[發明專利]一種Cascode結構GaN電力電子器件結溫快速精確測量方法

有效

• 申請號: 202110632887.6
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113533922B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 黃火林;趙程
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 馬慶朝

一種Cascode結構GaN電力電子器件結溫快速精確測量方法，屬于半導體器件測試領域。技術方案：搭建溫度曲線標定平臺，通過外部供熱的方法，標定器件溫度曲線，測定未知結溫下的溫敏參數，計算器件結溫Tj。有益效果:本發明所述的Cascode結構GaN電力電子器件結溫快速精確測量方法通過在Cascode結構GaN電力電子器件關態條件下，在器件源漏兩端施加兩次大小不同的偏置電流，測量偏置電壓值，進而得到溫敏電參數，該參數僅與兩次不同的測試電流和測得的偏置電壓有關，排除了測試回路中與SiMOSFET體二極管串聯的GaNHEMT導通電阻R_GaN對于溫敏關系線性度的影響；由溫敏電參數與溫度的完全線性對應關系可以精確的表征器件結溫。

技術領域

本發明屬于半導體器件測試領域，尤其涉及一種Cascode結構GaN電力電子器件結溫快速精確測量方法。

背景技術

電子技術主要包括信息電子技術和電力電子技術，其中電力電子器件在電子技術領域中發揮了重要作用，是實施電能傳輸、處理、存儲和控制的基本單元。隨著科技的不斷發展，傳統的硅材料在溫度、電場、頻率等方面展現出的性能已經達到極限。GaN等第三代半導體材料具有大禁帶寬度、高擊穿電場、高電子遷移率等優勢，越來越多的應用在功率轉換、微波通訊等技術領域。但氮化鎵(GaN)電力電子器件發揮更高性能的同時，由于材料本身和制作工藝的特殊性帶來較多的可靠性問題，這也是近年來業界研究的重點內容。

可靠性決定了器件工作的環境條件以及本身的穩定性。從研究初期到量產階段，可靠性分析都是重要的一個環節。在半導體電力電子器件可靠性測試領域，器件內部結溫是十分重要的參量。結溫可以反映器件工作時內部芯片的溫度情況，在所有器件的出廠數據手冊中都需要注明器件的特性參量所處的測試結溫狀態。此外，通過監測結溫可以完成器件功率循環等結溫沖擊型老化測試。

關于結溫的監測通常有光學測試、電學測試、物理接觸等方法，對于已封裝完成的器件，光學和物理接觸的方法通常不適用。在業界中，大多采用電學測量的方法，利用器件內部的某一電學參量與溫度的對應關系曲線(K線)進行溫度測量。PN結二極管具有良好的溫度特性，在多數半導體器件中均采用體內二極管來進行電學方式的結溫測量。

對于GaN材料，由于自發極化和壓電極化效應，在鋁鎵氮(AlGaN)和GaN界面處存在高電子遷移率的二維電子氣結構，從而導致常規的GaN電力電子器件為常開耗盡型。目前商業化的增強型GaN電力電子器件有很大一部分采用常關型Si MOSFET器件與常開型電力電子器件進行級聯。這種方法通過Si材料金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)控制整體器件開啟和關斷，利用GaN材料高電子遷移率晶體管(HEMT)來阻擋高壓。由于該方法降低了GaN器件在工藝方面的投入，得到了廣泛的應用。

由于GaN HEMT內部無體二極管，無法利用其自身二極管溫度特性來測量結溫。目前應用較多的主要有利用漏極飽和電流I_sat和GaN電力電子器件的導通電阻R_on來測量結溫的方法。GaN電力電子器件的漏極飽和電流I_sat需要脈沖掃描器件輸出特性曲線，測試時間較長且在大電流脈沖條件下極有可能給器件帶來破壞。利用導通電阻R_on測試結溫相對而言測試時間較短,但仍需要毫秒以上的時間。并且導通電阻為開態測試，在功率循環等負載條件下需要額外設置柵驅動電路，給電路設計和自動控制帶來了更多的困難。同時導通電阻與溫度的非線性關系易引入誤差影響結溫測量的準確性。