邱金朋,沈競宇
(華潤微電子(重慶) 有限公司,重慶404100)
GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)是寬禁帶半導(dǎo)體的代表器件之一,與Si 材料相比,GaN 材料具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻。根據(jù)摩爾定律,集成電路上元器件的數(shù)目每隔18 個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。Si 基器件驗(yàn)證了這個(gè)定律的正確性,而經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在對(duì)Si 基器件的多個(gè)參數(shù)(例如導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、開關(guān)速度等)進(jìn)行優(yōu)化后,Si 基器件的性能已經(jīng)接近其材料極限,無法滿足日益發(fā)展的應(yīng)用對(duì)功率器件的要求,以GaN、SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸進(jìn)入人們的視野。
基于GaN 材料的優(yōu)勢,GaN HEMT 傳導(dǎo)電子的效率比Si 基器件高1 000 倍,開關(guān)速度也比Si 基器件快10 倍,GaN HEMT 因其優(yōu)良的特性,正在被應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)甚至要求極為嚴(yán)格的汽車領(lǐng)域、軍工行業(yè)等。在相同的電壓等級(jí)下,GaN 材料具有更高的擊穿強(qiáng)度,可以做成更小的尺寸,帶來更高的功率密度,隨著功率密度的提升,GaN 器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的自熱效應(yīng),積累大量熱量,GaN 器件的性能和可靠性與溫度有直接的關(guān)系,因此研究GaN HEMT 器件的熱阻測試技術(shù)對(duì)研究產(chǎn)品性能、提高可靠性有重要意義。本文從GaN HEMT 與Si 基器件的原理出發(fā),分析二者的差異,結(jié)合固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC)的測試標(biāo)準(zhǔn),對(duì)不同廠家、不同電壓等級(jí)、不同封裝結(jié)構(gòu)的GaN HEMT 器件進(jìn)行測試,通過對(duì)電性及原理的分析找到溫度敏感參數(shù)來表征結(jié)溫,并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,為研究GaN 功率器件的結(jié)溫表征及熱阻測試提供了一種思路。
GaN 材料的特殊性在于其存在自發(fā)極化和壓電極化,當(dāng)在GaN 層上面再生長一層AlGaN 層時(shí),二者形成AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié),這兩種材料極化強(qiáng)度不同,二者共同作用時(shí)等效為在界面處形成極化正電荷,為了保持界面的電中性,在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面處禁帶寬度較窄的GaN 一側(cè)會(huì)感應(yīng)出自由電子,來補(bǔ)償界面上的正極化電荷。這些自由電子被高濃度的極化正電荷吸引在異質(zhì)結(jié)附近,形成窄而深的量子阱,自由電子被限制在阱中,從而在界面處形成濃度很高的二維電子氣(2DEG)[1-3]。與Si 基功率器件不同,該2DEG 在未經(jīng)人為摻雜的情況下即可形成,具有高電子遷移率、高密度等特點(diǎn),可以作為GaN HEMT 的導(dǎo)電溝道。
GaN HEMT 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示,與Si 基MOSFET 相似,GaN HEMT 也具有柵極(Gate)、源極(Source)和漏極(Drain)。常規(guī)GaN HEMT 在外延生長完AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)之后便生成了高濃度2DEG,柵極位于AlGaN 頂部,當(dāng)給柵極施加相對(duì)于漏極和源極的負(fù)電壓時(shí),2DEG 中的電子被耗盡,這種器件被稱為耗盡型(D-mode)HEMT。