CN112345907A - GaN功率器件的结温测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体技术领域，具体公开一种GaN功率器件的结温测试装置及方法。装置包括控制模块、电压产生模块、电流产生模块以及电压测量模块；电压产生模块用于根据控制模块的控制指令输出开启电压至栅极，以使GaN功率器件导通；电流产生模块用于根据控制模块的控制指令，在GaN功率器件导通后输出脉冲电流至源极和漏极之间；电压测量模块连接于源极和漏极的两端，用于根据控制模块的控制指令，测量源漏极两端电压；控制模块用于根据测量到的源漏极两端电压确定GaN功率器件的结温。解决了小电流注入导致的测试电压过低，整体测试精度低的问题，由于脉冲电流导通时间较短，因此避免大电流注入导致的引入额外热量过多的问题，提高了结温测试的精准度。

Description

GaN功率器件的结温测试装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种GaN功率器件的结温测试装置及方法。

背景技术

功率器件的结温数据是评估其可靠性的重要指标，结温波动以及平均结温等指标都将直接影响器件的寿命，因此准确的结温监测可为器件状态管理、性能评估、健康状态评估以及寿命预计提供重要依据。

例如，针对Si基MOSFET器件，通常采用小电流条件下测试源极和漏极间的寄生体二极管结压实现较为精准的结温测试，小电流一般在mA级别，其好处是引入的额外热量很小，能够准备反映器件的实际结温。但是针对GaN功率器件而言，由于其导通电阻较小(几毫欧-几十毫欧)，若采用小电流注入，则将导致测试电压过低(μV-mV级别)，抗电噪声干扰能力较差，影响整体测试精度，若采用大电流，器件自发热，引入了大量额外热量，最终获得的结温并非真实的器件结温，无法实现精准的结温测试。

发明内容

基于此，有必要针对无法对GaN功率器件的结温进行精准测试的问题，提供一种GaN功率器件的结温测试装置及方法。

一种GaN功率器件的结温测试装置，所述GaN功率器件包括栅极、源极和漏极，所述结温测试装置包括控制模块、电压产生模块、电流产生模块以及电压测量模块；

所述电压产生模块分别连接所述栅极和所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令输出开启电压至所述栅极，以使所述GaN功率器件导通；

所述电流产生模块连接于所述源极和所述漏极的两端，同时连接所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令，在所述GaN功率器件导通后输出脉冲电流至所述源极和所述漏极之间；

所述电压测量模块连接于所述源极和所述漏极的两端，同时连接所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令，测量所述源极和所述漏极两端电压；

所述控制模块用于输出对应的控制指令至所述电压产生模块、所述电流产生模块以及电压测量模块，并根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温。

在其中一个实施例中，所述结温测试装置还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块连接，用于存储所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，所述控制模块用于根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系确定所述GaN功率器件的结温。

在其中一个实施例中，所述电压产生模块包括电压脉冲产生器。

在其中一个实施例中，所述电流产生模块包括脉冲电流源，所述脉冲电流的大小位于1-100A之间，所述脉冲电流的宽度位于1μs-10ms之间。

在其中一个实施例中，所述电压测量模块包括电压表。

一种GaN功率器件的结温测试方法，所述GaN功率器件包括栅极、源极和漏极，所述结温测量方法包括：

输出开启电压至所述栅极，以导通所述GaN功率器件；

输出脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和所述漏极两端电压；

根据所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温。

在其中一个实施例中，根据所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温的步骤包括：

根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，确定所述GaN功率器件的结温。

在其中一个实施例中，在所述根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，确定所述GaN功率器件的结温的步骤之前还包括获取所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系的步骤：

将待测试的GaN功率器件放置于温度可调的测试环境中；

在不同温度的测试环境中，输出驱动电压至所述栅极，以导通所述GaN功率器件，并在所述GaN功率器件导通时注入所述脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和漏极两端电压，并形成所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，所述测试环境的温度用于表征所述GaN功率器件结温。

在其中一个实施例中，所述驱动电压包括脉冲电压。

在其中一个实施例中，所述输出脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和所述漏极两端电压的步骤包括：

按照预设的时间间隔多次输出脉冲电流值所述源极和漏极之间，并多次测量所述源极和漏极两端电压。

上述GaN功率器件的结温测试装置，包括电压产生模块、电流产生模块、电压测量模块以及控制模块，通过电压产生模块输出开启电压至GaN功率器件的栅极，进而导通GaN功率器件，同时通过电流产生模块在GaN功率器件导通后输出脉冲电流至源漏极之间，此时通过电压测量模块测量源漏极两端电压，控制模块再根据源漏极两端电压确定GaN功率器件的结温。由于注入至源漏极间的电流为脉冲电流，电流值可以设置为较大值，一方面解决了小电流注入导致的测试电压过低，抗电噪声干扰能力差，整体测试精度低的问题，另一方面由于脉冲电流导通时间较短，因此避免大电流注入导致的引入额外热量过多的问题，提高了结温测试的精准度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的结温测试装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的结温测试装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的结温测试装置的结构示意图；

