[發明專利]一種實時測量耗盡型場效應晶體管瞬態溫升和熱阻方法

有效

• 申請號: 201310558106.9
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103604517A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 馮士維;張亞民;馬琳;郭春生;朱慧
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01K7/01
• 分類號: G01K7/01;G01N25/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及半導體器件測試領域，主要應用于耗盡型（常開型溝道）場效應晶體管溝道瞬態溫度測量和熱阻的測量與分析。

背景技術

耗盡型場效應晶體管，如GaN基、GaAs基肖特基柵功率晶體管在微波功率領域有著出色的性能參數表現。然而，其有源區體積小、厚度薄、熱時間常數小、功率密度高，從而使得有源區溫度瞬態變化十分顯著。1微秒時間溫升變化可達100C。這將直接對器件性能參數，特別是使用壽命和可靠性帶來影響。由于外延層材料只有幾個微米，熱時間常數小，變化速度快，對器件瞬態特性影響嚴重。測量有源區瞬態溫升,對器件結構和性能優化有重要意義。現有光學測溫技術，只能給出器件的表面溫度，不能實現從有源區至恒溫平臺的熱阻構成?；谡蛐ぬ匦缘碾妼W參數法能很好給出器件熱阻構成，但由于器件柵極從反偏（工作狀態）至正偏（測量狀態）的切換時間延遲一般為微秒量級，會影響到瞬態變化的溫升測量精度。

本發明技術可以應用于耗盡型，即常開型溝道器件等效功率下的瞬態溫升測量。測量方法簡單、準確，適用于電子器件的生產、可靠性和性能研究和器件開發領域。

本發明方法的工作原理：

常開型場效應晶體管漏源之間是一個電阻。當柵極不加電極，漏源之間施加一個電壓脈沖時，漏源電流會迅速增加，然后由于電流電壓自升溫效應，隨著時間的增加，溫度升高，漏源電流會逐漸減少。當達到穩態后，漏源電流達到一個恒定值?？梢酝ㄟ^漏源電流隨時間的變化過程，測量器件溝道中溫度隨時間的升溫過程。漏源電流的溫度校準實現過程是在一恒定溫度平臺上，溫度為T1，在施加漏源電壓的瞬間，電流迅速增加至最高值。由于電流的上升時間遠小于熱時間常數，可以認為該電流是溫度為T1時的電流值。再將溫度設置為T2、T3。。。等，從圖2中可見。該電流值隨溫度變化有很好的線性關系。通過該Ids溫度校準關系，可以得到Ids隨溫度變化的溫度系數。將該溫度系數用于對實際Ids的校準，即可得到溫度隨時間的變化曲線。

由于該方法直接測量漏源電流隨溫度的變化，因此可以得到納秒級的瞬態溫度變化。對于測量微米級外延層厚度的溫度變化尤為實用，有很好的先進性。

一種實時測量耗盡型場效應晶體管瞬態溫升和熱阻方法，其特征在于包括如下步驟：

將被測器件放置于一溫度為T0恒溫平臺；被測器件的柵電極不進行任何外部連接；漏電極接電壓源，電壓源產生低電平V_L，高電平為V_H的階梯電壓；被測器件的源電極連接至采樣電阻的一端，采樣電阻阻值為R1；采樣電阻的另一端接地，并將一采樣頻率400MHz以上的高速數據采集器接入采樣電阻兩端，以采集漏電流I_DS；

設置低電壓V_L的目的是為了預先去除可能的界面態影響，而又不至于產生自升溫。

當電壓源由低電平變為高電平的同時，啟動高速數據采集器，采集漏電極電壓到達V_H后的漏電極電流I_DS(t)，當器件與恒溫平臺之間達到穩定狀態以后，漏電極電流不再發生變化，即達到穩態；電壓到達V_H的瞬間漏電極電流為I_DS0，溫升引起漏電極電流隨時間變化的曲線：

△I_DS(t)=I_DS(t)-I_DS0；

通過設置恒溫平臺溫度來設定兩個溫度T1、T2，分別采集兩個溫度下漏電極電壓到達V_H瞬間時的電流I_DS2、I_DS1，漏電極電流的溫度系數α；

α=(I_DS2-I_DS1)/(T2-T1)；

器件異質結瞬態溫升曲線△T(t)=(I_DS2-I_DS1)/α；將△T(t)數據輸入至商業熱阻測試儀器(Analysis?Tech公司Phase11熱阻分析儀)，或結構函數處理軟件，即得到器件不同部位的溫升；

本發明中，通過實時采集漏極電流的變化，實時測量溝道瞬態溫度。能夠實現實時、快捷、便利測量器件，尤其是對器件的溫升構成進行分析。

附圖說明

圖1(a)異質結半導體芯片

圖1與(b)測試方法示意圖

1SiC襯底；2GaN層；3AlGaN層；4漏電極；5源電極；6柵電極；7Si₃N₄鈍化層8高速數據采集器