[发明专利]一种热阻提取方法及系统

说明书

本发明公开一种热阻提取方法及系统。所述方法及系统通过获取所述静态功耗下所述器件的红外热成像实测沟道温度分布，对所述器件的热仿真模型进行校准，然后根据所述校准后的热仿真模型进行器件热阻的计算。所述方法及系统结合了红外热成像法结果直观和ANSYS仿真法简易、成本低的优势，同时解决了红外热成像法空间分辨率低和ANSYS仿真中模型与实际器件存在差异这两大缺陷带来的误差，极大提高了热阻提取的准确度。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种热阻提取方法及系统。

背景技术

氮化镓(Gallium nitride，GaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mo bilityTransistor，HEMT)器件作为第三代宽禁带半导体器件的代表，由于其自身诸多优良特性，常被用于高输出功率，高漏压偏置条件下。自热效应作为GaN最为显著的色散特性，如何有效抑制它从而提升器件性能一直是困扰器件工程师和学者的难题。它主要描述的是GaN功率器件在高功率工作时沟道中出现较高结温，从而改变材料的禁带宽度，降低电子迁移率和漂移速率，导致器件输出电流和输出功率的降低这一物理过程。为了深入了解器件热电效应机理，器件沟道温度计算和热阻提取的研究是必不可少的环节。在器件设计及其热管理优化中，减小器件热阻、增强器件自身的散热能力是所有研究人员及工程师的共同目标；在非线性热电大信号建模过程中，热阻作为热电模型中最为重要的参数，其准确性将直接影响到大信号模型对器件直流及射频特性的预测精度；在具体电路设计中，热阻同样是考察电路单元性能的重要指标。因此，如何实现器件工作状态下沟道温度的准确计算和热阻的精确提取已成为GaN器件制造及器件建模领域的研究热点。

目前热阻提取的方法可大致分为实验方法和有限元仿真方法两大类。实验方法又可分为光学方法、物理接触法和电学方法三种。其中，光学方法和物理接触法基于各自的热测量数据以及热阻与沟道温度的物理关系表达式，完成对器件的热阻提取，比较具有代表性的是2006年英国布里斯托大学Andrei Sar ua报道的结合红外热成像法和拉曼光谱法进行热阻提取的方式，以及2007年法国阿尔卡特泰雷兹III-V实验室Aubry等人报道的基于扫描热显微镜进行热阻提取的方法。基于这两种方法都可以得到器件的温度分布图，给人更为直观的结果。但这些方法都需要昂贵的测试仪器，且仪器需要经过培训的专业人员才能进行操作，大大增加了热阻提取的成本；此外，由于仪器自身的限制，对于待测器件还需要专门制作测试结构以实现测量，这增加了热阻提取的复杂程度，大大降低了参数提取的效率；测试仪器空间分辨率上的限制也会直接影响测试结果，测试得到的仅为分辨率范围内温度的平均值。另外，测试仪器的探头等设施与器件的接触也可能改变器件表面的温度分布，从而给热阻提取带来不可忽略的误差。

电学方法则以直流及脉冲测试相结合的方式为主，比较具有代表性的报道是2013年西班牙马德里理工大学的Sara Martin-Horcajo等人提出的热阻提取方法。该方法中直流及脉冲IV测试所需的仪器均为半导体在片测试中的常见设备，且仪器操作相对光学法和物理接触法更为简易，但该方法获得的测试结果没有光学法和物理接触法的直观。且基于该方法进行热阻提取需要满足两个前提条件，即极短脉冲时自热效应可以忽略以及经过校准后沟道内温度变化仅由器件自热效应导致。但实际测试中，由于脉冲信号调制器及相关测试仪器自身的限制，极短脉冲信号(脉冲宽度小于100ns)很难获得，因此器件的自热效应无法完全避免；此外，虽然他们在进行脉冲测试时，将静态偏置点设置在V_gsq＝0V，V_dsq＝0V，以期在极大程度上降低器件陷阱效应带来的栅漏极滞后效应。此外，2015年，电子科技大学的赵晓冬等人也提出了一种适用于AlGaN/GaN HEMTs器件的新型非线性沟道热阻提取方法。该方法基于不同环境温度下脉冲I-V测试得到的IV特性曲线，根据沟道电流和沟道温度的对应关系，将直流IV和脉冲IV的电流差值转换为以沟道功耗为自变量的温度函数，从而提取出晶体管功耗相关的非线性沟道热阻。但以上这两种电学方法中，动态陷阱效应等色散特性对漏极输出电流的影响仍然无法基于现有实验手段完全剔除。这些测试条件与假设条件之间存在的差异，将直接导致基于器件直流及脉冲IV测试进行等效热阻提取时结果的不准确。