高电子迁移率晶体管phemt热阻测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体热测试领域，用于测量高电子迀移率晶体管PHEMT芯片的热阻 的测量装置及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 高电子迀移率晶体管PHEMT是固态放大电路中的核心器件。高电子迀移率晶体管 PHEMT作为场效应晶体管中的一种，以其高频、高速、低噪声、大功率等优势，已开始在通信 等领域广泛应用，作为敏感单元则多用来制作气体传感器及射频功率传感器。PHEMT实际上 是对一类场效应管芯片的称谓，里面虽然有可用于电学法进行温度测量的由工艺形成的肖 特基屏蔽即肖特基。但是肖特基的特性导致无法承载较大电流，无法利用肖特基自身作为 加热热源。所以常使用PHEMT漏极和源极之间通过电流进行加热的模式进行热测试。在 PHEMT漏极和源极通电时，PHEMT管子开始发热，由于通常所用的PHEMT管子是耗尽型的，需 要在栅极源极上加上预夹断电压，否则会直接导致PHEMT晶体管的永久性损坏。
[0003] 由于采用PHEMT的单片毫米波集成电路MMIC芯片的效率一般不高，芯片的发热量 较大，特别是在相控阵雷达等应用中该问题更加突出。因此必须对其进行热设计，使得在设 计之初就获得器件的工作结温。这是提高应用系统如雷达之类设备性能的重要途径，而 PHEMT晶体管芯片沟道到芯片安装面或热沉的热阻是进行热设计的核心器件参数。对普通 的场效应管，通常采用管中的寄生二极管，如漏源之间的寄生续流二极管作为感温度元件， 测量其顺向压降随温度变化过程，从而分析出其结构函数。所采用的测试仪器通常为 Phasell或T3ster等半导体热阻专用测试仪。PHEMT芯片热阻的测量常用的热阻测试方法有 红外扫描成像法、热色液晶示温法、电学法。
[0004] 红外扫描成像法是通过测量器件工作时PHEMT晶体管芯片表面的红外辐射并给出 芯片表面的二维温度分布，来表征结温及其分布；热色液晶示温法是利用液晶在不同的温 度下对恒定光源反射不同波长的光，呈现不同的颜色来进行温度测量。红外测量方法即红 外扫描成像法的问题是，需要对PHEMT晶体管器件进行开盖处理，破坏封装，易对器件造成 永久性破坏;而且，对于封装器件，红外成像方法改变了系统热路，导致测得的结温偏低，部 分热量传递到外部空间，从而导致对测量的误差难以估计;红外测量方法容易受到其他背 景投向待测表面反射的辐射能的影响，以及背景投向物体表面，并透过物体表面的辐射能 的影响，导致测温的不准确;红外测量方法还受表面发射率影响，发射率低的物体表面比发 射率高的物体表面受背景温度影响更大，在被测温度和背景温度相差较小时会引起很大的 测量误差。红外扫描图像易受背景热辐射影响，受热的芯片功能结构受周围环境的影响其 成像效果可能很差，可能无法获得清晰的PHEMT晶体管芯片关键结构图像。
[0005] 热色液晶示温法采用热色液晶进行测量的问题与红外测量的主要问题类同，其中 还涉及如下其他问题，即：采用的热色液晶需要涂覆在被测物表面，PHEMT芯片多数尺寸极 小、且为裸芯片，可操作性差，且测量误差较红外测量更大。
[0006] -般电学法的基本原理是利用PHEMT晶体管器件中已有的二极管或寄生二极管， 将器件放在一个不断改变环境温度中，保持器件和环境温度一致，在此过程中持续给二极 管通过小电流，使半导体PN结结温变化Tj与正向结电压变化Vf呈良好的线性关系，用温度 校准系数K来表示，满足关系式Tj = K Vf+TQ，从而获得K系数值;然后，将被测PHEMT晶体管器 件放置到常温环境，给整个器件施加功率P，等待器件达到热平衡。施加的功率引起结温变 化，利用关系式Tj = K Vf+TQ，其中To为施加功率前的初始结温，K系数在第一部分已经获得， 因此可以计算出达到热平衡之后的结温Tj。同时在加热功率结束时可以通过热电偶直接测 得管壳的温度，利用热阻的计算公式(1 )，即可获得器件稳态热阻值