图4为源漏极两端电压和器件结温的关系图；

图5为本申请实施例提供的结温测试方法的流程框图；

图6为器件结温随时间的变化图。

附图标记说明：

10、控制模块；11、电压产生模块；12、电流产生模块；13、电压测量模块；14、存储模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

正如背景技术中所说，目前针对Si基MOSFET器件的结温测试方法是在小电流条件下测试源极和漏极间的寄生体二极管结压实现较为精准的结温测试。而针对GaN功率器件，由于其采用的是非故意掺杂的二维电子气导通沟道，不具备PN结的寄生体二极管，因此无法使用与Si基MOSFET器件相同的结温测试方法。

而目前已有的对GaN功率器件结温的测试方法一般为采用器件的导通电阻参数测试，该方法存在以下缺点：导通电阻的热敏感度很小，导致结温测试精度低，无法实现精准测试；导通电阻往往只有mΩ级，导致小电流注入信号无法实现可观的结压，电压信号过小，容易受系统干扰，倘若进一步增大注入电流又会带来器件自热问题，无法真实反映器件结温状态。

而目前尚未出现GaN功率器件的精准结温测试方法，这导致GaN功率器件结温测试数据的缺乏，无法对GaN功率器件的结温数据进行系统性的研究，更无法有效预估其工作寿命。

由此可知，如何对GaN功率器件进行精准的结温测试是目前本领域技术人员继续解决的问题。

为解决上述问题，本申请提供了一种GaN功率器件的结温测试装置以及结温测试方法。

实施例1

本实施例提供了一种GaN功率器件的结温测试装置，其中，GaN功率器件包括栅极、源极和漏极，参考图1和2，结温测试装置包括控制模块10、电压产生模块11、电流产生模块12以及电压测量模块13。

其中，电压产生模块11分别连接栅极和控制模块10，用于根据控制模块10的控制指令输出开启电压至栅极，以使GaN功率器件导通。电流产生模块12连接于源极和漏极的两端，同时连接控制模块10，用于根据控制模块10的控制指令，在GaN功率器件导通后输出脉冲电流至源极和漏极之间。电压测量模块13连接于源极和漏极的两端，同时连接控制模块10，用于根据控制模块10的控制指令，测量源极和漏极两端电压。控制模块10用于输出对应的控制指令至电压产生模块11、电流产生模块12以及电压测量模块13，并根据测量到的源极和漏极两端电压确定GaN功率器件的结温。

具体地，控制模块10控制电压产生模块11输出开启电压至GaN功率器件的栅极，以启动GaN功率器件，GaN功率器件正向导通，开始工作，此时在导通电流I_DS条件下器件结温上升。控制模块10再控制电流产生模块12输出脉冲电流至源极和漏极之间，并同时控制电压测量模块13测量源极和漏极两端的电压。最终，控制模块10再根据测量到的源极和漏极两端的电压确定GaN功率器件的结温。

由于注入至源漏极间的电流为脉冲电流，电流值可以设置为较大值，一方面解决了小电流注入导致的测试电压过低，抗电噪声干扰能力差，整体测试精度低的问题，另一方面由于脉冲电流导通时间较短，因此避免大电流注入导致的引入额外热量过多的问题，提高了结温测试的精准度。

在其中一个实施例中，参考图3，结温测试装置还包括存储模块14，存储模块14与控制模块10连接，用于存储GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，控制模块10用于根据测量到的源极和漏极两端电压，以及GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系确定GaN功率器件的结温。其中，GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系可以以图表的形式保存于存储模块14中，可参见图4。

具体地，在进行结温测试之前，可以在不同温度的测试环境中，控制电压产生模块11输出驱动电压至GaN功率器件的栅极，以导通GaN功率器件，并在GaN功率器件导通的瞬间，通过电流产生模块12注入脉冲电流与源极和漏极之间，与此同时，通过电压测量模块13测量源极和漏极两端的电压，并记录测试环境温度与源漏极两端压差之间的映射关系，并将该映射关系存储于存储模块14中。在该过程中，在没有导通电流I_DS的作用下，器件自身结温不会升高，因此设定的测试环境的温度与器件结温几乎等同，可以用当前测试环境的温度来表征当前器件结温，最终获取到的实际也是源漏极两端压差与器件结温的对应关系。

