半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析

1、第20卷第5期半導(dǎo)體學(xué)報(bào)V o l.20,N o.51999年5月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR SM ay,1999半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析3馮士維謝雪松呂長志張小玲何焱沈光地(北京工業(yè)大學(xué)電子工程系北京100022摘要利用電學(xué)法測量器件的溫升、熱阻及進(jìn)行瞬態(tài)熱響應(yīng)分析是器件熱特性分析的有力工具.本文利用電學(xué)法測量了GaA s M ESFET在等功率下,加熱響應(yīng)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(xué)法測得的平均溫度與溫度分布有很大關(guān)系.理論計(jì)算也表明了這一點(diǎn).在等功率條件下,電學(xué)平均溫度隨著溫度分布趨于均勻

2、而減少.該方法可用來判斷器件的熱不均勻性.PACC:7220P,73301引言2測量原理及其裝置在恒定電流下許多器件的半導(dǎo)體結(jié)電壓與溫度具有很好的線性關(guān)系6.圖1是In2 GaA sP InP異質(zhì)PN結(jié)在不同測試電流下的線性關(guān)系曲線.為保證測量的結(jié)電壓與溫度有較為準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,測試電流一般很小,為100A2mA,依芯片的結(jié)面積大小而定.這樣可以減少由于測試電流產(chǎn)生的自升溫.3北京市科技新星培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助課題馮士維男,1961年出生,副教授,主要從事半導(dǎo)體器件可靠性物理、光電器件等研究謝雪松男,1970年出生,工程師,主要從事器件可靠性物理、電路等研究1998209218收到,1998212

3、222定稿 為保證測量數(shù)據(jù)的圖1InGaA sP InP 異質(zhì)PN 結(jié)電壓隨溫度的線性關(guān)系曲線1:4.0mA ;曲線2:3.0mA ;曲線3:2.0mA ;曲線4:1.0mA ;曲線5:0.8mA ;曲線6:0.5mA ;曲線7:0.3mA ;曲線8:0.2mA .圖2利用結(jié)電壓的變化測量溫升的冷響應(yīng)曲線圖3(a 測量方框圖;(b 時(shí)序圖準(zhǔn)確性和可比性,采用無限大熱沉是非常必要的,保證測量過程中管殼處于一個(gè)恒定溫度.這樣,首先測量器件加功率前的結(jié)電壓值V f1,再測量器件加功率后的電壓值V f2,由于熱沉溫度不變,兩次測量的電壓差V (=V f2-V f1就是由于器件工作功率引起的溫升T 造成

4、的.由結(jié)電平與結(jié)溫的線性關(guān)系,T =V k ,k 是T 與V 關(guān)系的線性斜率.器件所加功率是P =V I ,這樣熱阻R th =T P =V(kV I =(V f2-V f1 (kV I .改進(jìn)的電學(xué)測量儀中,功率的持續(xù)時(shí)間、工作電壓及電流、以及測試窗口的冷卻時(shí)間均9535期馮士維等:半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析可由程序自動(dòng)設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了測量自動(dòng)化,并可通過測試條件的組合,測量半導(dǎo)體器件多種熱特性.3測量結(jié)果及其討論采用上述測試儀,可以測量半導(dǎo)體器件的多種熱學(xué)特性.半導(dǎo)體器件通常由多種不同熱特性材料組成,如芯片、焊料、熱沉及外殼.利用瞬態(tài)加熱響應(yīng)特性,可以將器件多層材料結(jié)構(gòu)的熱阻區(qū)分開來,

5、并確定每一部分熱阻7;通過測量半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)熱阻與工作電流的關(guān)系,可以進(jìn)一步得到激光器由自發(fā)輻射、超輻射,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(yīng)情況8.圖4(a 、(b 是保持GaA sM ESFET 器件所加的功率不變,即乘積V ds ×I ds 為一常數(shù),改變V ds 和I ds ,而測量的加熱響應(yīng)曲線.該曲線通過一個(gè)測量序列形成.測量序列的加熱時(shí)間從10s 到100s ,步長以對(duì)數(shù)方式增加.在每一個(gè)加熱脈沖后,迅速測量其溫升.每兩個(gè)加熱脈沖之間留有足夠長的時(shí)間,使有源區(qū)恢復(fù)到熱沉溫度.圖4(a 、(b 中的三條曲線所加的功率相同,但隨著V ds 的減少,測量的瞬態(tài)熱阻

6、降低,熱響應(yīng)曲線整體下降 .圖4相同功率下電學(xué)法測量的熱阻及其加熱響應(yīng)曲線的變化有源區(qū)所加的熱量一定,但電學(xué)法測得的溫升確有不同.這表明,電學(xué)法測量的溫度與器件的工作狀態(tài)及溫度分布有關(guān).為此,我們使用紅外熱像儀,測量器件表面的溫度分布.測量結(jié)果見表1.063半導(dǎo)體學(xué)報(bào)20卷表1紅外與電學(xué)法測量結(jié)果對(duì)比電學(xué)法(瞬態(tài)平均熱阻工作條件t h t d =5s R th (W -1V ds ×I dsP W100s 10m s 100m s 1s 10s 紅外法R th 2m ax(W -1穩(wěn)態(tài)DX67238V ×150mA8V ×300mA3.1V ×765mA

