CC BY
54ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
УДК 681.518.3 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-219-233
Сравнительный анализ методов измерения теплового сопротивления нитрид-галлиевых НЕМТ-транзисторов
В.И. Смирнов1'2, В.А. Сергеев1'2, А.А. Гавриков1, А.А. Куликов1
1Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, г. Ульяновск, Россия 2Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск, Россия
sva@ulstu.ru
Мощность HEMT-транзисторов на подложке из кремния достигает 100 Вт, на подложках из карбида кремния - 1,5 кВт. Это предъявляет высокие требования к качеству отвода тепла от активной области кристалла к корпусу и далее в окружающую среду. В работе представлены результаты измерений теплового сопротивления переход-корпус нитрид-галлиевых HEMT-транзисторов. Измерения проведены с помощью аппаратно-программного комплекса, в котором реализованы два метода измерения теплового сопротивления. В первом методе согласно ОСТ 11 0944-96 через канал транзистора пропущена серия импульсов греющего тока и измерена температура канала в паузах между импульсами. Во втором методе использована модуляция рассеиваемой в транзисторе мощности и измерен отклик на это воздействие - переменная составляющая температуры перехода. Для исключения влияния длительности греющих импульсов на результаты измерений, характерного для стандартного метода, предварительно измерена переходная характеристика теплового импеданса, анализ которой позволил определить оптимальные значения длительности импульсов. Для уменьшения влияния времени задержки, обусловленной переходными электрическими процессами при переключении транзистора из режима нагрева в режим измерения температурочувстви-тельного параметра, проведена экстраполяция сигнала данного параметра к моменту окончания греющего импульса. Сравнительный анализ показал, что результаты измерений, полученные стандартным и модуляционным методами, отличаются друг от друга менее чем на 2 %. Определено влияние амплитуды импульсов греющего тока на тепловое сопротивление. Установлено, что с ростом греющего тока измеренные значения теплового сопротивления увеличиваются. Это указывает на нелинейный характер зависимости температуры в канале транзистора от рассеиваемой в нем мощности.
© В.И. Смирнов, В.А. Сергеев, А.А. Гавриков, А.А. Куликов, 2020
Ключевые слова: HEMT-транзистор; тепловое сопротивление; измерение; модуляционный метод; переходная характеристика
Для цитирования: Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Куликов А.А. Сравнительный анализ методов измерения теплового сопротивления нитрид-гал-лиевых НЕМТ-транзисторов // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 219-233. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-219-233
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и правительства Ульяновской области (проект № 18-47-730024).
Comparative Analysis of Methods for Measuring Thermal Resistance of Gallium Nitride HEMT-Transistors
V.I. Smirnov1'2, V.A. Sergeev1'2, A.A. Gavrikov1, A.A. Kulikov1
1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Ulyanovsk, Russia 2Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
sva@ulstu.ru
Abstract: The power of the HEMT-transistors on the substrate from silicon achieves 100 W, on the substrate from silicon carbide - 1.5 kW. This presents high requirements to the quality of heat removal from the crystal active region to case and further to the environment. In the paper the thermal resistance "junction-to-case" the measurement results for GaN HEMT-transistors have been presented. The measurements have been performed using the apparatus, which includes two methods of thermal resistance measurements. In the first method -according to the standard OCT 11 0944-96, a sequence of heating current pulses is passing through the transistor channel and the junction temperature is measured. In the second method the modulated heating power has been used and the response - variable component of the junction temperature has been measured. To exclude the influence of the heating pulses duration, that is typical for the standard method, preliminary measurements of the transient response of the thermal impedance have been performed. To reduce the influence of the delay time, caused by transient electrical processes in the transistor when it switches from the heating mode to the measurement of the thermal sensitive parameter (TSP) mode, an extrapolation of the TSP signal of this parameter has been performed by the end of the heating pulse. The comparative analysis has shown that the measurements results, obtained by the standard and modulation methods differ by less than 2%. The influence of the amplitude of pulses of the heating current heating pulses has been shown. It has been determined that with increasing the heating current the thermal resistance measured values increases, which indi -cates to the nonlinear nature of the dependence of the temperature in the transis -tor channel on the power dissipated in it.
Keywords: HEMT-transistor; thermal resistance; measurement; modulation method; transient characteristic
For citation: Smimov VI., Sergeev VA., Gavrikov A.A., Kulikov A.A. Comparative analysis of methods for measuring thermal resistance of gallium nitride HEMT-transis-tors. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 3, pp. 219-233. DOI: 10.24151/15615405-2020-25-3-219-233
Funding: the work has been carried out within the framework of the state task and partially has been supported by the Russian Foundation for Basic Research (project № 18-47-730024).