在结温测试中，控制模块10获取到电压测量模块13测量到的源漏极两端压差之后，调用存储模块14中存储的上述映射关系，并根据该映射关系以及获取到的源漏极两端压差，确定GaN功率器件的当前结温信息。

需要说明的是，在形成GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系的测试过程中所采用的脉冲电流，与在对GaN功率器件的实际结温测试过程中所采用的脉冲电流相同。

在其中一个实施例中，电压产生模块11包括电压脉冲产生器，用于产生脉冲电压，并输出脉冲电压至GaN功率器件的栅极。

在其中一个实施例中，电流产生模块12包括脉冲电流源，脉冲电流的大小位于1-100A之间，脉冲电流的宽度为微秒至毫秒(μsec-msec)级别，优选地，本实施例中脉冲电流的宽度位于1μs-10ms之间。实际使用时，可以根据需求设置脉冲电流，优选设置于1A-10A之间。这相对于传统的小电流注入方式，避免了测量得到的源极和漏极的两端电压过小、易受干扰导致无法得到正确的结温数据。同时，脉冲电流源输出的脉冲电流导通时间较短，引入的额外热量(例如器件的自发热)可以忽略不计，不会影响器件真实工作状态。

在其中一个实施例中，电压测量模块13包括电压表。当然，还可以选用其他任何能够测量电压的设备，均可实现本申请目的。

上述结温测试装置中的控制模块10控制电压产生模块11、电流产生模块12以及电压测量模块13的具体方法请参见实施例2中的相应描述。

实施例2

本实施例提供了一种GaN功率器件的结温测试方法，其中，GaN功率器件包括栅极、源极和漏极。参见图5，本实施例所提供的结温测量方法包括以下步骤：

步骤S20、输出开启电压至栅极，以导通GaN功率器件。即，向GaN功率器件的栅极施加开启电压，GaN功率器件正向导通。该步骤中，可以在源漏极之间同时注入导通电流，以使GaN功率器件结温上升。

步骤S22、输出脉冲电流至源极和漏极之间，同时测量源极和漏极两端电压。

具体地，在启动GaN功率器件，器件结温上升后，输出脉冲电流至源极和漏极之间，同时测量源漏极两端电压。其中，脉冲电流值一般位于1-100A之间，例如1A-10A之间，以促使形成足够大的源漏极两端电压。脉冲电流宽度为微秒至毫秒(μsec-msec)级别，优选地，本实施例中，脉冲电流宽度位于1μs-10ms之间，由于脉冲电流导通时间较短，引入的额外热量(例如器件的自发热)可以忽略不计，不会影响器件的真实工作状态。

需要说明的是，在步骤中首先需先取消注入导通电流，然后再注入脉冲电流。

本实施例中，可以采用电压表测量源漏极两端电压，操作简单、易实施，且成本低。另外由于脉冲电流的导通时间较短，因此控制电压表实时测量源漏极两端电压，以确保能够准确采集到注入脉冲电流时刻的源漏极两端电压数据。

步骤S24、根据源极和漏极两端电压确定GaN功率器件的结温。

当获取到源漏极两端电压，则可根据源极和漏极两端电压确定GaN功率器件的结温。

上述结温测试方法中，由于注入至源漏极间的电流为脉冲电流，电流值可以设置为较大值，一方面解决了小电流注入导致的测试电压过低，抗电噪声干扰能力差，整体测试精度低的问题，另一方面由于脉冲电流导通时间较短，因此避免大电流注入导致的引入额外热量过多的问题，提高了结温测试的精准度。

在其中一个实施例中，步骤S24,即根据源极和漏极两端电压确定GaN功率器件的结温的步骤包括：根据测量到的源极和漏极两端电压，以及GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，确定GaN功率器件的结温。

即，在进行结温测试之前，需预先确定GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，以便为结温测试提供依据。

具体地，本实施例所提供的结温测试方法中还包括获取GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系的步骤：

首先，将待测试的GaN功率器件放置于温度可调的测试环境中。该温度可调的测试环境可以是可调温的环境试验箱，也可以为恒温油池等系统，实际应用中，应确保测试环境温度在室温-200℃之间可调节。

接着，设定不同的测试环境温度，且分别在不同温度的测试环境中，输出驱动电压至栅极，以导通GaN功率器件，并在GaN功率器件导通时注入脉冲电流至源极和漏极之间，同时测量源极和漏极两端电压，并形成GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，测试环境的温度用于表征GaN功率器件结温。