[0007] 电学法则采用瞬态热学测量，利用二极管的顺向压降和温度的关系，从瞬态热响 应曲线中分析出包含热阻、热容的结构函数，得到PHEMT晶体管封装器件内部各结构层的热 阻值，如芯片焊料层管壳等部位，以此判断PHEMT晶体管器件热性能的好坏。PHEMT晶体管采 用电学法进行该类芯片热阻测试的不足之处在于，需要人工切换，人工切换的时间是秒级 的，速度不够快，容易造成PHEMT晶体管芯片损坏或很大的测试误差。如在PHEMT晶体管漏极 和源级间加电流加热，栅极和源极需加夹断电压;加热完毕，手动切断漏极和源级间加热电 流，然后再手动关掉使栅极和源极反偏的电压，同时手动在栅极和源极上加载使其正偏的 Isense的小电流。在这个过程中，如果栅极源极间电压由反偏转为正偏过早，容易导致肖特 基损坏，过晚则沟道温度下降阶段过程无法完全测量到，导致测量误差。采用电学法对 PHEMT进行测试的主要问题是其肖特基非常脆弱，无法直接利用栅极G、源极S之间寄生的肖 特基二极管，如果将其作为热源使用，采用大电流对寄生二极管进行加载发热，肖特基就会 被击穿、损坏，导致被测器件永久性损伤。
[0008] 经过检索，发现目前对应相关的发明专利较少，和本发明最为相关的发明专利申 请如下：
[1]中国专利公开号CN201310185075.7[P]. 2013-9-4,北京工业大学公开的名称为一 种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法，描述的是一种利用激光进行加热利用 肖特基进行温度测试的方法，[1]采用了外部激光作为热源，将肖特基作为传感器测量微小 薄膜异质界面温升，肖特基总是处于正向偏置状态，避免了采用普通电学法测量时加热需 要使用反偏状态的问题。但是该方法不适应于实际器件的测量，实际器件如果存在封装就 必须开盖，易导致器件损坏，如果器件尺寸小，则加热的功率无法精确的确定到底施加在 MMIC那一个结上，测试需要高倍率的光学设备等。其且测试的操作性差，测试的成本较高。
[0009] [2]中国专利申请公开号CN201310591383.X[P]· 2014-3-5公开了一种肖特基栅场 效应晶体管温升和热阻测量方法及装置。描述了 [1]的外围控制电路，采用了FPGA控制方 式，设计了相应的加电、断电、记录控制电路，采用了 FPGA作为控制核心单元，配合电压、电 流采集卡以及上位计算机，利用漏源之间通过电流做热源的方式对沟道进行加热。
[0010] [3]中国专利公开号CN201110066983.5[P] .2011-10-5.公开了一种利用肖特基测 量LED结温的测试方法及利用pn结测量LED热阻的方法及其装置。专利申请[3]则仅将LED内 的肖特基作为测温元件使用，作为设计灯具的依据。
[0011] 上述专利申请[1]-[3]从基本原理上都是采用肖特基作为测温元件，不同的是对 测量的流程控制上和用途上。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，结合已有的T3ster热测试仪的功 能，提供一种操作性好，切换快速，测温准确，不易造成PHEMT晶体管芯片损坏和测试误差的 高电子迀移率晶体管PHEMT热阻的测试方法。
[0013] 本发明实现上述目的的解决方案：一种高电子迀移率晶体管PHEMT热阻的测试方 法，其特征在于包括如下步骤:采用PHEMT内部的肖特基作为传感器使用，由半导体热阻测 试仪器T3ster提供电流源直接在PHEMT晶体管的漏极D和源极S间加载电流对PHEMT晶体管 沟道加热，然后通过PHEMT晶体管外部T3ster热阻测试外围控制电路实现瞬间电路切换，使 加热瞬间停止，电路切换后，栅极G和源极S之间正偏，同时控制T3 s ter电压输出端Ucb使快 恢复二极管正偏；在所述外围控制电路电连接PHEMT的漏极D和分压电阻R，在电压输出端 Ucb电连接的分压电阻R1的分压作用下，待测PHEMT晶体管栅极G和源极S间产生夹断电压， PHEMT栅极G和源极S之间处于反偏状态，待测PHEMT晶体管热平衡后，停止加热，断掉漏极D 和源极S之间的加热电流，同时控制T3ster的电压输出端Ucb输出，使得快恢复二极管反偏； 同时PHEMT晶体管的栅极G和源极S间由T3ster的测试电流输出端Sensor current加载< 10mA的小电流，由T3ster测量通道测量在栅极和源极之间肖特基的电压变化，测出温度变 化数值，测得的数据在计算机中利用T3ster的数据处理软件Master和已知的热沉温度，根 据所测温度变化曲线获得PHEMT的结温及到PHEMT安装面背板的热阻。
[0014] -种利用上述PHEMT热阻测试方法的高电子迀移率晶体管PHEMT热阻测试装