1、第20卷第5期半導體學報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半導體器件熱特性的電學法測量與分析3馮士維謝雪松呂長志張小玲何焱沈光地(北京工業大學電子工程系北京100022摘要利用電學法測量器件的溫升、熱阻及進行瞬態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GaA s M ESFET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

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體結電壓與溫度具有很好的線性關系6.圖1是In2 GaA sP InP異質PN結在不同測試電流下的線性關系曲線.為保證測量的結電壓與溫度有較為準確的對應關系,測試電流一般很小,為100A2mA,依芯片的結面積大小而定.這樣可以減少由于測試電流產生的自升溫.3北京市科技新星培養計劃項目資助課題馮士維男,1961年出生,副教授,主要從事半導體器件可靠性物理、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 為保證測量數據的圖1InGaA sP InP 異質PN 結電壓隨溫度的線性關系曲線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利用結電壓的變化測量溫升的冷響應曲線圖3(a 測量方框圖;(b 時序圖準確性和可比性,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恒定溫度.這樣,首先測量器件加功率前的結電壓值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.由結電平與結溫的線性關系,T =V k ,k 是T 與V 關系的線性斜率.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 .改進的電學測量儀中,功率的持續時間、工作電壓及電流、以及測試窗口的冷卻時間均9535期馮士維等:半導體器件熱特性的電學法測量與分析可由程序自動設定,實現了測量自動化,并可通過測試條件的組合,測量半導體器件多種熱特性.3測量結果及其討論采用上述測試儀,可以測量半導體器件的多種熱學特性.半導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.利用瞬態加熱響應特性,可以將器件多層材料結構的熱阻區分開來,

5、并確定每一部分熱阻7;通過測量半導體激光器瞬態熱阻與工作電流的關系,可以進一步得到激光器由自發輻射、超輻射,到產生激光輸出的過程中,內部瞬態熱的產生與響應情況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,改變V ds 和I ds ,而測量的加熱響應曲線.該曲線通過一個測量序列形成.測量序列的加熱時間從10s 到100s ,步長以對數方式增加.在每一個加熱脈沖后,迅速測量其溫升.每兩個加熱脈沖之間留有足夠長的時間,使有源區恢復到熱沉溫度.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,測量的瞬態熱阻

6、降低,熱響應曲線整體下降 .圖4相同功率下電學法測量的熱阻及其加熱響應曲線的變化有源區所加的熱量一定,但電學法測得的溫升確有不同.這表明,電學法測量的溫度與器件的工作狀態及溫度分布有關.為此,我們使用紅外熱像儀,測量器件表面的溫度分布.測量結果見表1.063半導體學報20卷表1紅外與電學法測量結果對比電學法(瞬態平均熱阻工作條件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穩態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.電學測量結果與紅外測量結果一致.造成這種現象的原因,我們認為一方面是器件在工作狀態下,高電壓使漏柵之間的反向電場集中,熱量集中,導致溫度分布不均勻嚴重;而低電壓、大電流時,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,并且表面熱不均勻對電壓敏感.所以,通過測量恒定功率,不同電壓、電流比例下,電學平均溫度

8、的改變量,可判定熱不均勻性的程度.為進一步表明這一點,我們進行了電學平均溫度的理論計算.4電學平均溫度的理論計算電學法測量半導體器件溫度時,可以將半導體結看成是一系列二極管的并聯.如圖5所圖5將有源區分成多個不同溫度的二極管的并聯示.這些二極管的溫度不同,形成一種分布.但它們有共同的結電壓V .設器件的有源區寬度為W ,溫度分布為高斯分布,即有源區中心溫度最高,邊沿最低,且對稱分布.只考慮一維情況:T =T 0exp (-(x x 02+T c 正向肖特基結電流電壓關系是:J =A 3T 2exp (q B kTexp (q kT式中A 3=4q m 3k2h,A 3是理查遜常數.將有源區沿x

9、 方向網格化,每個網格點上的電流密度為:J 1(T 1,V ,J 2(T 2,V ,J n (T n ,V ,面積是S n =x n ×l ,l是有源區的長度,x n 是兩格點之間的步長.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,可求出共同的結電壓V .然后設1635期馮士維等:半導體器件熱特性的電學法測量與分析整個芯片的溫度均勻分布為T avg ,I =S J (T avg ,V .T avg 即是電學平均意義下的溫度.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,溫度分布嚴重不均勻.隨著x 0增加,溫度分布趨于均勻.設有源區的半寬度為W 2=50m .圖6是高斯分布的峰值溫度不變時,溫度分布隨x 0的變化.圖7是計算的電學平均溫度隨x 0的變化.為了比較,我們將溫度對位置的平均T avg-x 、溫度對電流密度的平均T avg-j 以及有源區邊沿W 2處的溫度的計算結果作在一張圖上(峰值溫度不變 .圖6有源區x 方向不同x 0 的高斯分布圖7計算的電學平均溫度及其它溫度與高斯分布的關系計算結果表明:在較小的x 0下,電學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x 0 (W 2=1時,T avg 已達到139,與峰值

11、溫度150相差很小.在幾種平均溫度中,電學平均低于對電流密度的平均,高于對位置坐標的平均及邊沿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行計算.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,計算電學平均溫度隨熱不均勻性的關系.圖8是在等功率條件下,溫度分布的改變.圖9是計算的電學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,隨x 0的增加,熱分布趨于均勻時,電學平均溫度降低.結果表明,對于一定的熱量,平均分布在器件有源區時,其電學溫度就較低.若這些熱量在有源

12、區產生較大的熱不均勻,其電學平均溫度就很高.實驗測量結果也表明,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,表明此時的器件處于嚴重熱不均勻的狀態.當然,熱不均勻的判斷,也還要結合其它熱特性的測量與分析.263半導體學報20卷5 期馮士維等: 半導體器件熱特性的電學法測量與分析 363 圖 8等功率條件下溫度分布與 x 0 的關系 圖 9等功率條件下計算的電學平均 溫度隨溫度均勻分布程度增加而降低 5結論 電學平均溫度是溫度分布對結電壓的綜合作用結果的表征 對于 GaA s M ESFET , 在 . 保持功率恒定不變時, 電學平均

13、溫度及熱阻隨電壓的降低而減少 這表明了溫度分布對電 . 學平均溫度的影響. 理論計算表明: 等功率下, 電學平均溫度隨溫度分布趨于均勻而降低. 在 實驗上可以通過電學平均溫度的變化判斷其熱均勻情況. 對于同一批器件, 相同功率下電學 平均溫度高的器件, 熱分布不均勻. 對于同一器件, 同一功率下, 低電壓下, 電學平均溫度測 得的熱阻減少大的熱更不均勻. 電學平均溫度是綜合器件總體電熱特性的綜合結果. 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, 電學方法測量的熱阻具有較好的應用性 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 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 半導體學報 20 卷 6 馮士維, 呂長志, 丁廣鈺, 半導體學報, 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