由于在上述过程中，并未给GaN功率器件注入导通电流，因此GaN功率器件的结温不会在导通电流的作用下上升，器件结温仅与当前的测试环境温度有关，因此，可将器件结温等同于测试环境温度，当获取到源极和漏极两端电压后，可将源漏极两端电压与当前的测试环境温度一一对应起来，形成源漏极两端电压和测试环境温度的映射关系，也即源漏极两端电压和器件结温的映射关系。

其中，映射关系可以以图表形式存储，如图4所示。

在其中一个实施例中，在不同温度的测试环境中，输出至栅极的驱动电压包括脉冲电压，可以使用电压脉冲发生器产生脉冲电压，通过脉冲电压实现器件沟道的开启和关断。需要注意的是，需同步控制输出至栅极的脉冲电压和输出至源漏极之间的脉冲电流，以确保器件导通的时刻同步注入脉冲电流，准确获得源漏极两端电压。

在其中一个实施例中，步骤S22，即输出脉冲电流至源极和漏极之间，同时测量源极和漏极两端电压的步骤包括:

按照预设的时间间隔多次输出脉冲电流值至源极和漏极之间，并多次测量源极和漏极两端电压。

具体地，可以间断性输出脉冲电流值至源漏极之间，预设的时间间隔可以为2s或3s或4s等，可以根据实际需求设定，在此不做具体限制。即，可以多次采集源漏极两端电压，进而获取到器件在不同时刻的器件结温，有助于对器件结温波动、平均结温等结温数据等进行分析，实现针对GaN功率器件的结温系统性研究，例如对器件是否失效，以及器件的寿命进行研究。图6为器件结温随时间的变化图。

当然，也可以不按照固定的时间间隔，而是按照随机时间间隔输出脉冲电流值，也可以实现本申请的目的。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种GaN功率器件的结温测试装置，其特征在于，所述GaN功率器件包括栅极、源极和漏极，所述结温测试装置包括控制模块、电压产生模块、电流产生模块以及电压测量模块；

所述电压产生模块分别连接所述栅极和所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令输出开启电压至所述栅极，以使所述GaN功率器件导通；

所述电流产生模块连接于所述源极和所述漏极的两端，同时连接所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令，在所述GaN功率器件导通后输出脉冲电流至所述源极和所述漏极之间；

所述电压测量模块连接于所述源极和所述漏极的两端，同时连接所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制指令，测量所述源极和所述漏极两端电压；

所述控制模块用于输出对应的控制指令至所述电压产生模块、所述电流产生模块以及电压测量模块，并根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温。

2.根据权利要求1所述的GaN功率器件的结温测试装置，其特征在于，所述结温测试装置还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块连接，用于存储所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，所述控制模块用于根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系确定所述GaN功率器件的结温。

3.根据权利要求1所述的GaN功率器件的结温测试装置，其特征在于，所述电压产生模块包括电压脉冲产生器。

4.根据权利要求1所述的GaN功率器件的结温测试装置，其特征在于，所述电流产生模块包括脉冲电流源，所述脉冲电流的大小位于1-100A之间，所述脉冲电流的宽度位于1μs-10ms之间。

5.根据权利要求1所述的GaN功率器件的结温测试装置，其特征在于，所述电压测量模块包括电压表。

6.一种GaN功率器件的结温测试方法，其特征在于，所述GaN功率器件包括栅极、源极和漏极，所述结温测量方法包括：

输出开启电压至所述栅极，以导通所述GaN功率器件；

输出脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和所述漏极两端电压；

根据所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温。

7.根据权利要求6所述的GaN功率器件的结温测试方法，其特征在于，根据所述源极和所述漏极两端电压确定所述GaN功率器件的结温的步骤包括：

根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，确定所述GaN功率器件的结温。

8.根据权利要求7所述的GaN功率器件的结温测试方法，其特征在于，在所述根据测量到的所述源极和所述漏极两端电压，以及所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，确定所述GaN功率器件的结温的步骤之前还包括获取所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系的步骤：

将待测试的GaN功率器件放置于温度可调的测试环境中；

在不同温度的测试环境中，输出驱动电压至所述栅极，以导通所述GaN功率器件，并在所述GaN功率器件导通时注入所述脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和漏极两端电压，并形成所述GaN功率器件结温与源漏极两端压差的映射关系，所述测试环境的温度用于表征所述GaN功率器件结温。

9.根据权利要求8所述的GaN功率器件的结温测试方法，其特征在于，所述驱动电压包括脉冲电压。

10.根据权利要求6所述的GaN功率器件的结温测试方法，其特征在于，所述输出脉冲电流至所述源极和漏极之间，同时测量所述源极和所述漏极两端电压的步骤包括：

按照预设的时间间隔多次输出脉冲电流值所述源极和漏极之间，并多次测量所述源极和漏极两端电压。

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