半導體器件熱特性的電學法測量與分析

黃玉恒

摘要：利用電學法測量器件的溫升、熱阻及進行瞬態(tài)熱響應分析是器件熱特性分析的有力工具。本文利用電學法測量了GaAsMESFET在等功率下，加熱響應曲線隨電壓的變化，并通過紅外熱像儀測量其溫度分布，結(jié)果表明電學法測得的平均溫度與溫度分布有很大關系。理論計算也表明了這一點。在等功率條件下，電學平均溫度隨著溫度分布趨于均勻而減少，該方法可用來判斷器件的熱不均勻性。

關鍵詞：半導體;熱特性;測量;分析

半導體器件的熱特性直接影響器件工作溫度、熱阻，并決定器件的工作壽命。其熱特性的測量變得越來越重要，目前，半導體器件工作溫度及熱阻測量的主要方法有：紅外微象儀法、電學參數(shù)法，還有對半導體激光器的溫升及熱阻測量的光譜法、光熱阻掃描法及光功率法，這些方法基于不同的測量原理，可以用來確定半導體器件表面的溫度分布或者某種意義上的平均溫度。本文用改進的電學法，測量了半導體器件工作時的溫升、熱阻，對其瞬態(tài)溫度特性進行了較為詳細的測量與分析，并通過計算模擬，將電學法用于分析GaAsMESFET的熱不均勻性。

1.測量原理及其裝置

許多器件在恒電流下，其半導體結(jié)電壓與溫度之間存在良好的線性關系，為了保證測量的結(jié)電壓與溫度之間有較精確的對應關系，測試電流通常很小，為100 LA～2 mA，依芯片的結(jié)面積大小而定，這樣的器件測量電流一般為100 LA～2 mA。對 GaAsMESFET來說，正常工作時，柵源之間加反偏，漏源之間加正偏。因此，從工作狀態(tài)切換到測量狀態(tài)時，必須通過快速開關電路將漏源柵電壓、正向、恒定電流加入器件。在實際設備中，檢測設備不能滿足要求，電法測得的溫度值是平均溫度，它表示為設備內(nèi)溫度，各種溫度分布的綜合平均效應是不同的。測出此時的結(jié)電壓，以確定相應的溫度，測量儀從工作狀態(tài)到試驗狀態(tài)轉(zhuǎn)換延遲時間為3～5 Ls。在此基礎上，通過對延時之后的數(shù)據(jù)進行擬合，反推出 t=0時的溫度，精度和可比性，采用無限大熱沉是十分必要的，保證在測量過程中管殼處于恒定溫度，這樣，首先測量器件加功率前的電壓值Vf1，再測量器件加功率后的電壓值Vf2。根據(jù)結(jié)電平與結(jié)溫之間的線性關系，$ T=$ V/k，k是 T和 V關系的線性斜率，器件所加的功率是P= VI，所以熱阻 Rth=$ T/P=$ V/（Vf2-Vf1）/（kVI），改進后的電學測量儀中，功率的持續(xù)時間、工作電壓和電流、以及測試窗口的冷卻時間都可以通過程序自動設置，實現(xiàn)了測量自動化。

2.測量結(jié)果及其討論

利用該儀器可以對半導體器件的多種熱力學性能進行測試。半導體器件通常是由許多不同的熱性能材料如芯片、焊料、熱沉和殼體組成。通過測量半導體激光器的瞬態(tài)熱阻響應特性，可以在多層材料結(jié)構(gòu)中分離出熱阻區(qū)域，通過測量半導體激光器瞬態(tài)熱阻與工作電流的關系，得到激光器由自發(fā)輻射、超聲輻射到產(chǎn)生激光輸出的過程中，內(nèi)部瞬態(tài)熱的產(chǎn)生與響應情況。用電學法測量了 GaAsMESFET的熱不均勻性，其器件表面熱不均勻性的測量主要依靠紅外熱像法，其操作復雜，且只能在晶片表面直接測量。