在實(shí)際應(yīng)用中,耗盡型器件使用不方便,如果不對(duì)柵極施加負(fù)壓,器件將處于導(dǎo)通狀態(tài),增強(qiáng)型(E-mode)器件則不會(huì)受到這種限制,增強(qiáng)型器件經(jīng)過特殊工藝處理,使柵極下方的2DEG耗盡或消失,正常情況下器件是關(guān)斷的,不會(huì)傳輸電流,當(dāng)給柵極施加正壓時(shí),漏極和源極才會(huì)導(dǎo)通。通常有4 種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件:凹槽柵[4]、注入柵[5]、P-GaN 柵[6]和共源共柵[7]。常用的P-GaN 柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,通過在AlGaN 勢壘層上生長具有正電荷的P-GaN 層,耗盡柵極下方的2DEG,形成增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 結(jié)構(gòu)。P-GaN 柵型GaN HEMT 器件是市面上應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu),本文所討論及研究的內(nèi)容均是基于該結(jié)構(gòu)的GaN 器件。
圖1 GaN HEMT 的基本結(jié)構(gòu)
熱阻是熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)所遇到的阻力,表明1 W 功率所引起的溫升,根據(jù)JESD51-51A[8]測試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,半導(dǎo)體器件結(jié)到某參考點(diǎn)的熱阻Rth為
其中,Tj為半導(dǎo)體結(jié)溫,TX為參考點(diǎn)溫度,P 為半導(dǎo)體的功率損耗。
功率器件中具體包含以下熱阻:芯片結(jié)到封裝外殼的熱阻Rthjc(參考點(diǎn)溫度為芯片外殼溫度Tc);芯片結(jié)到電路板的熱阻Rthjb(參考點(diǎn)溫度為電路板溫度Tb);芯片結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻Rthja(參考點(diǎn)溫度為周圍環(huán)境溫度Ta)。
芯片外殼溫度、電路板溫度、周圍環(huán)境溫度可以通過熱電偶接觸來測量,因此Tj是熱阻測試的關(guān)鍵。結(jié)溫測試法包括紅外熱像法[9-10]、電學(xué)法、顯微拉曼法[11]和熱反射率法[12-13]等,紅外熱像法、顯微拉曼法和熱反射率法都屬于光學(xué)方法。電學(xué)測量方法保證了樣品的完整性,更接近實(shí)際的應(yīng)用狀態(tài),是現(xiàn)在行業(yè)測量熱阻主要使用的方法。Tj測量出來之后,根據(jù)式(1)即可得到器件的熱阻。
JEDEC 給微電子封裝熱現(xiàn)象提供了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。使用電學(xué)方法測量Tj時(shí),最重要的是要有相應(yīng)的溫度傳感器,最常用的溫度傳感器是具有溫度敏感參數(shù)(TSP)的結(jié)構(gòu)或器件,例如正向偏置PN 二極管,它兩端的電壓降表現(xiàn)出隨溫度變化的線性正向特性;另一種類型的溫度傳感器是電阻式溫度檢測器(RTD),電阻型傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于其阻值隨溫度變化的線性度更強(qiáng),而且可以測試更寬的溫度范圍。
JEDEC 對(duì)溫度傳感器的選擇是有一定要求的:與加熱元件相比,溫度傳感器的尺寸應(yīng)當(dāng)盡可能小,以便在傳感器上提供具有最小溫度變化的限定溫度空間點(diǎn);此外,溫度傳感器應(yīng)該非常靠近加熱元件,以使熱源和溫度傳感器之間的溫度降最小化;溫度傳感器應(yīng)具有易于測量的參數(shù),該參數(shù)與溫度成可靠且可重復(fù)的比例。對(duì)于任何一種類型的傳感器,傳感器中的功率耗散都應(yīng)該盡可能小,通常小于所施加的加熱源功率的1%,從而不會(huì)導(dǎo)致顯著的自加熱以及由此產(chǎn)生的溫度測量和所施加熱功率的擾動(dòng)。
傳統(tǒng)Si 基功率器件使用TSP 方法來測試Tj,Si 基功率器件中存在體二極管,體二極管的正向壓降可作為溫度敏感參數(shù)。具體測試方式為使芯片處在某一溫度下,使用固定的測試電流IM流過體二極管,產(chǎn)生一個(gè)正向壓降VF,測試多組溫度下的VF,VF與溫度變化近似呈線性關(guān)系,每下降固定的VF,體二極管對(duì)應(yīng)相應(yīng)的溫升,正向電壓下降1 mV 時(shí),大多數(shù)二極管的溫升約為0.5 ℃,即-0.5 ℃/mV,該參數(shù)稱為K 因子,這個(gè)參數(shù)取決于工藝,通過測量不同溫度下的體二極管電壓來確定。