Введение. Нитрид-галлиевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor, HEMT) широко применяются в силовой и СВЧ-элек-тронике (мобильная и космическая связь, локация, транспорт, DC/DC-преобразователи и др.). Большая ширина запрещенной зоны нитрида галлия GaN (3,4 эВ) обеспечивает высокую стабильность работы НЕМТ-транзисторов при изменении температуры или воздействии радиации. Расчеты показывают, что такие транзисторы должны сохранять работоспособность при температурах до 500 °C [1]. Высокая критическая напряженность поля GaN (3,3 МВ/см) дает возможность увеличить плотность мощности при высоких рабочих частотах. Сочетание высокой подвижности и большой концентрации носителей в канале делают HEMT-транзисторы на основе GaN уникальными по своим мощностным и частотным свойствам. В настоящее время имеются образцы HEMT-транзисторов, работающих на частотах до 300 ГГц и имеющих удельную выходную мощность на единицу ширины затвора 40 Вт/мм [2].
Структура нитрид-галлиевого НЕМТ-транзистора. Структура HEMT-транзисто-ра на основе GaN и схема его монтажа представлены на рис.1 [3]. Активной областью транзистора является гетеропереход GaN-AlGaN, в области которого из-за различия ширины запрещенной зоны образуется потенциальная яма для электронов. Кристаллы GaN и AlGaN имеют полярную природу, поэтому в процессе роста на их границе происходит спонтанная поляризация с образованием поверхностных зарядов. Из-за рассогласования кристаллических решеток GaN и AlGaN в области гетероперехода возникают тангенциальные механические напряжения, вызывающие в результате эффекта поляризации появление дополнительных поляризационных зарядов. Вследствие этого в потенциальной яме образуется заряд электронов высокой плотности - двумерный электронный газ, который и является каналом HEMT-транзистора. Высокая подвижность электронов в канале обеспечивается совершенством кристаллической решетки слоя GaN и отсутствием в нем примесных атомов. Тонкий вышележащий слой /-AlGaN (спейсер) предназначен для увеличения разрыва зон в области гетероперехода, что уменьшает вероятность перехода электронов из канала в слой AlGaN. Высокая концентрация и
Рис.1. Структура HEMT-транзистора (а) и схема его монтажа в корпус (б) [3] Fig.1. The structure of the HEMT transistor (a) and the scheme of its installation in the case (b) [3]
подвижность электронов позволяют достичь существенного снижения сопротивления канала RDS. По сравнению с кремниевыми МДП-транзисторами в транзисторах на основе GaN может быть достигнуто снижение Rds более чем на порядок в диапазоне напряжений пробоя 100-300 В [4].
Вся структура HEMT-транзистора выращивается на подложке, в качестве которой используются кремний, сапфир и карбид кремния. В последние годы активно ведутся работы по изготовлению HEMT-транзисторов со структурой GaN на подложке из алмаза [5]. По совокупности параметров подложки из кремния наиболее технологичны: они доступны, дешевы, характеризуются достаточно высокой теплопроводностью, не ограничены по диаметру пластин и легко обрабатываются. Но на кремниевых подложках сложно выращивать качественные эпитаксиальные слои GaN из-за большого различия параметров кристаллических решеток GaN и Si, а также их коэффициентов теплового расширения. Для решения проблемы буферный слой формируется между подложкой и слоем /-GaN, что обеспечивает плавный переход от подложки к совершенной структуре канала. Иногда буферный слой состоит из нескольких различных слоев, в частности из AlN и AlGaN. Рассогласование кристаллических решеток сапфира и нитрида галлия также велико, к тому же сапфир характеризуется невысокой теплопроводностью и может использоваться только при изготовлении маломощных транзисторов. Наиболее предпочтительным с точки зрения теплопроводности и параметров кристаллической решетки является карбид кремния, однако он имеет высокую стоимость.
Мощность HEMT-транзисторов на подложке из кремния достигает 100 Вт, на подложках из карбида кремния - 1,5 кВт. Это предъявляет высокие требования к качеству отвода тепла от активной области кристалла (канала транзистора) к корпусу и далее в окружающую среду. Качество теплоотвода любого полупроводникового прибора, включая HEMT-транзисторы, характеризуется тепловым сопротивлением переход -корпус:
T-T„ A T}
^гр UСИ
RTj° ""-JU-' (1)
гр С
где Т - температура электронно-дырочного перехода транзистора; Тс - фиксированная температура корпуса объекта; Р - мощность, рассеиваемая в объекте; Лр - греющий ток в канале транзистора (ток стока); Цси - напряжение между стоком и истоком транзистора.
Температура перехода Т определяется косвенным способом на основе измерения температурочувствительного параметра (ТЧП), который линейно зависит от температуры перехода. Для диодов в качестве ТЧП используется прямое падение напряжения на р-п-переходе при протекании через него малого измерительного тока !Шм [6], для биполярных транзисторов - напряжение база-эмиттер [6], для мощных MOSFET-транзисто-ров - сопротивление канала или напряжение на антипараллельном диоде [7], для ЮВТ-транзисторов - напряжение коллектор-эмиттер [8]. Для НЕМТ-транзисторов стандарты пока не разработаны, но в работе [9] предлагается использовать в качестве ТЧП прямое напряжение затвор-исток, а в работе [10] - напряжение сток-исток.
Цель настоящей работы - измерение теплового сопротивления переход-корпус нит-рид-галлиевого НЕМТ-транзистора разными методами и сравнение полученных результатов.
