CN113505504B - 一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，包括：使用半导体参数分析仪对漏极和栅极施加电压，测量器件的饱和漏电流，并计算耗散功率；利用红外热像仪测试器件的工作结温T；利用有限元软件建立器件电热耦合模型，根据工作结温校准器件电热耦合模型，得到器件电热耦合模型；利用器件电热耦合模型获取器件的结温分布，根据器件的结温分布建立一维热源模型；利用有限元软件根据一维热源模型建立三维热模型，并对三维热模型进行调整，使其与校准后的器件电热耦合模型仿真结果一致，得到GaN HEMT器件热源模型。克服了实验上利用红外热成像法和电学法对器件结温测量的偏差；热仿真模型精度高且计算量小，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于晶体管结温测量方法技术领域，涉及一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法。
背景技术
GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件以其大功率、高频率和高击穿电压等优点被广泛应用在通信基站、汽车电子、卫星等民用和军用领域。但由于工作在很高的功率密度下，热量集聚在有源区微米量级的范围内，因而要求GaN HEMT必须具有良好的散热能力以抑制高温对器件性能和可靠性的损害。因此，需要准确提取GaN HEMT器件的工作结温及热阻，评估GaN HEMT器件的热可靠性。
常见的器件结温测量方法包括光学法和电学法。其中，光学法主要有微区拉曼测试和红外热成像法等，但前者需要搭建专门的测试平台，后者测量精度较低；电学法通过提取器件温敏参数，测量该参数与器件偏置的关系，最后推导得到器件的平均结温，但该温度低于器件的实际工作结温，因此不能得到器件的准确热阻。此外，传统的器件结温仿真模型采用与栅长等值、热功率均匀分布的长方形作为热源，与实际热产生分布存在偏差，且不能计入器件工作结温与偏置电压的关系，不能准确评估器件热可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，解决了现有技术中存在的测量存在误差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，包括以下步骤：
步骤1、使用半导体参数分析仪对漏极和栅极施加电压，测量GaN HEMT器件的饱和漏电流，并计算耗散功率；
步骤2、利用红外热像仪测试GaN HEMT器件的工作结温T；
步骤3、利用有限元软件建立GaN HEMT器件电热耦合模型，根据步骤2得到的工作结温校准GaN HEMT器件电热耦合模型，得到器件电热耦合模型；
步骤4、利用器件电热耦合模型获取GaN HEMT器件的结温分布，根据GaN HEMT器件的结温分布建立一维热源模型；
步骤5、利用有限元软件根据一维热源模型建立三维热模型，并对三维热模型进行调整，使其与校准后的器件电热耦合模型仿真结果一致，得到GaN HEMT器件热源模型。
本发明的特点还在于：
步骤2具体过程为：利用红外热像仪分别测试不同耗散功率、恒定耗散功率条件下GaN HEMT器件的工作结温，当测试不同耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，通过调节栅极或漏极电压使耗散功率在0-10W/mm范围内波动；当测试恒定耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，同时改变栅极和漏极电压。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、采用步骤二中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于GaN HEMT器件的电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立GaNHEMT器件电热耦合模型；
步骤3.2、求解GaN HEMT器件电热耦合模型，得到GaN HEMT器件各区域的结温分布，获取该偏置条件下沟道最大温度TMAX0、平均温度TAVG0；
步骤3.3、重复步骤3.1-3.2，直至平均温度TAVG0与步骤2得到的工作结温T相等，得到器件电热耦合模型。
步骤3.1中材料特征包括禁带宽度、极化强度、金属功函数、电子亲和能、AlGaN势垒层合金组分、载流子迁移率、介电常数、AlGaN/GaN界面导带差、有效质量、导带和价带有效态密度，以及热导率、质量密度、比热容参数；电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
步骤4具体为：利用器件电热耦合模型提取沿沟道方向单位面积的热分布，并对垂直沟道方向的热分布进行积分，得到沿沟道方向的一维热源模型。
步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1、利用一维热源模型，采用步骤三中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立三维热模型；
步骤5.2、求解不同耗散功率下三维热模型得到沟道温度的最大值TMAX1、平均值TAVG1；
步骤5.3、重复步骤5.1-5.2，直至最大值TMAX1、平均值TAVG1与最大温度TMAX0、平均温度TAVG0相等，得到GaN HEMT器件热源模型。
步骤5.1中材料特征包括热导率、质量密度、比热容参数；电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
本发明的有益效果是：
本发明一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，计入工作结温与偏置电压的关系，提取器件精确的热源分布，能得到器件工作结温和热阻的准确值，克服了实验上利用红外热成像法和电学法对器件结温测量的偏差；热仿真模型精度高且计算量小，易于实现。
附图说明
图1是本发明一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，包括以下步骤：
步骤1、使用半导体参数分析仪对漏极和栅极施加电压，测量GaN HEMT器件的饱和漏电流，并计算耗散功率；
