一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法

摘要

一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法，属于半导体器件测试领域。技术方案：搭建温度曲线标定平台，通过外部供热的方法，标定器件温度曲线，测定未知结温下的温敏参数，计算器件结温Tj。有益效果:本发明所述的Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法通过在Cascode结构GaN电力电子器件关态条件下，在器件源漏两端施加两次大小不同的偏置电流，测量偏置电压值，进而得到温敏电参数，该参数仅与两次不同的测试电流和测得的偏置电压有关，排除了测试回路中与SiMOSFET体二极管串联的GaNHEMT导通电阻RGaN对于温敏关系线性度的影响；由温敏电参数与温度的完全线性对应关系可以精确的表征器件结温。

权利要求

1.一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法，其特征在于，步骤如下：S1、搭建温度曲线标定平台：将待测器件放置于可调控的稳定温度环境中，通过外接线缆将待测器件源、漏端连接至测试系统；

S2、通过外部供热的方法，标定器件温度曲线：设置待测器件所处环境温度，温度范围为室温到200℃，待器件整体温度与环境温度稳定一致后，在器件源漏两端施加电流偏置I1，测试两端电压值为Vf1；调整施加电流为I2，测量器件源漏两端电压值Vf2；通过计算得到该温度下的温敏电参数ΔRSi值；在不同的温度条件下重复上述操作过程，得到反映温敏电参数与温度关系的曲线，利用数学拟合该温度曲线得到数学表达式；

S3、测定未知结温下的温敏参数：测试系统通过探针、外接引线连接在待测器件两端；

当器件负载工作到待测结温时刻，关断工作电路，开启测试系统相关电路，迅速执行步骤S2中的温敏电参数ΔRSi测试操作，得到该时刻器件的温敏电参数值；

S4、计算器件结温Tj：将温敏电参数值对应于步骤S2中得到的温度曲线数学表达式，计算出该时刻器件的结温Tj；该结温值即为Cascode结构GaN电力电子器件的精确结温值；

在进行偏置测试时，测试回路中的电阻由Si MOSFET体电阻RSi和氮化镓导通电阻RGaN组成，具有如公式(1)所示的电学关系：I×(RSi+RGaN)＝Vf        (1)

在结温测试时，在短时间内先后施加I1和I2两个不同大小的电流偏置，监测器件源漏两端电压Vf1和Vf2；通过公式(2)移项相减消去RGaN，得到公式(3)中只包含条件参量I和测试参量Vf的温敏电参数ΔRSi利用温敏电参数ΔRSi与温度的线性变化关系精确地表征Cascode结构GaN电力电子器件的结温。

2.如权利要求1所述的Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法，其特征在于，所述测试系统是具有电流源功能的源表，或者采用电流源与电压表组合。

说明书

一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件测试领域，尤其涉及一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法。

背景技术

[0002] 电子技术主要包括信息电子技术和电力电子技术，其中电力电子器件在电子技术领域中发挥了重要作用，是实施电能传输、处理、存储和控制的基本单元。随着科技的不断发展，传统的硅材料在温度、电场、频率等方面展现出的性能已经达到极限。GaN等第三代半导体材料具有大禁带宽度、高击穿电场、高电子迁移率等优势，越来越多的应用在功率转换、微波通讯等技术领域。但氮化镓(GaN)电力电子器件发挥更高性能的同时，由于材料本身和制作工艺的特殊性带来较多的可靠性问题，这也是近年来业界研究的重点内容。

[0003] 可靠性决定了器件工作的环境条件以及本身的稳定性。从研究初期到量产阶段，可靠性分析都是重要的一个环节。在半导体电力电子器件可靠性测试领域，器件内部结温是十分重要的参量。结温可以反映器件工作时内部芯片的温度情况，在所有器件的出厂数据手册中都需要注明器件的特性参量所处的测试结温状态。此外，通过监测结温可以完成器件功率循环等结温冲击型老化测试。

[0004] 关于结温的监测通常有光学测试、电学测试、物理接触等方法，对于已封装完成的器件，光学和物理接触的方法通常不适用。在业界中，大多采用电学测量的方法，利用器件内部的某一电学参量与温度的对应关系曲线(K线)进行温度测量。PN结二极管具有良好的温度特性，在多数半导体器件中均采用体内二极管来进行电学方式的结温测量。