Методы измерения теплового сопротивления. Существует большое количество методов измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов, описанных как в отечественных, так и в зарубежных стандартах. В наиболее простом методе [6]
для повышения точности измерений через образец пропускается серия импульсов греющего тока и для каждого из них измеряется приращение температуры перехода AT}, вызванное рассеиванием в приборе греющей мощности Р, с последующим усреднением результатов измерения RTjC. Тепловое сопротивление определяется по формуле (1). Метод характеризуется невысокой точностью, что обусловлено несколькими причинами. Во-первых, не определена длительность импульса греющего тока. Она должна в 3-5 раз превышать тепловую постоянную времени переход - корпус. Методика определения данного параметра в [6] не представлена. Во-вторых, на результат измерения R} большое влияние оказывают переходные электрические процессы, связанные с рассасыванием неосновных носителей заряда после переключения образца из режима нагрева в режим измерения ТЧП. После окончания импульса греющего тока измерение ТЧП требуется проводить с некоторой временной задержкой, которая для различных объектов измерения разная. Данная проблема может быть решена с помощью экстраполяции сигнала ТЧП к моменту окончания импульса греющего тока, но для этого требуется знать характер зависимости ТЧП от времени после окончания импульса.
Производители электронной компонентной базы, например International Rectifier, Infineon, Fairchild, STMicroelectronics и др., для измерения теплового сопротивления выпускаемой продукции активно используют метод [11], основанный на анализе переходной тепловой характеристики. Для этого через объект пропускается последовательность импульсов греющего тока с изменяющейся по логарифмическому закону длительностью. Далее для каждого импульса вычисляется тепловой импеданс Zt, определяемый отношением разности температур перехода Tj и начальной температуры Tj(t = 0) к мощности рассеивания P. Анализ временных зависимостей теплового импеданса Zt(î), полученных при различных коэффициентах заполнения импульсов греющего тока, позволяет определить тепловое сопротивление переход - корпус.
В зарубежных стандартах широко представлены методы измерения теплового сопротивления, основанные на анализе кривой нагрева Tj(t) с использованием аппарата структурных функций [12]. Через объект пропускается последовательность импульсов греющего тока с изменяющейся по логарифмическому закону длительностью до выхода объекта в стационарный тепловой режим. После каждого импульса измеряется изменение температуры перехода T}(t) относительно начальной температуры T}(t=0). Анализ переходной характеристики Tj(t) основан на вычислении кумулятивной или дифференциальной структурной функции [13]. Кумулятивная структурная функция представляет собой временную зависимость суммарной теплоемкости Cte от суммарного теплового сопротивления Rte, которые определяются следующими выражениями:
Функция Сте^те) имеет сложную структуру с пологими участками, соответствующими элементам конструкции объекта с высокой теплопроводностью, а также участками с резким ростом, которые соответствуют элементам конструкции с низкой теплопроводностью. Для выявления этих особенностей используется дифференцирование зависимости Сте^те) и вычисляется дифференциальная структурная функция К(Кте):
Tj (t )-Tj (t = 0 )
Pt
Структурная функция позволяет определить вклад отдельных элементов структуры и конструкции объекта в общее тепловое сопротивление. Данный метод измерения теплового сопротивления реализован, в частности, в измерительном комплексе T3Ster -Thermal Transient Tester [14].
Другим методом измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов является модуляционный метод [15]. Суть метода заключается в нагреве объекта модулированной по гармоническому закону мощностью и измерении колебаний температуры перехода Tj. Для этого через объект пропускаются импульсы греющего тока амплитудой Лр, частота следования 4мп которых постоянна, а длительность x(t) модулируется по гармоническому закону:
x(t) = Тср (1+asin2nvt),
где тср - средняя длительность импульсов; а - коэффициент модуляции; v - частота модуляции.
Протекание импульсов тока через p-n-переход вызывает рассеяние в нем тепловой мощности. Среднее значение мощности P(t) за период следования изменяется также по гармоническому закону:
P (t ) = I гр U гр ^ = I гр U гр (1 +a sin 2 nv t ) = P 0+P xsin 2 nv t,
' имп ' имп
где Urp - напряжение на вершине греющих импульсов; P0 - постоянная составляющая греющей мощности; P\ - амплитуда переменной составляющей греющей мощности
(P1 < P0).
Изменение по гармоническому закону рассеиваемой мощности P(t) вызывает изменения температуры p-n-перехода Tj(t), которая, как и мощность, изменяется по гармоническому закону, но со сдвигом фазы:
T j (t )=T j 0 + T j xsin (2 nv t — ф),
где Tj0 - постоянная составляющая температуры перехода; Tj1 - амплитуда переменной составляющей температуры перехода на частоте модуляции v; ф - сдвиг фаз между переменными составляющими температуры перехода и греющей мощности.