7、2.27.711.812.313.414.128.8從紅外測量的溫度場分布圖表明:在功率相同條件下,高電壓、低電流使峰值溫度升高、熱不均勻性嚴(yán)重;相反,低電壓、大電流使芯片表面溫度峰值溫度降低,溫度分布趨于均勻.電學(xué)測量結(jié)果與紅外測量結(jié)果一致.造成這種現(xiàn)象的原因,我們認(rèn)為一方面是器件在工作狀態(tài)下,高電壓使漏柵之間的反向電場集中,熱量集中,導(dǎo)致溫度分布不均勻嚴(yán)重;而低電壓、大電流時(shí),熱量更趨于均勻分布于溝道之中.另一方面,這種熱不均勻也可由非正常因素,如熱斑等引起.電學(xué)法測量的平均溫度反映出這種溫度分布的不同,并且表面熱不均勻?qū)﹄妷好舾?所以,通過測量恒定功率,不同電壓、電流比例下,電學(xué)平均溫度

8、的改變量,可判定熱不均勻性的程度.為進(jìn)一步表明這一點(diǎn),我們進(jìn)行了電學(xué)平均溫度的理論計(jì)算.4電學(xué)平均溫度的理論計(jì)算電學(xué)法測量半導(dǎo)體器件溫度時(shí),可以將半導(dǎo)體結(jié)看成是一系列二極管的并聯(lián).如圖5所圖5將有源區(qū)分成多個(gè)不同溫度的二極管的并聯(lián)示.這些二極管的溫度不同,形成一種分布.但它們有共同的結(jié)電壓V .設(shè)器件的有源區(qū)寬度為W ,溫度分布為高斯分布,即有源區(qū)中心溫度最高,邊沿最低,且對(duì)稱分布.只考慮一維情況:T =T 0exp (-(x x 02+T c 正向肖特基結(jié)電流電壓關(guān)系是:J =A 3T 2exp (q B kTexp (q kT式中A 3=4q m 3k2h,A 3是理查遜常數(shù).將有源區(qū)沿x

9、 方向網(wǎng)格化,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的電流密度為:J 1(T 1,V ,J 2(T 2,V ,J n (T n ,V ,面積是S n =x n ×l ,l是有源區(qū)的長度,x n 是兩格點(diǎn)之間的步長.I =S 1J 1(T 1,V +S 2J 2(T 2,V +S n J n (T n ,V 式中I 是測試電流,通過上式,求解離散化后的超越方程,可求出共同的結(jié)電壓V .然后設(shè)1635期馮士維等:半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析整個(gè)芯片的溫度均勻分布為T avg ,I =S J (T avg ,V .T avg 即是電學(xué)平均意義下的溫度.這里溫度分布的改變是通過改變高斯分布因子的x 0.x 0較

10、小時(shí),溫度分布嚴(yán)重不均勻.隨著x 0增加,溫度分布趨于均勻.設(shè)有源區(qū)的半寬度為W 2=50m .圖6是高斯分布的峰值溫度不變時(shí),溫度分布隨x 0的變化.圖7是計(jì)算的電學(xué)平均溫度隨x 0的變化.為了比較,我們將溫度對(duì)位置的平均T avg-x 、溫度對(duì)電流密度的平均T avg-j 以及有源區(qū)邊沿W 2處的溫度的計(jì)算結(jié)果作在一張圖上(峰值溫度不變 .圖6有源區(qū)x 方向不同x 0 的高斯分布圖7計(jì)算的電學(xué)平均溫度及其它溫度與高斯分布的關(guān)系計(jì)算結(jié)果表明:在較小的x 0下,電學(xué)平均溫度低于峰值溫度較多.隨著x 0的增加,T avg逐漸接近峰值溫度.當(dāng)x 0 (W 2=1時(shí),T avg 已達(dá)到139,與峰值

11、溫度150相差很小.在幾種平均溫度中,電學(xué)平均低于對(duì)電流密度的平均,高于對(duì)位置坐標(biāo)的平均及邊沿W 2處的溫度.T avg-x=T (x d x WT avg-j=J (x T (x d xJ (x d x 在器件加等功率的條件下進(jìn)行計(jì)算.我們令T (x 與x 軸的面積保持不變,改變T (x 中的T 0及x 0,計(jì)算電學(xué)平均溫度隨熱不均勻性的關(guān)系.圖8是在等功率條件下,溫度分布的改變.圖9是計(jì)算的電學(xué)平均溫度及其它平均溫度隨x 0的變化.很明顯,功率保持恒定時(shí),隨x 0的增加,熱分布趨于均勻時(shí),電學(xué)平均溫度降低.結(jié)果表明,對(duì)于一定的熱量,平均分布在器件有源區(qū)時(shí),其電學(xué)溫度就較低.若這些熱量在有源

