEE Conference Publications,2010,528-531，红外法的空间分辨率仅有2.5μm，而HEMT器件的栅长一般小于1μm，源漏间距也仅有几μm，器件结温一般出现在靠近漏极一侧的栅边缘处，因此，红外法的分辨率远不能达到测量要求，导致测量结果误差较大。电学法通常利用的是器件的电学参数随温度的变化来预测结温，ViceSodan对比了几种电学方法的测试结果，发现采用饱和漏电流作为电学敏感参数得到的器件温度仅能达到实际结温的70％，参见Vice Sodan,Daisuke Kosemura,Steve Stoffels,etc.Experimental Benchmarking of Electrical Methods andμ-Raman Spectroscopyfor Channel Temperature Detectionin AlGaN/GaN HEMTs.2016,6,2321-2327，这是由于饱和漏电流会受到整个沟道温度的影响，因此采用电学法的局限性是其测量所得到的温度通常是器件沟道温度的平均值，从而低估了器件的结温。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结温测试的新方法，以提高结温测试的准确度，减小测量误差。
本发明的技术方案是：利用器件的肖特基正向特性，提取肖特基接触电阻作为电学敏感参数，根据不同偏置条件下的肖特基接触电阻RB，得到相应功率下的器件结温值。其实现步骤包括如下：
(1)将被测器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对与器件同片号的传输线模型TLM结构施加电压，测量该模型TLM结构的欧姆接触电阻RC，
(2)设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，源极接地，栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS从0V到12V变化，测量不同外部温度下被测器件的输出特性，提取出导通电阻RON0，建立导通电阻RON0随外部温度的变化关系，并根据欧姆接触电阻RC得出栅源电阻RS0随不同外部温度的变化关系Ⅰ；
(3)设定栅极电压VGS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，栅极电压VGS从0V到3V变化，调节温度控制器，测量不同外部温度下被测器件的肖特基正向特性，提取出肖特基串联电阻RT0，建立肖特基串联电阻RT0随不同外部温度的变化关系Ⅱ；
(4)根据肖特基串联电阻RT0以及栅源电阻RS0随温度的变化曲线，得到肖特基接触电阻RB0随温度的变化关系，即校准曲线Ⅲ；
(5)源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件加栅极电压VGS，漏极电压VDS，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节漏极静态偏置点VDSQ以对被测器件施加不同功率，保持2分钟，使被测器件温度达到稳态后，切断栅源电压VGS以及漏源电压VDS，并采用与步骤(3)中相同的脉冲设置，在室温下对被测器件的肖特基正向特性进行测试，提取出肖特基串联电阻RT，建立肖特基串联电阻RT随不同偏置的变化关系Ⅳ；
(6)采用步骤(3)中相同的脉冲设置，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，选取与步骤(5)相同的漏极静态偏置点VDSQ，漏极电压VDS从0V到12V变化，测量被测器件的输出特性，提取出不同偏置下的导通电阻RON，并根据欧姆接触电阻RC得出栅源电阻RS随不同偏置的变化关系Ⅴ；
(7)根据步骤(5)得到的变化关系Ⅳ和步骤(6)得到的变化关系Ⅴ，得到不同偏置下的肖特基接触电阻RB，并将其与校准曲线Ⅲ相对应，得到被测器件在不同功率下的结温值。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点
本发明采用肖特基接触电阻作为电学敏感参数，由于其数值仅受到栅下沟道部分的温度影响，而器件结温一般出现在靠近漏极一侧的栅边缘处，因此通过此方法测量得到的温度比一般电学测试结果更接近于被测器件的实际结温，测试的准确性得到有效提升，且本发明操作简便，易于实现。
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：测试蓝宝石衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的结温。
步骤一，测量传输线模型TLM结构的欧姆接触电阻RC。
1a)将蓝宝石衬底上的被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对传输线模型TLM结构施加电压，设置电压范围为-0.5V到0.5V；
1b)测试传输线模型TLM结构的电流-电压I-V特性，提取被测器件的欧姆接触电阻RC；
步骤二，测量AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的导通电阻RON0。
2a)将被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件置于探针台上，源极接地，设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS从0V到12V变化，通过半导体参数分析仪对其施加栅极电压VGS和漏极电压VDS；
2b)调节温度控制器以对器件施加不同外部温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率HEMT器件的输出特性，提取器件的导通电阻RON0，
2c)通过公式RS0＝(RON0-2RC)×LSG/LSD+RC，提取出栅源电阻RS0，建立栅源电阻RS0随外部温度的变化关系Ⅰ，其中，RS0为器件的栅源电阻，RON0为器件导通电阻，RC为器件的欧姆接触电阻，LSG为栅源间距，LSD为源漏间距。
步骤三，测量不同温度下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性。
3a)通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS；
3b)设定VGS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，栅极电压VGS从0V到3V变化；