У измеренной зависимости Tj(t) c помощью преобразования Фурье вычисляется спектр, осуществляются его цифровая фильтрация и восстановление отфильтрованной зависимости с помощью обратного фурье-преобразования. Отношение амплитуд переменных составляющих температуры перехода Tj\ и мощности Р\ определяет модуль Zt(v) теплового импеданса на частоте модуляции v, а отношение мнимой Im Tj1 и вещественной Re Tj1 фурье-трансформант температуры перехода - тангенс фазы ф(у) теплового импеданса:
T, 1 Im T, 1 ZT= , ф=аrctg-J—. (2)
P1 Re T. 1 v 7
Модуляционный метод также основан на анализе переходной тепловой характеристики и позволяет определять компоненты теплового сопротивления всего пути, по которому распространяется тепловой поток от активной области к корпусу прибора и далее в окружающую среду. Для этого проводятся измерение частотной зависимости вещественной части Re ZT(v) теплового импеданса и ее анализ. Цель анализа заключается в выявлении пологих участков или точек перегиба зависимости Re 2т(у), которые связаны с той или иной компонентой теплового сопротивления объекта измерения [16].
Измеритель теплового сопротивления. Тепловое сопротивление измеряется с помощью автоматизированного комплекса [17], в котором реализованы методы согласно ОСТ 11 0944-96, а также модуляционный метод. В состав комплекса входят импульсный характериограф полупроводниковых приборов, компьютер и специализированное программное обеспечение. Работой характериографа управляет микроконтроллер, который, получив из компьютера значения параметров измерения, формирует модулированные по длительности импульсы греющего тока заданной амплитуды, периода следования и частоты модуляции; измеряет напряжения на вершине импульсов и в паузах между ними; измеряет ВАХ; проверяет нештатные ситуации; передает результаты измерений в компьютер для последующей обработки.
Специализированная управляющая программа обеспечивает решение следующих задач:
- формирование и передача в измеритель информационного пакета данных с параметрами измерения (амплитуды и периода следования импульсов греющего тока, частоты модуляции и ряда других параметров, определяющих режимы измерения);
- вычисление модуля и фазы теплового импеданса и их зависимостей от частоты модуляции греющей мощности, что позволяет определять компоненты теплового сопротивления;
- обработка результатов измерения переходной характеристики и определение теплового сопротивления согласно ОСТ 11 0944-96;
- проведение испытаний однотипных объектов и их отбраковка по величине теплового сопротивления;
- отображение результатов измерения и их обработка в текстовом и графическом виде, навигация по базе данных и другие сервисные функции.
Объект исследования - и-канальный нитрид-галлиевый HEMT-транзистор CGH40025F производства компании Cree. Основные характеристики транзистора: максимальный ток стока 5,4 A; выходная мощность 30 Вт; частотный диапазон до 4 ГГц; максимальная температура перехода 175 0C; максимальное тепловое сопротивление переход-корпус 3,8 К/Вт. В качестве ТЧП использовано падение напряжения изи между затвором и истоком при прямом токе затвора 3 мА. Для определения температурного коэффициента напряжения измерена зависимость изи от температуры Т, которая имеет линейный характер. Значение температурного коэффициента напряжения, полученное методом наименьших квадратов, равно 2,88 мВ/К.
Тепловое сопротивление переход-корпус нитрид-галлиевого HEMT-транзистора измерено стандартным и модуляционным методами. Результаты измерений сравнивали между собой. Определено влияние силы греющего тока на результаты измерения теплового сопротивления HEMT-транзисторов.
Измерения теплового сопротивления стандартным методом. Согласно ОСТ 11 0944-96 [6] измерение теплового сопротивления полупроводниковых приборов стандартным методом осуществляется путем разогрева объекта серией импульсов тока и измерения температуры перехода до и после каждого греющего импульса. Существенное влияние на точность результатов измерений оказывает длительность греющих импульсов, которая должна в 3-5 раз превышать тепловую постоянную времени переход - корпус. В этом случае температура канала транзистора в конце каждого импульса достигает стационарного значения, при этом температура корпуса в процессе измерений остается практически неизменной. Для определения длительности импульсов греющего тока, соответствующих данному условию, проведены измерения переходной характеристики HEMT-транзистора (рис.2). Амплитуда импульсов греющего тока равна 5 А, длительность импульсов меняется от 1 до 1000 мс с равномерным по логарифмической шкале шагом (50 импульсов за декаду).
1 10 100 1000
Время, мс Время, мс
а б
Рис.2. Результаты измерения переходной характеристики HEMT-транзистора CGH40025F:
а, б - временные зависимости теплового импеданса ZT(t) и (dZT/dt)-1 соответственно Fig.2. Measurement results of the transient characteristic of the HEMT transistor CGH40025F: a - time dependence of thermal impedance Zt(0; b - time dependency (dZT/dt)-
На рис.2,а представлены результаты измерения временной зависимости теплового импеданса ZT(t). Видно, что на графике ZT(t) имеется относительно пологий участок, который соответствует тепловому сопротивлению переход - корпус объекта измерения. Для определения длительности импульса, при которой возникает пологий участок, проведено вычисление (dZт/dt)-1, результат которого представлен на рис.2,б. Положение максимума графика на рис.2,б соответствует точке перегиба функции ZT(t). Таким образом, для измерения теплового сопротивления НЕМТ-транзистора CGH40025F стандартным методом длительность импульсов должна быть равна 10 мс.