具体的，将GaN HEMT器件置于工作台上，源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压，测量GaN HEMT器件的饱和漏电流，并计算耗散功率；
步骤2、利用红外热像仪测试GaN HEMT器件的工作结温T；
具体的，利用红外热像仪分别测试不同耗散功率、恒定耗散功率两种条件下GaNHEMT器件的工作结温，当测试不同耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，通过调节栅极或漏极电压使耗散功率在0-10W/mm范围内波动；当测试恒定耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，同时改变栅极和漏极电压偏置条件。
步骤3、利用有限元软件建立GaN HEMT器件电热耦合模型，根据步骤2得到的工作结温校准GaN HEMT器件电热耦合模型，得到器件电热耦合模型；
步骤3.1、采用步骤二中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于GaN HEMT器件的电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立GaNHEMT器件电热耦合模型；
材料特征包括禁带宽度、极化强度、金属功函数、电子亲和能、AlGaN势垒层合金组分、载流子迁移率、介电常数、AlGaN/GaN界面导带差、有效质量、导带和价带有效态密度，以及热导率、质量密度、比热容参数；电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
步骤3.2、求解GaN HEMT器件电热耦合模型，得到GaN HEMT器件各区域的结温分布，分别获取两种偏置条件下沟道最大温度TMAX0、平均温度TAVG0；
步骤3.3、重复步骤3.1-3.2，直至两种偏置条件下平均温度TAVG0与步骤2得到的工作结温T均相等，得到器件电热耦合模型。
步骤4、利用器件电热耦合模型获取GaN HEMT器件的结温分布，根据GaN HEMT器件的结温分布建立一维热源模型；
具体的，利用器件电热耦合模型提取沿沟道方向单位面积的热分布，并对垂直沟道方向的热分布进行积分，得到沿沟道方向的一维热源模型。
步骤5、利用有限元软件根据一维热源模型建立三维热模型，并对三维热模型进行调整，使其与校准后的器件电热耦合模型仿真结果一致，得到GaN HEMT器件热源模型。
步骤5.1、利用一维热源模型，采用步骤三中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立三维热模型；
材料特征包括热导率、质量密度、比热容参数；电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
步骤5.2、分别求解两种偏置条件下三维热模型得到沟道温度的最大值TMAX1、平均值TAVG1；
步骤5.3、重复步骤5.1-5.2，直至两种偏置条件下最大值TMAX1、平均值TAVG1与最大温度TMAX0、平均温度TAVG0对应相等，将该三维热模型作为GaN HEMT器件热源模型，即得到GaNHEMT器件热源模型。
通过以上方式，本发明一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，提取器件精确的热源分布，能得到器件工作结温和热阻的准确值，克服了实验上利用红外热成像法和电学法对器件结温测量的偏差；热仿真模型精度高且计算量小，易于实现。
实施例1蓝宝石衬底上GaN HEMT器件热源模型提取方法。
步骤1、将被测器件置于工作台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：对栅极分别施加电压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS从0V扫描到10V，测量器件输出特性，提取饱和漏电流IDS，计算耗散功率Pd＝VDS×IDS；
步骤2、利用红外热像仪测试不同耗散功率Pd下GaN基HEMT器件的工作结温T，其中栅极电压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS＝10V；
利用红外热像仪测试相同耗散功率Pd＝5W/mm下GaN基HEMT器件的工作结温T，其中栅极电压VGS＝-1、0、1、2V；
步骤3、仿真中采用步骤二中栅极电压和漏极电压的两种偏置条件，基于被测器件栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度、GaN缓冲层厚度、AlGaN势垒层厚度、场板厚度以及各层异质结材料的禁带宽度、极化强度、金属功函数、电子亲和能、AlGaN势垒层合金组分、载流子迁移率、介电常数、AlGaN/GaN界面导带差、有效质量、导带和价带有效态密度、热导率、质量密度、比热容材料等相关参数，在商用Sentaurus软件中求解电-热耦合方程，计算得到器件各区域的结温分布，进而提取出该偏置条件下沟道最大温度TMAX0和平均温度TAVG0；
用红外测试结果得到的器件工作温度T与对应偏置条件下的GaN HEMT器件电热耦合模型仿真提取的沟道平均温度TAVG0对比，校准GaN HEMT器件电热耦合模型。
步骤4、利用器件电热耦合模型提取沿沟道方向单位面积的热分布，并对垂直沟道方向的热分布进行积分，得到沿沟道方向的一维热源模型；
步骤5、利用一维热源模型，采用步骤三中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于被测器件栅长、栅宽、栅间距、栅极到漏极的距离、栅极到源极的距离、衬底厚度、GaN缓冲层厚度、AlGaN势垒层厚度、场板厚度以及各层材料的热导率、质量密度、比热容材料等相关参数，在有限元软件COMSOL中建立三维有限元热模型，设定初始温度和边界条件，利用软件的热分析功能，通过有限元求解各节点的热平衡方程，得到两种偏置条件下沟道温度的最大值TMAX1和平均值TAVG1；