確定了K 因子之后就可以通過VF推導(dǎo)Tj,Tc、Tb、Ta可以通過熱電偶接觸等方式獲得,然后通過式(1)就可以計(jì)算出器件的相關(guān)熱阻。
Si 基器件用VF作為溫度敏感參數(shù)來衡量Tj,為了對(duì)GaN HEMT 器件進(jìn)行結(jié)溫表征,需要找到GaN HEMT 中可作為溫度敏感參數(shù)的電性參數(shù),同時(shí)還需要符合JEDEC 的標(biāo)準(zhǔn)。
4.1.1 反向?qū)?/p>
GaN HEMT 器件的工作原理如2.1 節(jié)所述,其導(dǎo)通原理為AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)相互作用形成2DEG,與Si 基器件摻雜產(chǎn)生PN 結(jié)的原理不同,因此GaN HEMT 器件內(nèi)部沒有物理意義上的PN 結(jié),GaN HEMT 器件的結(jié)溫指的是器件內(nèi)部導(dǎo)電溝道附近的溫度。GaN HEMT 器件反向?qū)ㄒ彩?DEG 的作用,其沒有寄生的體二極管;在芯片內(nèi)部溝道處集成熱測試驗(yàn)證芯片[14]的方式會(huì)增加工藝難度,并且需要額外的摻雜工藝,還會(huì)帶來更多的缺陷,影響器件可靠性,因此Si 基器件中最常使用的通過測量PN 結(jié)二極管的壓降來測試結(jié)溫的方式對(duì)于GaN HEMT 器件并不適用。
4.1.2 閾值電壓
對(duì)于功率器件,器件處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的柵極電壓定義為閾值電壓Vth,GaN HEMT 器件的Vth與AlGaN 勢壘以及柵極內(nèi)建電壓有關(guān)[15]。因AlGaN 勢壘中的應(yīng)變不隨溫度變化,所以內(nèi)部冶金結(jié)產(chǎn)生的電壓以及GaN HEMT 的Vth也基本不隨溫度變化。而且現(xiàn)階段增強(qiáng)型GaN HEMT 的Vth比較低,大多為1 V 左右,隨溫度變化的曲線比較平坦。
4.1.3 導(dǎo)通電阻
器件的導(dǎo)通電阻Rdson為導(dǎo)通回路上所有的電阻之和。GaN HEMT 的Rdson由以下幾部分組成:源漏金屬需要通過AlGaN 勢壘層連接到2DEG,這部分電阻為接觸電阻Rc;作為導(dǎo)電溝道的2DEG 的電阻R2DEG,該電阻與電子遷移率u2DEG、2DEG 的電子數(shù)N2DEG、電子運(yùn)行距離L2DEG、2DEG 的寬度W2DEG和電荷常數(shù)q(1.6×10-19C)等有關(guān)[16]。
在實(shí)際器件中,在柵極的作用下,柵極區(qū)域2DEG的電子濃度比其他區(qū)域的電子濃度低,該區(qū)域電阻為R2DEG(Gate),金屬連接及其他寄生電阻為Rparasitic。因此,GaN HEMT 的Rdson可近似由以下公式表示:
Rdson的每個(gè)組成部分都隨溫度變化,不同組成部分的電阻率溫度系數(shù)是不同的。在半導(dǎo)體中,金屬互連層的阻值與溫度具有線性關(guān)系,在JEDEC 中RTD作為溫度傳感器就是應(yīng)用了金屬的這個(gè)特性。2DEG的電阻與Rc也具有相應(yīng)的電阻率溫度系數(shù)。GaN HEMT 的Rdson與溫度T 的函數(shù)可近似表示為[17]
器件的Rdson隨溫度的變化取決于器件的設(shè)計(jì),即Rc、R2DEG、Rparasitic以 及 柵 極 的 設(shè) 計(jì) 等,但 是R2DEG、Rc、Rparasitic的電阻率溫度系數(shù)均為正,因此對(duì)于一個(gè)確定的產(chǎn)品,隨著器件溫度的升高,電阻也會(huì)隨之增加,導(dǎo)通電阻理論上可以表示為溫度的函數(shù)。
目前,GaN HEMT 有不同電壓等級(jí)以及不同封裝形式的器件,為找到一個(gè)能適用各種封裝以及各種電壓等級(jí)的器件結(jié)溫表征形式,本研究選用的器件電壓等級(jí)分為100 V、650 V;封裝形式包含晶體管外殼封裝(TO)、雙扁平無引線封裝(DFN)、芯片級(jí)封裝(CSP)。因CSP 為晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP),封裝后的芯片體積與裸芯(Die)相同,沒有引入鍵合所需的引線以及框架引腳的電阻,而且具有更優(yōu)良的散熱特性,與TO 封裝和DFN 封裝的導(dǎo)通電阻構(gòu)成略有差異。通過選擇不同電壓等級(jí)、不同封裝形式的器件,驗(yàn)證Vth以及Rdson隨溫度的變化情況。
