[发明专利]高电子迁移率晶体管的热可靠性评估方法

说明书

本发明公开了一种高电子迁移率晶体管热可靠性的评估方法，主要解决现有方法对器件热可靠性评估不准确的问题，其实现方案是：1)采用脉冲法测量不同温度下器件的输出特性，提取饱和漏电流随温度的变化关系作为校准曲线；2)采用直流法测量室温下器件的输出特性，并结合校准曲线提取不同功率下的器件沟道的平均温度；3)基于被测器件的各参数利用有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型，将不同功率下的测试结果与仿真所得到的沟道平均温度进行对照，验证模型的准确性；4)利用模型仿真推导出器件结温、热分布，并计算峰值热阻，实现对器件热可靠性的评估。本发明对热可靠性的评估准确度高，操作简单，适用于多种结构的高电子迁移率晶体管。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及晶体管的热可靠性测试方法，可用于对器件的可靠性分析，对器件的材料、结构以及工艺设计提供参考。

技术背景

作为新型半导体材料的杰出代表，氮化镓GaN以其突出的特性在微波大功率以及高温应用领域中逐步显现出优势。而AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件以其诸多优异特性取代了砷化镓GaAs基高电子迁移率晶体管HEMT成为微波功率器件的首选，并且在近年来也取得了实质性的进展。然而，显著的自热效应使得热可靠性问题仍然是制约其发展的一个重要因素。器件结温以及热阻是衡量微波功率器件热可靠性的重要指标，因此准确获取结温以及热阻十分必要。

目前，高电子迁移率晶体管HEMT器件的结温测量一般采用红外法或电学法。Jean-Baptiste Fonder等人采用红外法和电学方法对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件的结温进行了提取，两者基本一致，但测量结果都远低于器件的实际结温，参见Jean-Baptiste Fonder,Olivier Latry,Farid Temcamani,etc,Channel temperatureestimation of AlGaN/GaN HEMT for pulsed RADAR applications using infraredthermography and electrical characterization,IEEE Conference Publications,2014,1405-1408.这主要是因为红外法的分辨率很低，达不到测量的精度，而电学方法通常提取的仅是器件沟道温度的平均值，因此都会低估器件的实际结温，造成对器件热可靠性评估的不准确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有高电子迁移率晶体管HEMT器件可靠性评估中存在的不足，提出一种适用于高电子迁移率晶体管HEMT器件的热可靠性评估方法，以提高可靠性评估的准确度。

实现本发明目的的技术思路是：通过电学测试方法提取器件的沟道平均温度，通过ANSYS有限元仿真软件建立器件的热仿真模型，外推得到器件结温，并得到器件的三维热分布图像，通过仿真所得器件结温得到被测器件的峰值热阻，实现对被测器件热可靠性的评估，其实现步骤包括如下：

(1)将被测器件置于探针台上，源极接地，通过半导体参数分析仪对被测器件施加电压，设定栅极静态偏置点V_GSQ与源极静态偏置点V_DSQ为0V，漏极电压V_DS脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，漏极电压V_DS从0V扫描到10V，通过温度控制器对被测器件外部加温，测量不同外部温度下器件的输出特性，选取漏极电压V_DS等于10V下的饱和漏电流I_d0作为电学敏感参数，得到饱和漏电流I_d0随温度的变化关系，作为校准曲线Ⅰ；

(2)在室温条件下，固定栅极电压V_GS为0V，调节漏极电压V_DS从0V到10V变化，测量此时器件的输出特性，提取饱和漏电流I_d，建立饱和漏电流I_d随不同功率的变化关系Ⅱ；