[0005] 对于GaN材料，由于自发极化和压电极化效应，在铝镓氮(AlGaN)和GaN界面处存在高电子迁移率的二维电子气结构，从而导致常规的GaN电力电子器件为常开耗尽型。目前商业化的增强型GaN电力电子器件有很大一部分采用常关型Si MOSFET器件与常开型电力电子器件进行级联。这种方法通过Si材料金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)控制整体器件开启和关断，利用GaN材料高电子迁移率晶体管(HEMT)来阻挡高压。由于该方法降低了GaN器件在工艺方面的投入，得到了广泛的应用。

[0006] 由于GaN HEMT内部无体二极管，无法利用其自身二极管温度特性来测量结温。目前应用较多的主要有利用漏极饱和电流Isat和GaN电力电子器件的导通电阻Ron来测量结温的方法。GaN电力电子器件的漏极饱和电流Isat需要脉冲扫描器件输出特性曲线，测试时间较长且在大电流脉冲条件下极有可能给器件带来破坏。利用导通电阻Ron测试结温相对而言测试时间较短,但仍需要毫秒以上的时间。并且导通电阻为开态测试，在功率循环等负载条件下需要额外设置栅驱动电路，给电路设计和自动控制带来了更多的困难。同时导通电阻与温度的非线性关系易引入误差影响结温测量的准确性。

[0007] 对于共栅共源级联(Cascode)结构GaN电力电子器件，业界有研究者直接利用其关态源漏反偏压来表征器件结温。但Si MOSFET体二极管偏压与温度呈现线性关系，GaN HEMT导通电阻与温度呈非线性关系，二者串联叠加不可简单视作线性关系直接对温度进行表征。因此找到一种能够在关态稳定条件下进行测试，且温敏电学参量与温度呈现完全线性关系的结温测量方法十分必要。通过排除与Si MOSFET串联的GaN HEMT导通电阻的影响，得到完全线性的温度关系曲线，精确表示Si MOSFET的结温。通过测试发现，Si MOSFET的结温与通过导通电阻Ron测试的结温相差范围在5％之内，故可以利用硅器件的结温表征器件整体结温。

发明内容

[0008] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法，该测量方法通过在Cascode结构GaN电力电子器件关态条件下，在器件源漏两端施加两次大小不同的偏置电流，测量偏置电压值，进而得到温敏电参数ΔRSi，由温敏电参数ΔRSi与温度的完全线性对应关系可以精确的表征器件结温。

[0009] 技术方案如下：

[0010] 一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法，步骤如下：

[0011] S1、搭建温度曲线标定平台：将待测器件放置于可调控的稳定温度环境中，通过外接线缆将待测器件源、漏端连接至测试系统；

[0012] S2、通过外部供热的方法，标定器件温度曲线：设置待测器件所处环境温度，温度范围为室温到200℃，待器件整体温度与环境温度稳定一致后，在器件源漏两端施加电流偏置I1，测试两端电压值为Vf1；调整施加电流为I2，测量器件源漏两端电压值Vf2；通过数学计算得到该温度下的温敏电参数ΔRSi值；在不同的温度条件下重复上述操作过程，得到反映温敏电参数与温度关系的曲线，利用数学软件拟合该温度曲线得到数学表达式；

[0013] S3、测定未知结温下的温敏参数：测试系统通过探针、外接引线连接在待测器件两端；当器件负载工作到待测结温时刻，关断工作电路，开启测试系统相关电路，迅速执行步骤S2中的温敏电参数ΔRSi测试操作，得到该时刻器件的温敏电参数值；

[0014] S4、计算器件结温Tj：将温敏电参数值对应于步骤S2中得到的温度曲线数学表达式，计算出该时刻器件的结温Tj；该结温值即为Cascode结构GaN电力电子器件的精确结温值。

[0015] 进一步的，在进行偏置测试时，测试回路中的电阻由Si MOSFET体电阻RSi和氮化镓导通电阻RGaN组成，具有如公式(1)所示的电学关系：

[0016] I×(RSi+RGaN)＝Vf  (1)

[0017] 在结温测试时，在短时间内先后施加I1和I2两个不同大小的电流偏置，监测器件源漏两端电压Vf1和Vf2；通过公式(2)移项相减消去RGaN，得到公式(3)中只包含条件参量I和测试参量Vf的温敏电参数ΔRSi