Формы импульсов напряжения затвор - исток при измерении теплового сопротивления НЕМТ-транзистора CGH40025F представлены на рис.3. Длительность импульсов греющего тока составляет 10 мс, что следует из анализа переходной характеристики (см. рис.2, б). По оси ординат указаны измеренные значения ТЧП - напряжения затвор-исток транзистора при токе затвора 3 мА, по оси абсцисс - номера измерений. Перед каждым импульсом проведено десять измерений ТЧП с минимальным временем преобразования аналого-цифрового преобразователя, равным 13 мкс. Затем проведено десять измерений на вершине греющих импульсов, при этом пауза между измерениями определялась длительностью импульсов. По окончании каждого импульса 130 раз измерен ТЧП с периодичностью 13 мкс.
Особенность определения теплового сопротивления с импульсным нагревом объекта заключается в том, что измерение ТЧП необходимо проводить с некоторой временной задержкой после окончания греющего импульса. Это связано с влиянием процессов рассасывания неосновных носителей заряда при переключении объекта из режима нагрева в режим измерения ТЧП. Для разных объектов значения временной задержки различны. Для того чтобы исключить влияние времени задержки на результат измерения теплового сопротивления проведена экстраполяция сигнала ТЧП к моменту окончания импульса греющего тока. При этом зависимость ТЧП от времени принимается корневой, что соответствует рекомендациям, изложенным в работах [6, 12]. На вставке рис.3 приведена временная зависимость ТЧП. Анализ данной зависимости показал, что за исключением временного интервала непосредственно после окончания импульса греющего тока зависимость ТЧП от времени является корневой. Тепловое сопротивление переход - корпус, рассчитанное по формуле (1) с учетом экстраполяции сигнала ТЧП, равно 2,30 К/Вт.
Рис.3. Формы импульсов напряжения затвор - исток при измерении теплового сопротивления HEMT-транзистора CGH40025F стандартным методом (на вставке - временная зависимость ТЧП после
окончания греющего импульса) Fig.3. Forms of voltage pulses gate - source when measuring thermal resistance of the HEMT transistor CGH40025F standard method (insert shows time dependence of TSP after heating pulse termination)
Измерения теплового сопротивления модуляционным методом. В данном случае НЕМТ-транзистор нагревается последовательностью импульсов тока, которые пропускаются от стока к истоку транзистора при токе затвора 3 мА. Амплитуда импульсов и период следования поддерживаются постоянными, а длительность изменялась по гармоническому закону. Температура канала Т, как и в стандартном методе, измерена в паузах между греющими импульсами с временной задержкой относительно окончания каждого импульса, равной 20 мкс. На рис.4 представлены временные зависимости длительности импульсов греющего тока и переменной составляющей температуры перехода кристалла. Амплитуда импульсов равна 5 А, период следования импульсов - 100 мкс, частота модуляции греющей мощности - 25 Гц. Значения модуля ZT и фазы ф теплового импеданса, вычисленные согласно формулам (2), равны 1,93 К/Вт и 15° соответственно.
Рис.4. Временные зависимости длительности импульсов греющего тока (а) и температуры перехода
кристалла (б)
Fig.4. Time dependencies of heating current pulse duration (a) and crystal transition temperatures (b)
Для определения теплового сопротивления переход - корпус измерены зависимости вещественной части теплового импеданса Re ZT(v) от частоты модуляции греющей мощности V. Результаты измерений представлены на рис.5,а. По оси абсцисс отложены номера измерений, каждое из которых проведено при разных частотах модуляции. Соответствие частоты модуляции и номера измерения приведено справа от графика. Частота модуляции уменьшалась равномерно по логарифмической шкале частот от 1000 до 1 Гц с дискретностью 20 значений на декаду.
На рис.5,б представлен результат обработки зависимости Re ZT(v), которая включает в себя сглаживание методом «скользящего среднего», вычисление производной dReZт/dv с помощью метода наименьших квадратов и построение зависимости (dReZT/dv)~1 от ReZT. Положение максимума графика соответствует значению теплового сопротивления RT переход - корпус, которое для исследуемого НЕМТ-транзистора равно 2,35 К/Вт. Это значение хорошо согласуется со значением 2,30 К/Вт, полученным стандартным методом.
Рис.5. Частотная зависимость вещественной части теплового импеданса Re ZT(v) (а)
и результат ее обработки (б) Fig.5. Frequency dependence of the real part of thermal impedance Re Zt(v) (a) and its result (b)
Измерение токовой зависимости теплового сопротивления. В НЕМТ-транзисто-рах ток локализован в пределах канала с двумерным электронным газом. Это приводит к неоднородному распределению температуры по структуре кристалла транзистора. Как следствие, это может привести к нелинейному характеру зависимости температуры канала от рассеиваемой в нем мощности и росту теплового сопротивления переход - корпус с увеличением амплитуды импульсов греющего тока. Для проверки этого предположения исследовано влияние амплитуды импульсов греющего тока на результаты измерения теплового сопротивления НЕМТ-транзисторов. Измерения проведены модуляционным методом. Амплитуда импульсов варьируется в диапазоне 2-5 А. Результаты измерения зависимости (dReZT/dv)l от вещественной части теплового импеданса Re 2т представлены на рис.6,а. Для удобства восприятия все графики смещены относительно друг друга по оси ординат на постоянную величину. Для каждого графика указаны значения греющих токов, при которых измерено тепловое сопротивление.