本實(shí)驗(yàn)需要使用如下設(shè)備:Keysight B1505A 功率器件分析儀,用于對(duì)被測器件(DUT)進(jìn)行Vth及Rdson等電學(xué)特性的測試;油浴溫控系統(tǒng)或者高低溫測試機(jī),用于給DUT 提供恒定的溫度環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)流程如下:首先將DUT 放入高低溫測試機(jī)或者油浴系統(tǒng)中,DUT 的漏極和源極要與Keysight B1505A 保持Kelvin連接;然后將高低溫測試機(jī)或者油浴系統(tǒng)溫度由室溫25 ℃逐漸升溫到150 ℃,在升溫過程中以25 ℃為溫度間隔,使用Keysight B1505A 采集對(duì)應(yīng)溫度DUT 的Vth和Rdson。
Vth的測試方法為將器件的柵極與漏極短接,并施加一個(gè)從0 V 逐漸增大的電壓,器件由關(guān)斷狀態(tài)逐漸開啟,當(dāng)漏極端電流達(dá)到測試電流IM時(shí)的柵極端電壓Vg就是Vth。
Rdson的測試方法為在柵極端施加一個(gè)高壓,使DUT 處于導(dǎo)通狀態(tài),在漏極和源極之間施加一個(gè)偏置電流Id,該電流大小需適中,測試電流過小會(huì)導(dǎo)致被測電壓比較低,此時(shí)測試會(huì)引入較大的誤差,測試電流過大會(huì)產(chǎn)生熱量,影響測試結(jié)果,偏置電流的大小取決于DUT 的能力。通過四探針測試法測量在該Id下漏極和源極兩端的電壓Vds,然后根據(jù)歐姆定律R=V/I 即可得到每一個(gè)溫度下的Rdson。
選取3 款不同的器件:DUT1 為100 V、7 mΩ、CSP封裝GaN HEMT 器件;DUT2 為650 V、100 mΩ、TO封裝器件;DUT3 為650 V、200 mΩ、DFN 封裝器件。通過以上測試平臺(tái)及測試流程,對(duì)DUT 進(jìn)行測試。圖2為DUT 的Vth隨Tj變化的曲線圖,由圖2 可以看到,不同電壓等級(jí)、不同封裝的GaN HEMT 器件Vth都在1 V 左右,Vth隨溫度變化很小,曲線較為平緩。
圖2 Vth 隨Tj 變化的曲線
表1 展示了DUT Vth的變化量ΔVth和變化率,其中ΔVth是圖2 中每條曲線的最大值與最小值的差值,變化率是該差值與對(duì)應(yīng)器件在25 ℃時(shí)Vth的比值。變化率最大的DUT1 只有21.55%,變化值為0.261 V,與溫度的關(guān)聯(lián)性差;而且Vth與測試系統(tǒng)的精度息息相關(guān),可重復(fù)性差。結(jié)合4.1.2 節(jié)對(duì)Vth的理論分析可知,GaNHEMT 的Vth不具備作為溫度敏感參數(shù)的必要條件。
表1 不同DUT 的Vth 變化
圖3 為DUT 的Rdson隨Tj變化的曲線,可以看出,雖然器件的擊穿電壓不同、封裝形式不同,但是導(dǎo)通電阻都隨溫度的上升有明顯的增加。
圖3 Rdson 隨Tj 變化曲線
表2 為各DUT Rdson的詳細(xì)變化量ΔRdson與變化率,變化量是圖3 中每條曲線的最大值與最小值的差值,變化率是該差值與對(duì)應(yīng)器件在25 ℃時(shí)Rdson的比值,可以看到變化率超過67.6%。由測試曲線和測試數(shù)據(jù)可知:針對(duì)同一種器件,隨著溫度的升高,器件的Rdson逐漸增大,150 ℃下的Rdson甚至比在常溫25 ℃的Rdson增大近一倍。
表2 DUT 的Rdson 變化
為驗(yàn)證圖2、3 所示規(guī)律的普遍性,選取A、B 兩種規(guī)格的GaN HEMT 器件各80 顆進(jìn)行測試,A 器件為650 V、100 mΩ、TO 封裝的器件,B 器件為650 V、150 mΩ、DFN 封裝的器件。圖4 為兩種規(guī)格器件的Vth箱線圖,從圖中可以看出,A、B 兩款器件Vth的數(shù)據(jù)較為分散,在25 ℃和150 ℃兩種情況下,變化只有0.1 V左右,變化幅度很小,與圖2 曲線中的特性一致。圖5為兩種規(guī)格器件的Rdson箱線圖,由圖中可以看出,Rdson測試數(shù)據(jù)較為集中,對(duì)固定的產(chǎn)品,在結(jié)溫為150 ℃的情況下,相較于結(jié)溫為25 ℃的情況Rdson有明顯的增加,而且依據(jù)市面現(xiàn)有E-mode GaN HEMT 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表來看,Rdson隨溫度升高而增加是顯著且普遍存在的。結(jié)合測試數(shù)據(jù)與4.1.3 節(jié)的原理分析,可知Rdson與溫度有明顯的關(guān)聯(lián)。