3c)调节温度控制器以对器件施加不同温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性；
3d)提取肖特基串联电阻RT0，建立肖特基串联电阻RT0随温度的变化关系Ⅱ。
步骤四，提取测量结温的校准曲线。
4a)根据肖特基串联电阻RT0随温度的变化关系Ⅰ以及栅源电阻RS0随温度的变化关系Ⅱ，得到肖特基接触电阻RB0随温度的变化关系，即校准曲线Ⅲ；
步骤五，测量室温下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件在不同功率时的肖特基正向特性。
5a)源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS，漏极电压VDS；
5b)固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节源极静态偏置点VDSQ对被测器件施加不同功率，保持1分钟，使被测器件温度达到稳态；
5c)同时切断栅极电压VGS以及栅极电压VDS，设定VGS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，控制VGS从0V到3V变化，测量室温下被测器件的肖特基正向特性；
5d)提取肖特基串联电阻RT，建立肖特基串联电阻RT随功率的变化关系Ⅳ。
步骤六，测量不同偏置下的导通电阻RON。
6a)设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节与步骤五中相同的漏极静态偏置VDSQ，漏极电压VDS从0V到12V变化，测量器件的输出特性，提取出不同偏置下的导通电阻RON；
6b)通过公式RS＝(RON-2RC)×LSG/LSD+RC，及步骤一中得到的欧姆电阻RC，提取出栅源电阻RS，建立栅源电阻RS随偏置的变化关系Ⅴ。
步骤七，提取被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件结温随功率的变化关系。
7a)据步骤(5)得到的变化关系Ⅳ和步骤(6)得到的变化关系Ⅴ，得到不同偏置下的肖特基接触电阻RB，并将其与校准曲线Ⅲ相对应，得到被测器件在不同功率下的结温值，完成器件结温的提取。
实施例2：测试碳化硅衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的结温。
步骤一，测量传输线模型TLM结构的欧姆接触电阻RC。
本实例步骤一与实施例1步骤一相同。
步骤二，测量AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的导通电阻RON0。
2a)将被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件置于探针台上，源极接地，设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS从0V到12V变化，通过半导体参数分析仪对其施加栅极电压VGS和漏极电压VDS；
2b)调节温度控制器以对器件施加不同外部温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率HEMT器件的输出特性，提取器件的导通电阻RON0，
2c)通过公式RS0＝(RON0-2RC)×LSG/LSD+RC，提取出栅源电阻RS0，建立栅源电阻RS0随外部温度的变化关系Ⅰ，其中，RS0为器件的栅源电阻，RON0为器件导通电阻，RC为器件的欧姆接触电阻，LSG为栅源间距，LSD为源漏间距。
步骤三，测量不同温度下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性。
3a)通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS；
3b)设定VGS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，栅极电压VGS从0V到3V变化；
3c)调节温度控制器以对器件施加不同温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性；
3d)提取肖特基串联电阻RT0，建立肖特基串联电阻RT0随温度的变化关系Ⅱ。
步骤四，提取测量结温的校准曲线。
本步骤与实施例1步骤四相同。
步骤五，测量室温下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件在不同功率时的肖特基正向特性。
5a)源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS，漏极电压VDS；
5b)固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节源极静态偏置点VDSQ对被测器件施加不同功率，保持2分钟，使被测器件温度达到稳态；
5c)同时切断栅极电压VGS以及栅极电压VDS，设定VGS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，控制VGS从0V到3V变化，测量室温下被测器件的肖特基正向特性；
5d)提取肖特基串联电阻RT，建立肖特基串联电阻RT随功率的变化关系Ⅳ。
步骤六，测量不同偏置下的导通电阻RON。
6a)设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节漏极静态偏置VDSQ与步骤五中相同，漏极电压VDS从0V到12V变化；
6b)测量器件的输出特性，提取出不同偏置下的导通电阻RON；
6c)通过公式RS＝(RON-2RC)×LSG/LSD+RC，及步骤一中得到的欧姆电阻RC，提取出栅源电阻RS，建立栅源电阻RS随偏置的变化关系Ⅴ；
步骤七，提取被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件结温随功率的变化关系。
本步骤与实施例1中步骤七相同。
实施例3：硅衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的结温测试
步骤一，测量传输线模型TLM结构的欧姆接触电阻RC。
本步骤与实施例1中步骤一相同。
步骤二，测量AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的导通电阻RON0。