在實際設備中，檢驗設備不能滿足要求。電學法測得的溫度值是一個平均溫度，它是用器件內(nèi)部溫度對器件綜合作用后，用結(jié)電壓來表示的。各種溫度分布產(chǎn)生的綜合平均效應不同，維持 GaAsMESFET器件的功率恒定值，即乘積 Vds× Ids為一常數(shù)，測量出改變 Vds和 Ids的熱響應曲線。采用一系列測量方法來形成曲線。測定順序的加熱時間為10 Ls至100 s，步長以對數(shù)方式增加，快速測量每個脈沖加熱后的溫度升高，在兩個加熱脈沖之間保留足夠長的時間，以使有源區(qū)恢復到熱沉溫度，說明電學法測量的溫度與器件的工作狀態(tài)和溫度分布密切相關。因此，利用紅外熱像儀，對紅外測得的溫度場分布進行了測量，結(jié)果表明：在功率相同的情況下，高電壓、低電流使峰值溫度升高，而熱不均勻度較低，而電壓、電流卻使晶片表面溫度峰值溫度下降，溫度分布趨于均勻。電性能和紅外測試結(jié)果是一致的，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是設備在工作狀態(tài)下，高電壓使漏柵之間的反向電場集內(nèi)，熱量集中，導致溫度分布不均，而在低電壓、大電流下，熱分布更趨均勻。另外，這種不均勻的熱也可以由熱斑等非正常因素造成。電磁場測得的平均溫度反映了這種溫度分布的差異，且表面熱不均對電壓敏感。因此，通過測量恒定功率，在不同電壓、電流的比例下，可以判斷電學平均溫度的變化程度。為了進一步說明這一點，進行了電平均溫度的理論計算。研究表明，在較小的x0值時，電平均溫度低于峰值溫度。當x0增加時，Tavg接近峰值溫度。在x0/（W/2）=1時，Tavg的溫度已經(jīng)達到139℃，與最高溫度的150℃相差甚微。若干個平均溫度下，電流密度的平均值低于絕對電流密度的平均值，而T0與位置坐標的平均溫度和邊緣 W/2處的平均溫度，在 T （x）、 T （x）、T0和x0以及電學平均溫度之間，在相同的功率條件下計算電學平均溫度隨熱不均勻性的關系。顯然，在功率不變時，隨著x0的增加，熱分布趨于均勻，電平均溫度下降。研究發(fā)現(xiàn)，對于一定的熱量，在器件有源區(qū)平均分布，其電溫度較低;如果這些熱能在有源區(qū)產(chǎn)生較大的熱不均一性，則其電平均溫度非常高。試驗結(jié)果還表明，當功率不變時，減小電壓可以使溫度分布趨于均勻。因此，在恒定功率下，低電壓大電流下測量的溫升越大，熱阻越大，說明此時器件的熱不均一。當然，熱不均勻性的判斷，也要結(jié)合其它熱特性的測試和分析。

結(jié)束語

電平均溫度是溫度分布與結(jié)電壓綜合作用的結(jié)果。GaAsMESFET中，隨著電壓的降低，當功率不變時，平均電溫減小，熱電阻減小，發(fā)現(xiàn)溫度分布與電學法測得的平均溫度變化規(guī)律密切相關，理論計算也表明這一點，在等功率條件下，電學平均溫度隨溫度分布趨于均勻而減小說明了溫度分布對平均電溫的影響。通過理論計算，在等功率作用下，平均電溫隨著溫度分布趨于均勻。通過電學平均溫度的變化，在實驗上能夠判斷出熱均勻情況。在同一批次中，相同功率下的平均電學溫度較高的器件，熱分布不均勻。當功率、電壓相等時，電學平均溫度測得的熱阻較大，而電學平均溫度則是綜合器件整體電熱特性的綜合結(jié)果，用該方法測得的熱阻也是熱阻的綜合特性，相對于用測量溫度場方法給出的峰值熱阻較高。

參考文獻：

[1]L. Walshak and W. Poole. Microwave J.，F(xiàn)eb. 1977，62～65.

[2]P. W. Webb，IEE Proc.，1987，34： 51～56.

[3]J. C. Dyment，Y. C. Cheng and A. J. Spring Thorpe，J. Appl. Phys.，1975，46（4）： 1739～1743.

[4]M. Bettolotti，G. L. Liakhou，R. Li. Votiet al.，Appl. Phys. Lett.，1994，65（18）： 2266～2268.

[5]Chinc. Lee. Jae，W. Lee and David H. Chien. Thirteenth IEEE Semi-Therm Symposium，1995，218～223.

[6]陳建煒，石建穩(wěn)，王旭，等.半導體/石墨烯復合光催化劑的制備及應用[J].催化學報，2013，34（04）：621-640.