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1、第20卷第5期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.51999年5月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSMay,1999半导体器件热特性的3电学法测量与分析冯士维 谢雪松 吕长志 张小玲 何 焱 沈光地(北京工业大学电子工程系 北京 100022)摘要 利用电学法测量器件的温升、热阻及进行瞬态热响应分析是器件热特性分析的有力工具.本文利用电学法测量了GaAsMESFET在等功率下,加热响应曲线随电压的变化,并通过红外热像仪测量其温度分布,结果表明电学法测得的平均温度与温度分布有
2、很大关系.理论计算也表明了这一点.在等功率条件下,电学平均温度随着温度分布趋于均匀而减少.该方法可用来判断器件的热不均匀性.PACC:7220P,73301 引言半导体器件的热特性直接影响器件工作温度、热阻,并决定器件的工作寿命.其热特性的测量变得越来越重要.目前,半导体器件工作温度及热阻测量的主要方法有:红外微象仪[1][2][3][4]法,电学参数法.还有对半导体激光器的温升及热阻测量的光谱法、光热阻扫描法[5]及光功率法.这些方法基于不同的测量原理,可以用来确定半导体器件表面的温度分布或者某种意义上的平均温度.本文用改进的电学法,测量了半
3、导体器件工作时的温升、热阻,对其瞬态温度特性进行了较为详细的测量与分析,并通过计算模拟,将电学法用于分析GaAsMESFET的热不均匀性.2 测量原理及其装置[6]在恒定电流下许多器件的半导体结电压与温度具有很好的线性关系.图1是In2GaAsPöInP异质PN结在不同测试电流下的线性关系曲线.为保证测量的结电压与温度有较为准确的对应关系,测试电流一般很小,为100LA～2mA,依芯片的结面积大小而定.这样可以减少由于测试电流产生的自升温.3北京市科技新星培养计划项目资助课题冯士维 男,1961年出生,副教授,主要从事半导体器件可靠性物理、光电
4、器件等研究谢雪松 男,1970年出生,工程师,主要从事器件可靠性物理、电路等研究1998209218收到,1998212222定稿5期 冯士维等: 半导体器件热特性的电学法测量与分析 359器件测量时,一般分为工作状态和测量状态.对于GaAsMESFET,正常工作时,栅源之间加反偏,漏源之间加正偏.所以从工作状态切换到测量状态时必须通过快速开关电路切断漏源、栅源电压,将正向恒定电流加到器件上.测量此时结电压,以确定对应的温度.我们的测量设备从工作状态到测试状态的转换延迟时间为3～5Ls.然后通过对延迟时间之后的数据采
5、集,进行拟合,反推出t=0时的温度.见图2.测量的方框图见图3.为保证测量数据的图1InGaAsPöInP异质PN结图2 利用结电压的变化电压随温度的线性关系测量温升的冷响应曲线曲线1:4.0mA;曲线2:3.0mA;曲线3:2.0mA;曲线4:1.0mA;曲线5:0.8mA;曲线6:0.5mA;曲线7:0.3mA;曲线8:0.2mA.准确性和可比性,采用无限大热沉是非常必要的,保证测量过程中管壳处于一个恒定温度.这样,首先测量器件加功率前的结电压值Vf1,再测量器件加功率后的电压值Vf2,由于热沉温度不变,两次测量的电压差$V(=Vf2-Vf
6、1)就是由于器件工作功率引起的温升$T造成的.由结电平与结温的线性关系,$T=$Vök,k是T与V关系的线性斜率.器件所加功率是P=VI,这样热阻Rth=$TöP=$Vö(kVI)=(Vf2-Vf1)ö(kVI).改进的电学测量仪中,功率的持续时间、工作电压及电流、以及测试窗口的冷却时间均图3(a)测量方框图;(b)时序图360 半 导 体 学 报 20卷可由程序自动设定,实现了测量自动化,并可通过测试条件的组合,测量半导体器件多种热特性.3 测量结果及其讨论采用上述测试仪,可以测量半导体器件的多种热学特性.半导体器
7、件通常由多种不同热特性材料组成,如芯片、焊料、热沉及外壳.利用瞬态加热响应特性,可以将器件多层材料结[7]构的热阻区分开来,并确定每一部分热阻;通过测量半导体激光器瞬态热阻与工作电流的关系,可以进一步得到激光器由自发辐射、超辐射,到产生激光输出的过程中,内部瞬态热的[8]产生与响应情况.这里,我们利用电学法,测量GaAsMESFET的热不均匀性.器件表面热不均匀性的测量主要依靠红外热像法.由于这种方法操作复杂,而且只能对芯片表面直接测量,所以对于实际器件成品的考核不能满足需要.电学法测得的温度值是一种平均温度,是以器件内部的温度对器件综合影响后
8、,由结电压表示出的温度.不同的温度分布产生的综合平均效果不同.我们做了如下测量.图4(a)、(b)是保持GaAsMESFET器件所加的功率不变,即乘积