12、區(qū)產(chǎn)生較大的熱不均勻,其電學(xué)平均溫度就很高.實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果也表明,恒定功率下,降低電壓可使其溫度分布趨于均勻.所以,在恒定功率下,低電壓、大電流下測量的溫升較大,熱阻也較大,表明此時(shí)的器件處于嚴(yán)重?zé)岵痪鶆虻臓顟B(tài).當(dāng)然,熱不均勻的判斷,也還要結(jié)合其它熱特性的測量與分析.263半導(dǎo)體學(xué)報(bào)20卷5 期馮士維等: 半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測量與分析 363 圖 8等功率條件下溫度分布與 x 0 的關(guān)系 圖 9等功率條件下計(jì)算的電學(xué)平均 溫度隨溫度均勻分布程度增加而降低 5結(jié)論 電學(xué)平均溫度是溫度分布對(duì)結(jié)電壓的綜合作用結(jié)果的表征 對(duì)于 GaA s M ESFET , 在 . 保持功率恒定不變時(shí), 電學(xué)平均

13、溫度及熱阻隨電壓的降低而減少 這表明了溫度分布對(duì)電 . 學(xué)平均溫度的影響. 理論計(jì)算表明: 等功率下, 電學(xué)平均溫度隨溫度分布趨于均勻而降低. 在 實(shí)驗(yàn)上可以通過電學(xué)平均溫度的變化判斷其熱均勻情況. 對(duì)于同一批器件, 相同功率下電學(xué) 平均溫度高的器件, 熱分布不均勻. 對(duì)于同一器件, 同一功率下, 低電壓下, 電學(xué)平均溫度測 得的熱阻減少大的熱更不均勻. 電學(xué)平均溫度是綜合器件總體電熱特性的綜合結(jié)果. 用該方法測得的熱阻也是全面特 性的熱阻, 比起由測量溫度場方法給出的峰值熱阻, 電學(xué)方法測量的熱阻具有較好的應(yīng)用性 和可比性. 致謝感謝電子部 13 所何大偉、 劉成名、 李道成在樣品制備及紅外

14、測量方面的幫助. 參 考 文 獻(xiàn) 1 L. W alshak and W. Poo le. M icrow ave J. , Feb. 1977, 62 65. 2 P. W. W ebb, IEE P roc. , 1987, 34: 51 56. 3 J. C. D ym en t, Y. C. Cheng and A. J. Sp ring T ho rpe, J. A pp l Phys. , 1975, 46 (4 : 1739 1743. . 4 . . M. Betto lo tti, G. L. L iakhou, R. L i V o ti et a l. , A pp l

15、Phys. L ett. , 1994, 65 (18 : 2266 2268. 5 Ch inc. L ee. J ae, W. L ee and D avid H. Ch ien. T h irteen th IEEE Sem i2T herm Sym po sium , 1995, 218 223. 364 半導(dǎo)體學(xué)報(bào) 20 卷 6 馮士維, 呂長志, 丁廣鈺, 半導(dǎo)體學(xué)報(bào), 1994, 15 (11 : 747 753. 7 Sh i ei Feng, Xuesong X ie et a l. , P roceeding of T he T h ird In ternational S

16、ym po sium on E lectron ic Packaging w T echno logy, 1998, pp 73 77, Beijing Ch ina. 8 Sh i ei Feng, Xuesong X ie et a l. , T he F ifth In ternational Conference on So lid 2State and In tegrated 2 ircu it T ech 2 w C no logy, O ctober, 1998, pp 649 652, Beijing Ch ina. M ea surem en t and Study on T

17、herma l Character istics of Sem iconductor D ev ices by E lectr ica l M ethod Feng Sh iw ei, X ie Xuesong, L u Changzh i, Zhang X iao ling, H e Yan, Shen Guangd i (D ep a rtm en t of E lectron ic E ng ineering , B eij ing P oly techn ic U n iversity , B eij ing 100022 R eceived 18 Sep tem ber 1998,

18、revised m anu scrip t received 22 D ecem ber 1998 Abstract T he elect rica l m ethod ( EM ha s becom e an im po rtan t m ean s fo r m ea su ring the tem p era tu re rise, the therm a l resistance and esp ecia lly the t ran sien t therm a l respon se of . sem iconducto r devices In th is p ap er EM is u sed to m ea su re the t ran sien t hea t ing respon se m en ta l and ca lcu la ted resu lt s show tha t the average tem p ertu re T avg by EM is st rong ly de2 p enden t on tem p era tu re d ist ribu t ion in device. T h is fea tu