2a)将被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件置于探针台上，源极接地，设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS从0V到12V变化，通过半导体参数分析仪对其施加栅极电压VGS和漏极电压VDS；
2b)调节温度控制器以对器件施加不同外部温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率HEMT器件的输出特性，提取器件的导通电阻RON0，
2c)通过公式RS0＝(RON0-2RC)×LSG/LSD+RC，提取出栅源电阻RS0，建立栅源电阻RS0随外部温度的变化关系Ⅰ，其中，RS0为器件的栅源电阻，RON0为器件导通电阻，RC为器件的欧姆接触电阻，LSG为栅源间距，LSD为源漏间距。
步骤三，测量不同温度下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性。
3a)通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS；
3b)设定VGS脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，栅极电压VGS从0V到3V变化；
3c)调节温度控制器以对器件施加不同温度，测量25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的肖特基正向特性；
3d)提取肖特基串联电阻RT0，建立肖特基串联电阻RT0随温度的变化关系Ⅱ。
步骤四，提取测量结温的校准曲线。
本步骤与实施例1中步骤四相同。
步骤五，测量室温下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件在不同功率时的肖特基正向特性。
5a)源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加栅极电压VGS，漏极电压VDS；
5b)固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节源极静态偏置点VDSQ对被测器件施加不同功率，保持3分钟，使被测器件温度达到稳态；
5c)同时切断栅极电压VGS以及栅极电压VDS，设定VGS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，控制VGS从0V到3V变化，测量室温下被测器件的肖特基正向特性；
5d)提取肖特基串联电阻RT，建立肖特基串联电阻RT随功率的变化关系Ⅳ。
步骤六，测量不同偏置下的导通电阻RON。
6a)设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节漏极静态偏置VDSQ与步骤五中相同，漏极电压VDS从0V到12V变化；
6b)测量器件的输出特性，提取出不同偏置下的导通电阻RON；
6c)通过公式RS＝(RON-2RC)×LSG/LSD+RC，及步骤一中得到的欧姆电阻RC，提取出栅源电阻RS，建立栅源电阻RS随偏置的变化关系Ⅴ。
步骤七，提取被测AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件结温随功率的变化关系。
本步骤与实施例1中步骤七相同。
以上描述仅是本发明的几个具体实例，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 (3)

1.一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的结温测试方法，包括：
(1)将被测器件置于探针台上，通过半导体参数分析仪对与器件同片号的传输线模型TLM结构施加电压，测量该模型TLM结构的欧姆接触电阻RC，
(2)设定栅极电压VGS和漏极电压VDS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，源极接地，栅极静态偏置点VGSQ与源极静态偏置点VDSQ为0V，漏极电压VDS从0V到12V变化，测量不同外部温度下被测器件的输出特性，提取出导通电阻RON0，建立导通电阻RON0随外部温度的变化关系，并根据欧姆接触电阻RC得出栅源电阻RS0随不同外部温度的变化关系Ⅰ；
(3)设定栅极电压VGS的脉冲宽度500ns，脉冲周期1ms，栅极静态偏置点VGSQ为0V，栅极电压VGS从0V到3V变化，调节温度控制器，测量不同外部温度下被测器件的肖特基正向特性，提取出肖特基串联电阻RT0，建立肖特基串联电阻RT0随不同外部温度的变化关系Ⅱ；
(4)根据肖特基串联电阻RT0以及栅源电阻RS0随温度的变化曲线，得到肖特基接触电阻RB0随温度的变化关系，即校准曲线Ⅲ；
(5)源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件加栅极电压VGS，漏极电压VDS，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，调节漏极静态偏置点VDSQ以对被测器件施加不同功率，保持1-4分钟，使被测器件温度达到稳态后，切断栅极电压VGS以及漏极电压VDS，并采用与步骤(3)中相同的脉冲设置，在室温下对被测器件的肖特基正向特性进行测试，提取出肖特基串联电阻RT，建立肖特基串联电阻RT随不同偏置的变化关系Ⅳ；
(6)采用步骤(3)中相同的脉冲设置，固定栅极静态偏置点VGSQ为0V，选取与步骤(5)相同的漏极静态偏置点VDSQ，漏极电压VDS从0V到12V变化，测量被测器件的输出特性，提取出不同偏置下的导通电阻RON，并根据欧姆接触电阻RC得出栅源电阻RS随不同偏置的变化关系Ⅴ；
(7)根据步骤(5)得到的变化关系Ⅳ和步骤(6)得到的变化关系Ⅴ，得到不同偏置下的肖特基接触电阻RB，并将其与校准曲线Ⅲ相对应，得到被测器件在不同功率下的结温值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中外部所加的温度为25℃，60℃，90℃，120℃，150℃，180℃，200℃这7个温度点。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)与步骤(2)外部所加温度相同。
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