[實(shí)用新型]一種高溫環(huán)境原位探測(cè)GaN基功率器件工作溫度的傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201820916140.7
• 申請(qǐng)日: 2018-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN208767304U
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉揚(yáng);趙亞文;李柳暗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/144
• 分類號(hào): H01L27/144;H01L21/8252
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳偉斌

實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件集成的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高溫環(huán)境原位探測(cè)GaN基功率器件工作溫度的傳感器。一種高溫環(huán)境原位探測(cè)GaN基功率器件工作溫度的傳感器，其中，從下往上依次包括襯底，應(yīng)力緩沖層，GaN緩沖層，GaN溝道層，AlGaN勢(shì)壘層，功率器件兩端形成源極和漏極以及二極管的一端形成陰極，功率器件柵極區(qū)域形成柵極以及二極管另一端形成陽(yáng)極。本實(shí)用新型器件結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn)單，利用二極管電流電壓與溫度的線性關(guān)系，在恒定電壓模型下或恒定電流模型下，分別根據(jù)電流或電壓的變化計(jì)算出二極管溫度變化。而二極管與功率器件具有相近的溫度，在不影響功率器件正常工作的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)原位監(jiān)測(cè)功率器件溫度。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件集成的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高溫環(huán)境原位探測(cè)GaN基功率器件工作溫度的傳感器；具體涉及到二極管與GaN基功率器件的集成，利用二極管的電流電壓與溫度的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的原位監(jiān)測(cè)功率器件工作溫度。

背景技術(shù)

隨著電子設(shè)備及信息通訊領(lǐng)域等高新科技的迅速發(fā)展，功率電子器件性能提升面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)Si器件系統(tǒng)功率密度增長(zhǎng)出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。 GaN 材料作為第三代半導(dǎo)體材料的代表。其具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、飽和漂移速度大及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。并且GaN基功率電子器件憑借AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面高濃度、高遷移率的二維電子氣，具有導(dǎo)通電阻小、開關(guān)速度快等優(yōu)勢(shì)，因此GaN基功率電子器件在發(fā)展高溫、高頻、高耐壓能力的大功率開關(guān)器件領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

盡管GaN材料具有優(yōu)異的特性使得GaN基功率電子器件在高溫、高頻、高壓領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是GaN基功率電子器件長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫條件下仍然會(huì)劣化器件性能，比如導(dǎo)通電阻增加，器件漏電增大，甚至?xí)沟闷骷牧现挟a(chǎn)生新的缺陷，造成不可恢復(fù)的性能退化。目前溫度對(duì)GaN基功率器件的影響，主要存在兩大問題：其一，溫度對(duì)封裝器件的影響較大，高溫導(dǎo)致封裝材料的劣化限制了GaN材料本身優(yōu)異性能；其二，目前業(yè)界缺少GaN基功率電子器件安全可靠的工作溫度指標(biāo)。因此，監(jiān)測(cè)GaN基功率電子器件在工作過程中的結(jié)溫變化顯得尤為重要。通過監(jiān)測(cè)GaN基功率電子器件結(jié)溫的變化來對(duì)比分析其性能的變化，挖掘問題突破點(diǎn)，通過后續(xù)器件制備工藝、封裝工藝的改善來提高器件的熱穩(wěn)定性。也可根據(jù)GaN基功率電子器件結(jié)溫變化對(duì)比其性能變化，總結(jié)歸納GaN基功率電子器件安全可靠的工作溫度指標(biāo)。

傳統(tǒng)溫度測(cè)量方法包括光學(xué)方法（紅外傳感器）、物理接觸法。紅外傳感器利用紅外輻射效應(yīng)探測(cè)被測(cè)物體的溫度，這種探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，且易受其它熱源的影響，導(dǎo)致器件結(jié)溫的探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。物理接觸法存在測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度不高的問題，由于溫度在物理傳導(dǎo)過程中存在熱量的散失，導(dǎo)致器件結(jié)溫被低估，且靈敏度較差。因此，上述兩種方法都不適合用于GaN基功率電子器件的結(jié)溫監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高準(zhǔn)確度的GaN基功率電子器件的結(jié)溫監(jiān)測(cè)面臨巨大挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)二極管的電流或電壓與溫度具有線性變化的關(guān)系（S.Madhusoodhanan, S. Sandoval et al.，IEEE Electron Device Letters 38, 2017, pp.1105-1108）。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用NiO金屬氧化物作陽(yáng)極材料的二極管其電流電壓與溫度同樣具有線性關(guān)系，如圖10所示，這一結(jié)果為本實(shí)用新型奠定了理論依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，提供一種高溫環(huán)境原位探測(cè)GaN基功率器件工作溫度的傳感器，主要目的在于實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高準(zhǔn)確度的GaN基功率器件結(jié)溫原位監(jiān)測(cè)。

本實(shí)用新型將耐高溫的PN結(jié)二極管或肖特基二極管與GaN基功率器件相集成，利用二極管電流-電壓特性曲線與溫度的線性關(guān)系推算出二極管與GaN基功率器件結(jié)溫的變化。