Рис.6. Результаты измерений теплового сопротивления при разных греющих токах: а - зависимость (dReZT/dv)-1 от вещественной части теплового импеданса Re ZT; б - зависимость теплового
сопротивления RT от амплитуды греющего тока Лр Fig.6. Results of thermal resistance measurements at different heating currents: a - dependence (dReZT/dv)-1 on the real part of thermal impedance Re ZT; b - dependence of thermal resistance RT on
heating current amplitude Лр
Результаты измерений показывают, что с ростом амплитуды импульсов греющего тока тепловое сопротивление переход - корпус увеличивается. Как показал расчет коэффициентов линейной регрессии (рис.6,б, сплошная линия), увеличение составляет 0,28 К/Вт на 1 А. Этот результат указывает на нелинейный характер зависимости температуры в области канала транзистора от рассеиваемой в нем мощности и подтверждается результатами моделирования и эксперимента, представленными в работе [18].
Увеличение теплового сопротивления переход - корпус с ростом тока можно объяснить неоднородностью токораспределения в структуре НЕМТ-транзистора в результате падения напряжения на сопротивлении истоковых дорожек металлизации. Для качественного описания токовой зависимости теплового сопротивления прибора можно использовать приближение эффективной площади &фф активной области структуры, определяемой как отношение полного тока I = SJср к максимальной плотности тока Jmax в структуре прибора: Sэфф = SoJq/Jmax). Откуда
RT — RT 0 ( S0 1 S эфф) — RT 0 ( J max 1J срК
(3)
где Rto - тепловое сопротивление при однородном распределении плотности тока; S0 - полная площадь активной области структуры; /ср - средняя плотность тока в структуре прибора.
Детальный анализ токораспределения в структурах НЕМТ-транзисторов представляет самостоятельную задачу. Однако по аналогии с МД11-транзисторами (учитывая их схожесть с НЕМТ-транзисторами по геометрии структуры и выражению для тока стока в режиме насыщения [19]) плотность тока у начала истоковых дорожек металлизации J^O) в режиме относительно небольших токов I0 можно выразить через среднюю плотность удельного тока стока [20]: Jст (0 )=J ст (l — Bм 10 )-1, где Bм - некоторый коэффициент, определяемый сопротивлением истоковых дорожек металлизации и другими параметрами структуры прибора. После подстановки этого выражения в (3) для токовой зависимости теплового сопротивления получим RT = RT 0 (l — B м 10)-1, что качественно верно описывает полученные экспериментальные результаты. Отметим, что крутизну токовой зависимости теплового сопротивления можно использовать для оценки степени неоднородности токораспределения в структуре НЕМТ-транзисторов.
Заключение. Сравнительный анализ результатов измерений теплового сопротивления переход - корпус нитрид-галлиевых HEMT-транзисторов, полученных разными методами, показал, что они хорошо согласуются между собой: при использовании стандартного метода по ОСТ 11 0944-96 и амплитуде импульсов греющего тока 5 А тепловое сопротивление RTjc = 2,30 К/Вт; при использовании модуляционного метода и такой же амплитуде импульсов греющего тока RTJc = 2,35 К/Вт. Таким образом, подтверждена объективность и корректность обоих методов.
В стандартном методе на точность измерений наибольшее влияние оказывают выбор длительности импульсов греющего тока и переходные электрические процессы при переключении транзистора из режима нагрева в режим измерения ТЧП. Для повышения точности определения теплового сопротивления следует предварительно измерять переходную тепловую характеристику, анализ которой позволяет найти оптимальные значения длительности импульсов греющего тока. Для уменьшения влияния переходных электрических процессов при переключении транзистора из режима нагрева в режим измерения ТЧП необходимо проводить экстраполяцию сигнала ТЧП к моменту окончания импульса греющего тока. В модуляционном методе, использующем разогрев транзистора периодически изменяющейся мощностью, влияние переходных электрических процессов значительно меньше.
Для практического применения можно рекомендовать оба метода, которые реализованы на основе разработанного и сертифицированного импульсного характериографа полупроводниковых приборов. При этом стандартный метод удобнее использовать в условиях массового контроля из-за большей простоты реализации, а модуляционный предпочтительнее для ответственных измерений из-за меньшей методической погрешности.
Литература
1. Верхулевский К. Новые возможности с транзисторами на основе GaN компании Microsemi // Компоненты и технологии. 2012. № 9. С. 161-164.
2. Temperature-dependent thermal resistance of GaN-on-diamond HEMT wafers / H. Sun, J. Pomeroy W., R.B. Simon et al. // IEEE Electron Device Letters. 2016. Vol. 37. No. 5. P. 621-624.
3. Напайка GaN-кристаллов мощных СВЧ транзисторов для L- и S-диапазонов частот / А.И. Землян-ский, А.Е. Бормонтов, С.В. Тарасов и др. // Вестник ВГУ Серия: Физика, математика. 2017. № 3. С. 14-20.
4. Кулиев М.В. Обзор современных GaN транзисторов и направления развития // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 2017. № 2. С. 18-28.