圖4 25 ℃與150 ℃下Vth 分布
圖5 25 ℃與150 ℃下Rdson 分布
從圖3 可以看出,Rdson隨Tj的變化是非線性的,因此無法像二極管正向壓降隨溫度的變化曲線那樣得出一個(gè)近似線性的K 因子。為研究GaN HEMT 的Rdson與Tj的關(guān)系,對(duì)測試曲線進(jìn)行擬合,可以得到一個(gè)Rdson隨Tj變化的函數(shù)。
針對(duì)本實(shí)驗(yàn)過程中的DUT,對(duì)DUT1 進(jìn)行擬合之后的函數(shù)為
對(duì)DUT2 進(jìn)行擬合之后的函數(shù)為
通過擬合的函數(shù)確定Rdson與Tj的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可通過擬合函數(shù)使用某一時(shí)刻的Rdson反推導(dǎo)出此刻GaN HEMT 的Tj。
為驗(yàn)證該方案的可行性與擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試,測試所需設(shè)備有:直流電源,為DUT 提供柵極驅(qū)動(dòng);電子負(fù)載,為DUT 提供負(fù)載,并控制電流;ROHDE&SCHWARZ 示波器,抓取測試過程中的波形;Fotric 紅外熱成像儀,用來掃描DUT 的溫度。
實(shí)驗(yàn)步驟如下:對(duì)DUT 柵極施加Vg,使器件處于開啟狀態(tài),在電子負(fù)載的作用下對(duì)器件漏源極施加一個(gè)固定電流Id,器件Tj升高,測量溫升過程中某一時(shí)刻的Rdson,并使用紅外熱成像儀掃描該點(diǎn)的器件溫度Ttest。
圖6 為DUT1 在測試點(diǎn)的紅外熱成像圖,在此測試點(diǎn)通過示波器得到DUT1 的Rdson為3.034 mΩ,通過擬合式(4)反推該時(shí)刻的Tj=101.623 ℃,與圖6 中紅外熱成像儀掃描的99.9 ℃相近。
圖6 DUT1 在測試點(diǎn)的紅外熱成像圖
圖7 為DUT2 在測試點(diǎn)的紅外熱成像圖,此時(shí)求得DUT2 此點(diǎn)的Rdson為109.7 mΩ,通過式(5)反推該時(shí)刻的結(jié)溫Tj=64.803 ℃,高于圖7 中紅外熱成像儀掃描的49.8 ℃。
圖7 DUT2 在測試點(diǎn)的紅外熱成像圖
在該實(shí)驗(yàn)中,紅外熱像法熱阻測試只能在器件未封帽或者開蓋后進(jìn)行,不適用于封裝完整的器件[18],DUT1 為CSP 封裝,與TO 或DFN 等封裝形式不一樣,該封裝并沒有框架引腳、引線鍵合、塑封外殼,近似裸芯片,因此紅外熱成像儀掃描出來的溫度接近真實(shí)結(jié)溫;而DUT2 為TO 封裝,紅外熱成像儀只能掃描塑封料及金屬框架的表面溫度,真實(shí)結(jié)溫要高于該溫度。二者測試結(jié)果均符合上述理論。
表3 選用了4 顆CSP 封裝GaN HEMT 器件,DUT4 為150 V、6 mΩ,DUT5 為200 V、100 mΩ,DUT6 為200 V、80 mΩ,DUT7 為60 V、45 mΩ,按照上文的測試步驟進(jìn)行測試驗(yàn)證,對(duì)Rdson及Tj進(jìn)行擬合,最后將Rdson表征的Tj與紅外熱成像測試的結(jié)果Ttest進(jìn)行對(duì)比,可以看到二者比較接近,因此將Rdson作為溫度敏感參數(shù)來表征GaN HEMT 的結(jié)溫是可行的。
表3 多組CSP 器件表征結(jié)溫與紅外熱成像對(duì)比
使用Rdson表征出GaN HEMT 的Tj后,結(jié)合測出的殼溫及環(huán)境溫度以及式(1)即可計(jì)算出GaN 器件的熱阻。
本文通過對(duì)GaN HEMT 器件的工作原理、電性參數(shù)進(jìn)行分析,依據(jù)JEDEC 的標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合Si 基功率器件的測試經(jīng)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)不同擊穿電壓、不同封裝形式的GaN HEMT 器件的閾值電壓、導(dǎo)通電阻進(jìn)行溫度的關(guān)聯(lián)性測試,對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析,并將表征結(jié)果與紅外熱成像法測得的結(jié)溫進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了導(dǎo)通電阻作為溫度敏感參數(shù)表征GaN HEMT 器件結(jié)溫的可行性,該參數(shù)可以用來進(jìn)行熱阻測試。