用沟道最大温度TMAX0和平均温度TAVG0与沟道最大温度TMAX1和平均温度TAVG1对比，若在两种偏置条件下沟道最大温度TMAX0、平均温度TAVG0分别与沟道最大温度TMAX1、平均温度TAVG1相同，则在有限元软件COMSOL中建立的热仿真模型具有正确性；若在两种偏置条件下沟道最大温度TMAX0和平均温度TAVG0与沟道最大温度TMAX1和平均温度TAVG1存在差异，则回到上歩调整模型，直至沟道最大温度TMAX0、平均温度TAVG0分别与沟道最大温度TMAX1、平均温度TAVG1相同。
实施例2：碳化硅衬底上GaN HEMT器件热源模型提取方法
步骤1、测试器件的输出特性；
将被测器件置于工作台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：对栅极分别施加电压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS从0V扫描到12V，测量器件输出特性，提取饱和漏电流IDS，计算耗散功率Pd＝VDS×IDS；
步骤2、用红外热像仪测试器件的工作结温；
利用红外热像仪测试不同耗散功率Pd下GaN基HEMT器件的工作结温，其中栅压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS＝12V；和相同耗散功率Pd＝7.5W/mm下GaN基HEMT器件的工作结温，其中栅压VGS＝-1、0、1、2V；
步骤3、用Sentaurus有限元软件建立有限元电-热模型；
步骤4、提取器件热产生分布并建立一维热源模型；
步骤5、用COMSOL有限元软件建立三维有限元热模型。
实施例3：硅衬底上GaN HEMT器件热源模型提取方法。
步骤1、测试器件的输出特性。
将被测器件置于工作台上，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压：对栅极分别施加电压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS从0V扫描到15V，测量器件输出特性，提取饱和漏电流IDS，计算耗散功率Pd＝VDS×IDS；
步骤2、用红外热像仪测试器件的工作结温。
利用红外热像仪测试不同耗散功率Pd下GaN基HEMT器件的工作结温，其中栅压VGS＝-1、0、1、2V，漏极电压VDS＝15V；和相同耗散功率Pd＝10W/mm下GaN基HEMT器件的工作结温，其中栅压VGS＝-1、0、1、2V；
步骤3、，用Sentaurus有限元软件建立有限元电-热模型；
步骤4、提取器件热产生分布并建立一维热源模型；
步骤5、用COMSOL有限元软件建立三维有限元热模型。
Claims (5)
1.一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、使用半导体参数分析仪对漏极和栅极施加电压，测量GaN HEMT器件的饱和漏电流，并计算耗散功率；
步骤2、利用红外热像仪分别测试不同耗散功率、恒定耗散功率条件下GaN HEMT器件的工作结温，当测试不同耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，通过调节栅极或漏极电压使耗散功率在0-10 W/mm范围内波动；当测试恒定耗散功率下GaN HEMT器件的工作结温时，同时改变栅极和漏极电压；
步骤3、利用有限元软件建立GaN HEMT器件电热耦合模型，根据步骤2得到的所述工作结温校准GaN HEMT器件电热耦合模型，得到器件电热耦合模型；
步骤4、利用所述器件电热耦合模型提取沿沟道方向单位面积的热分布，并对垂直沟道方向的热分布进行积分，得到沿沟道方向的一维热源模型；
步骤5、利用有限元软件根据所述一维热源模型建立三维热模型，并对三维热模型进行调整，使其与校准后的器件电热耦合模型仿真结果一致，得到GaN HEMT器件热源模型。
2.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、采用步骤二中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于GaN HEMT器件的电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立GaNHEMT器件电热耦合模型；
步骤3.2、求解GaN HEMT器件电热耦合模型，得到GaN HEMT器件各区域的结温分布，获取该偏置条件下沟道最大温度TMAX0、平均温度TAVG0；
步骤3.3、重复步骤3.1-3.2，直至平均温度TAVG0与步骤2得到的工作结温T相等，得到器件电热耦合模型。
3.根据权利要求2所述的一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，其特征在于，步骤3.1中所述材料特征包括禁带宽度、极化强度、金属功函数、电子亲和能、AlGaN势垒层合金组分、载流子迁移率、介电常数、AlGaN/GaN界面导带差、有效质量、导带和价带有效态密度，以及热导率、质量密度、比热容参数；所述电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
4.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1、利用所述一维热源模型，采用步骤三中的栅极电压和漏极电压偏置条件，基于电极、衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、场板的尺寸特征和材料特征，在有限元软件上建立三维热模型；
步骤5.2、求解不同耗散功率下所述三维热模型得到沟道温度的最大值TMAX1、平均值TAVG1；
步骤5.3、重复步骤5.1-5.2，直至最大值TMAX1、平均值TAVG1与最大温度TMAX0、平均温度TAVG0相等，得到GaN HEMT器件热源模型。
5.根据权利要求4所述的一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法，其特征在于，步骤5.1中所述材料特征包括热导率、质量密度、比热容参数；所述电极的尺寸特征包括栅极长度、栅极宽度、栅漏间距和栅源间距，衬底的尺寸特征包括衬底厚度，GaN缓冲层的尺寸特征包括GaN缓冲层厚度，AlGaN势垒层的尺寸特征包括AlGaN势垒层厚度，场板的尺寸特征包括场板厚度。
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