5. Performance comparison of GaN HEMTs on diamond and SiC substrates Based on Surface Potential Model / Qingzhi Wu, Yuehang Xu, Jianjun Zhou et al. // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2017. Vol. 6. No 12. P. 171-178.
6. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. М.: ГУП НПП Пульсар, 1997. 110 с.
7. JEDEC JESD24-3 standard. Thermal impedance measurements for vertical power MOSFETs (Delta source-drain voltage method). URL: https://www.jedec.org/document_search/ field_doc_type/148/field_commit-tees/23 (дата обращения: 08.04.2020).
8. JEDEC JESD24-12 standard. Thermal impedance measurement for insulated gate bipolar transistors -(Delta VcE(ori) method).
9. Evaluation of thermal resistance constitution for packaged AlGaN/GaN high electron mobility transistors by structure function method / Zhang Guang-Chen, Feng Shi-Wei, Zhou Zhou et al. // Chin. Phys. B. 2011. Vol. 20. No.2. P. 027202. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/20/2/027202/pdf (дата обращения: 08.04.2020).
10. Farkas G., Sarkany Z., Rencz M. Issues in testing advanced power semiconductor devices // Proc. the 32 Semi-Therm Symposium (San Jose, CA, 2016). 2016. P. 143-150.
11. Test methods for semiconductor devices. MIL-STD-750-3. Department of Defense. URL: https://sneb-ulos.mit.edu/projects/reference/MIL-STD/MIL-STD-750F.pdf (дата обращения: 08.04.2020).
12. JEDEC JESD51-14 standard. Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance Junction to Case of semiconductor devices with heat flow through a single path. URL: https://www.jedec.org/document_search?search_api_views_fulltext=JESD51 (дата обращения: 08.04.2020).
13. Szekely V., Tran Van Bien. Fine structure of heat flow path in semiconductor devices: a measurement and identification method // Solid-State Electronics. 1988. Vol. 31. P. 1363-1368.
14. T3Ster - thermal transient tester - technical information // Mentor Graphics. URL: https://www.mentor.-com/products/mechanical/micred/t3ster/ (дата обращения: 08.04.2020).
15. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А. Спектральный и временной методы измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2014. № 10. С. 58-63.
16. Смирнов В.И., Гавриков А.А., Шорин А.М. Метод измерения компонент теплового сопротивления полупроводниковых приборов и его практическая реализация // Автоматизация процессов управления. 2017. № 2. С. 98-105.
17. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А. Аппаратно-программный комплекс для измерения теплового сопротивления солнечных батарей // Автоматизация процессов управления. 2018. № 4. С. 118-126.
18. Temperature-dependent characterization of AlGaN/GaN HEMTs: thermal and source/drain resistances / R. Menozzi, G.A. Umana-Membreno, B.D. Nener et al. // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2008. Vol. 8. No 2. P. 255-264.
19. Тарасюк Н.П., Ворсин Н.Н., Луценко Е.В., Гладыщук А.А. Влияние контактных сопротивлений на вольт-амперные характеристики HEMT-транзисторов на основе GaN // Вестник Брестского государственного технического университета. 2018. №5. C. 62-67.
20. Сергеев В.А. Влияние сопротивления металлизации на распределение тока в полевых транзисторах в режиме насыщения // Микроэлектроника. 2008. №5. С. 357-365.
Поступила в редакцию 23.12.2019 г.; после доработки 23.12.2019 г.; принята к публикации 17.03.2020 г.
Смирнов Виталий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры проектирования и технологии электронных средств Ульяновского государственного технического университета (Россия, 4320227, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), старший научный сотрудник Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2), ufire@mv.ru
Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, профессор, директор Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2), заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и наноэлектроники Ульяновского го-
сударственного технического университета (Россия, 4320227, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), sva@ulstu.ru
Гавриков Андрей Анатольевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Ко-тельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2), ufire@mv.ru
Куликов Александр Александрович — кандидат технических наук, ведущий инженер Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2), доцент кафедры радиотехники Ульяновского государственного технического университета (Россия, 4320227, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), kulikovaa36@yandex.ru
References
1. Verhulevsky K. New capabilities with transistors based on the GaN of Microsemi. Komponenty i tekhnologii = Components and technologies, 2012, no. 9, pp.161-164. (in Russian).
2. Sun H., Pomeroy J.W, Simon R.B. et al. Temperature-dependent thermal resistance of GaN-on-diamond HEMT wafers./EEE Electron Device Letters, 2016, vol. 37, no 5, pp. 621-624.
3. Zemlyanskiy A.I., Bormontov A.E., Tarasov S.V. et al. Solder of GaN -crystals of high-power microwave transistors for L- and S-frequency bands. Vestnik VGU. Seriya: fizika, matematika = VSU bulletin. Series: physics, mathematics, 2017, no. 3, pp. 14-20. (in Russian).
4. Kuliev M.V Overview of modern GaN transistors and direction of development. Elektronnaya tekhnika. Seriya 2. Poluprovodnikovyye pribory = Electronic technology. Series 2. Semiconductor devices, 2017, no. 2, pp. 18-28. (in Russian).