[0018]

[0019]

[0020] 利用温敏电参数ΔRSi与温度的线性变化关系精确地表征Cascode结构GaN电力电子器件的结温。

[0021] 进一步的，所述测试系统是具有电流源功能的源表，或者采用电流源与电压表组合。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本发明所述的Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法通过在Cascode结构GaN电力电子器件关态条件下，在器件源漏两端施加两次大小不同的偏置电流，测量偏置电压值，进而得到温敏电参数ΔRSi，该参数仅与两次不同的测试电流和测得的偏置电压有关，排除了测试回路中与Si MOSFET体二极管串联的GaN HEMT导通电阻RGaN对于温敏关系线性度的影响。由温敏电参数ΔRSi与温度的完全线性对应关系可以精确的表征器件结温。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

[0025] 图1是本发明提出的一种Cascode结构GaN电力电子器件结温精确测量方法的测试流程图；

[0026] 图2是Cascode结构GaN电力电子器件结温测试示意图；

[0027] 图3是Cascode结构GaN电力电子器件结温测试时测试回路的等效电路示意图；

[0028] 图4是Si MOSFET体二极管偏压Vf、器件整体导通电阻Ron与温度的关系图；

[0029] 图5是Cascode结构GaN电力电子器件温敏参数与温度的关系图；

[0030] 图6是本发明提出的温度曲线标定平台示意图；

[0031] 图7是本发明提出的结温测试电路示意图；

[0032] 图8是本发明实施例中测得的温敏电参数与温度关系图；

[0033] 图9是本发明申请方法测量的结温与利用导通电阻Ron测量结温的对比图；

[0034] 图10是不同电学测温方法所需测试时间对比图。

具体实施方式

[0035] 下面将参照附图1‑10更详细地描述本发明一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量方法。

[0036] 实施例1

[0037] 本发明提出一种Cascode结构GaN电力电子器件结温快速精确测量的方法，该方法通过在Cascode结构GaN电力电子器件关态条件下，在器件源漏两端施加两次大小不同的偏置电流，测量偏置电压值，进而得到温敏电参数ΔRSi，该参数仅与两次不同的测试电流和测得的偏置电压有关，排除了测试回路中与Si MOSFET体二极管串联的GaN HEMT导通电阻RGaN对于温敏关系线性度的影响。由温敏电参数ΔRSi与温度的完全线性对应关系可以精确的表征器件结温。测试流程如图1所示。

[0038] 常规的Cascode结构电力电子器件结温测试原理如图2，通过直接在器件源漏两端施加反向偏置电流得到Si MOSFET体二极管与氮化镓导通电阻RGaN整体的总电压，通过该电压与温度的拟合关系测量结温，测试等效电路如图3所示。

[0039] 众所周知，Si MOSFET体二极管偏压Vf与温度呈线性关系，而测试发现GaN导通电阻与温度呈二次曲线关系(如图4所示)。由于GaN导通电阻与温度呈非线性关系，因此在测试电路中，GaN导通电阻分得的电压值亦与温度呈非线性关系。上述二者串联叠加后不可视作与温度呈现线性关系。

[0040] 本发明提出一种利用两次关态源漏偏置电压测试，能够在短时间内去除GaN导通电阻对温度曲线的影响，快速精确的测量器件结温。具体原理如下：

[0041] 在进行偏置测试时，测试回路中的电阻由Si MOSFET体电阻RSi和氮化镓导通电阻RGaN组成，具有如公式(1)所示的电学关系。

[0042] I×(RSi+RGaN)＝Vf  (1)

[0043] 在结温测试时，在短时间内先后施加I1和I2两个不同大小的电流偏置，监测器件源漏两端电压Vf1和Vf2。通过公式(2)移项相减消去RGaN，得到公式(3)中只包含条件参量I和测试参量Vf的温敏电参数ΔRSi

[0044]

[0045]

[0046] 经测试，温敏电参数ΔRSi与温度呈现良好的线性关系，如图5所示。利用ΔRSi与温度的线性变化关系可以精确的表征Cascode结构GaN电力电子器件的结温。本专利申请欲保护的技术点为：

