[实用新型]一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器

说明书

实用新型涉及半导体器件集成的技术领域，更具体地，涉及一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器。一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，其中，从下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，功率器件两端形成源极和漏极以及二极管的一端形成阴极，功率器件栅极区域形成栅极以及二极管另一端形成阳极。本实用新型器件结构及制备工艺简单，利用二极管电流电压与温度的线性关系，在恒定电压模型下或恒定电流模型下，分别根据电流或电压的变化计算出二极管温度变化。而二极管与功率器件具有相近的温度，在不影响功率器件正常工作的同时能够实现原位监测功率器件温度。

技术领域

本实用新型涉及半导体器件集成的技术领域，更具体地，涉及一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器；具体涉及到二极管与GaN基功率器件的集成，利用二极管的电流电压与温度的线性关系，实现高灵敏度的原位监测功率器件工作温度。

背景技术

随着电子设备及信息通讯领域等高新科技的迅速发展，功率电子器件性能提升面临巨大挑战，传统Si器件系统功率密度增长出现饱和趋势。 GaN 材料作为第三代半导体材料的代表。其具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场强、饱和漂移速度大及化学稳定性好等特点。并且GaN基功率电子器件凭借AlGaN/GaN异质结界面高浓度、高迁移率的二维电子气，具有导通电阻小、开关速度快等优势，因此GaN基功率电子器件在发展高温、高频、高耐压能力的大功率开关器件领域占据绝对优势。

尽管GaN材料具有优异的特性使得GaN基功率电子器件在高温、高频、高压领域占据优势，但是GaN基功率电子器件长时间工作在高温条件下仍然会劣化器件性能，比如导通电阻增加，器件漏电增大，甚至会使得器件材料中产生新的缺陷，造成不可恢复的性能退化。目前温度对GaN基功率器件的影响，主要存在两大问题：其一，温度对封装器件的影响较大，高温导致封装材料的劣化限制了GaN材料本身优异性能；其二，目前业界缺少GaN基功率电子器件安全可靠的工作温度指标。因此，监测GaN基功率电子器件在工作过程中的结温变化显得尤为重要。通过监测GaN基功率电子器件结温的变化来对比分析其性能的变化，挖掘问题突破点，通过后续器件制备工艺、封装工艺的改善来提高器件的热稳定性。也可根据GaN基功率电子器件结温变化对比其性能变化，总结归纳GaN基功率电子器件安全可靠的工作温度指标。

传统温度测量方法包括光学方法（红外传感器）、物理接触法。红外传感器利用红外辐射效应探测被测物体的温度，这种探测系统复杂，且易受其它热源的影响，导致器件结温的探测结果出现偏差。物理接触法存在测量结果准确度不高的问题，由于温度在物理传导过程中存在热量的散失，导致器件结温被低估，且灵敏度较差。因此，上述两种方法都不适合用于GaN基功率电子器件的结温监测，实现高灵敏度、高准确度的GaN基功率电子器件的结温监测面临巨大挑战。研究发现二极管的电流或电压与温度具有线性变化的关系（S.Madhusoodhanan, S. Sandoval et al.，IEEE Electron Device Letters 38, 2017, pp.1105-1108）。根据我们的实验结果，利用NiO金属氧化物作阳极材料的二极管其电流电压与温度同样具有线性关系，如图10所示，这一结果为本实用新型奠定了理论依据。

发明内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高温环境原位探测GaN基功率器件工作温度的传感器，主要目的在于实现高灵敏度、高准确度的GaN基功率器件结温原位监测。

本实用新型将耐高温的PN结二极管或肖特基二极管与GaN基功率器件相集成，利用二极管电流-电压特性曲线与温度的线性关系推算出二极管与GaN基功率器件结温的变化。