5. Qingzhi Wu, Yuehang Xu, Jianjun Zhou et al.Performance comparison of GaN HEMTs on diamond and SiC substrates based on surface potential model. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2017, vol. 6, no. 12, pp. 171-178.
6. Industry Standard 11 0944-96. Integrated chips and semiconductor devices. Methods of calculation, measurement and control ofthermal resistance. Moscow, Pulsar NPP Publ., 1997. 110 p. (in Russian).
7. JEDEC JESD24-3 standard. Thermal impedance measurements for vertical power MOSFETs (Delta source-drain voltage method). Available at: https://www.jedec.org/document_search/ field_doc_type/ 148/field_committees/23 (accessed 08.04.2020).
8. JEDECJESD24-12 standard. Thermal impedance measurement for insulated gate bipolar transistors (Delta Vce(o„) method). Available at: https://www.jedec.org/document_search/ field_doc_type/148/field_commit-tees/23?page= 1 (accessed 08.04.2020).
9. Zhang Guang-Chen, Feng Shi-Wei, Zhou Zhou, Li Jing-Wan, Guo Chun-Sheng. Evaluation of thermal resistance constitution for packaged AlGaN/GaN high electron mobility transistors by structure function method. Chin. Phys. B, 2011, vol. 20, no. 2, p. 027202. Available at: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/20/2/027202/pdf (accessed 08.04.2020). DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/2/027202
10. Farkas G., Sarkany Z., Rencz M. Issues in testing advanced power semiconductor devices. Proc. the 32 Semi-Therm Symposium. San Jose, CA, 2016, pp. 143-150.
11. Test methods for semiconductor devices. MIL-STD-750-3. Department of Defense. Available at: https://snebulos.mit.edu/projects/reference/MIL-STD/MIL-STD-750F.pdf (accessed 08.04.2020).
12. JEDECJESD51-14 standard. Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction to case of semiconductor devices with heat flow through a single path. Available at: https://wwwjedec.org/document_search?search_api_views_fulltext=JESD51 (accessed 08.04.2020).
13. Szekely V, Tran Van Bien. Fine structure of heat flow path in semiconductor devices: a measurement and identification method. Solid-State Electronics, 1988, vol. 31,pp. 1363-1368.
14. T3Ster - Thermal Transient Tester - Technical information. Mentor Graphics. Available at: https:// www.mentor.com/products/mechanical/micred/t3ster/ (accessed 08.04.2020).
15. Smirnov VI., Sergeev VA., Gavrikov A.A. Spectral and temporal methods of measuring thermal resistance of semiconductor devices. Promyshlennyye ASU i kontrollery= Industrial ASU and controllers,2014, no. 10, pp. 58-63. (in Russian)
16. Smirnov V.I., Gavrikov A.A., Shorin A.M. Method of measuring components of thermal resistance of semiconductor devices and its practical implementation. Avtomatizatsiya Protsessov Upravleniya = Automation of Control Processes, 2017, no. 2, pp. 98-105. (in Russian).
17. Smirnov VI., Sergeev VA., Gavrikov A.A. Hardware and software complex for measurement of thermal resistance of solar panels. Avtomatizatsiya Protsessov Upravleniya = Automation of Control Processes, 2018, no. 4, pp. 118-126. (in Russian).
18. Menozzi R., Umana-Membreno G.A., Nener B.D. et al. Temperature-dependent characterization of Al-GaN/GaN HEMTs: Thermal and source/drain resistances. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2008, vol. 8, no. 2, pp. 255-264.
19. Tarasyuk N.P., Vorsin N.N., Lutsenko E.V, Gladyshuk A.A. Effect of contact resistances on the current-voltage characteristics of GaN-based HEMT transistors. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Vestnik of the Brest State Technical University, 2018, no. 5, pp. 62-67. (in Russian).
20. Sergeev VA. Effect of metallization resistance on current distribution in field effect transistors operated in saturation mode. Mikroelektronika = Microelectronics, 2008, no. 5, pp. 357-365. (in Russian).
Received 23.12.2019; Revised 23.12.2019; Accepted 17.03.2020. Information about the authors:
Vitaliy I. Smirnov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Electronic Technology and Design Department, Ulyanovsk State Technical University (Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venetz st., 32), Senior Scientific Researcher of Ulyanovsk Branch of Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48/2), smirnov-vi@mail.ru
Vyacheslav A. Sergeev - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of Ulyanovsk Branch of Kotel-nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48/2), Head of the Radioengineering, Opto-and Nanolectronics Department, Ulyanovsk State Technical University (Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venetz st., 32), sva@ulstu.ru
Andrey A. Gavrikov - Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientific Researcher of Ulyanovsk Branch of Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48/2), a.gavrikoff@gmail.com
Alexander A. Kulikov - Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientific Researcher of Ulyanovsk Branch of Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48/2), Assoc. Prof. of the Radio Engineering Department, Ulyanovsk State Technical University (Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venetz st., 32), kulikovaa36@yandex.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
С тематическими указателями статей за 1996 - 2019 гг., аннотациями и содержанием последних номеров на русском и английском языках можно ознакомиться на сайте:
http://ivuz-e.ru