[0047] 1)Cascode结构GaN电力电子器件器件结温精确测量方法；

[0048] 2)Cascode结构GaN电力电子器件器件通过两次测量源漏关态偏压进而消除GaN导通电阻影响温度线性关系的方法。

[0049] 本发明具体技术方案包含步骤如下：

[0050] 步骤①：搭建温度曲线标定平台。如图6所示，将待测器件放置于可调控的稳定温度环境中，通过外接线缆将待测器件源漏端连接至测试系统。线缆电阻处于变温环境外，其阻值固定，不会影响曲线的线性度。测试系统可以是具有电流源功能的源表或者可以采用电流源与电压表组合。本专利申请提出的测试方法为关态测试，因此无需额外设计栅极驱动电路。

[0051] 步骤②：通过外部供热的方法，标定器件温度曲线。将器件所处环境温度设为某固定值，待器件整体温度与环境温度稳定一致后，在器件源漏两端施加电流偏置I1,测试两端电压值为Vf1；调整施加电流为I2，测量器件源漏两端电压值Vf2。通过数学计算得到该温度下的ΔRSi值。在不同的温度条件下重复上述操作过程，得到足以反映温敏电参数与温度关系的曲线，利用数学软件拟合该温度曲线得到数学表达式。

[0052] 步骤③：测定未知结温下的温敏参数。如图7所示，测试系统可通过探针、外接引线等形式连接在待测器件两端。当器件负载工作到某一时刻，关断工作电路，开启测试系统相关电路，迅速执行步骤②中的ΔRSi测试操作，得到该时刻器件的温敏电参数值。

[0053] 步骤④：计算器件结温Tj。将温敏电参数值对应于步骤②中得到的温度曲线数学表达式，计算出该时刻器件的结温Tj。该结温值即为Cascode结构GaN电力电子器件的精确结温值。

[0054] 实施例2

[0055] 本发明精确测量Cascode结构GaN电力电子器件结温的具体实施例说明如下：

[0056] 步骤①：搭建温度曲线标定平台。如图6所示，将待测器件放置于可调控的稳定温度环境中，通过外接线缆将待测器件源漏端连接到测试系统。线缆电阻处于变温环境外，其阻值固定，不会影响温度曲线的线性度。测试系统可以是具有电流源功能的源表或者可以采用电流源与电压表组合。本专利申请提出的测试方法为关态测试，因此无需额外设计栅极驱动电路。

[0057] 步骤②：通过外部供热的方法，标定器件温度曲线。将器件所处环境温度设为某固定值，待器件整体温度与环境温度稳定一致后，在器件源漏两端施加电流偏置10mA,测试两端电压值为Vf1；调整施加电流为20mA，测量器件源漏两端电压值Vf2。通过数学计算得到该温度下的ΔRSi值。在不同的温度条件下重复上述操作过程，得到足以反映温敏电参数与温度关系的曲线，利用数学软件拟合该温度曲线得到数学表达式。如图8所示。

[0058] 步骤③：测定未知结温下的温敏参数。如图7所示，测试系统可通过探针、外接引线等形式连接在待测器件两端。当器件负载工作到某一时刻，关断工作电路，开启测试系统相关电路，迅速执行步骤②中的ΔRSi测试操作，得到该时刻器件的温敏电参数值。

[0059] 步骤④：计算器件结温Tj。将温敏电参数值对应于步骤②中得到的温度曲线数学表达式，计算出该时刻器件的结温Tj。该结温值即为Cascode结构内部GaN导通电阻影响的精确结温。

[0060] 由图9中可以看出，采用本专利申请提出的方案测得的器件结温，与通过Cascode结构GaN电力电子器件导通电阻测得的器件结温差值在5％之内，符合功率循环等结温诱导老化实验的测试需求。从图10可以看出，本专利申请提出的方案所需要的测试时间在微秒级别，远小于利用漏极饱和电流Isat测结温所需的秒级测试时间和采用导通电阻Ron所需的毫秒级别的测试时间，可以减小由于测试时间过长导致的单颗器件测量温度与实际温度误差以及同批次实验中各个器件间的结温差异。因此，通过本专利申请提出的温敏电参量ΔRSi及其测试方法，可以快速精确的测量Cascode结构GaN电力电子器件的结温。

[0061] 应说明的是，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。