具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法及系统，所述方法包括以下步骤：标定待测量的功率器件的温度‑拉曼位移系数；基于标定的温度‑拉曼位移系数，在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布。本发明为解决现有技术中无法同时测得功率器件具有空间分辨力和时间分辨力温度分布的技术问题，提供了具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，该方法可以通过非接触式的形式测得功率器件具有高空间分辨力和时间分辨力的热分布。

说明书

技术领域

本发明属于光学温度测量技术领域，特别涉及一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法及系统。

背景技术

半导体功率器件的温度对器件的性能和可靠性有很大的影响，随着功率器件尺寸的减小和工作频率的提升，热效应带来的影响越发的不容忽视；虽然使用高热导率材料和通过外部散热等手段能够一定程度上降低温度过高带来的影响，但是并不能从本质上改善这一问题。因此，只有在器件设计过程中充分考虑工作状态下的热效应，才能从根本上改变这一问题。然而，对于已经集成封装了的半导体功率器件芯片而言，工作温度的测量通常只能在器件工作时对芯片整体进行探测，很难分辨出单个器件的温度情况，也很难分辨出具体发热的时间。

拉曼光谱测温方法因其具有高空间分辨率、不损坏样品等优点，得到了广泛关注和应用，该技术利用光学显微镜将激光束聚焦到待测器件上，光子与器件中的半导体材料相互作用，激发出各种散射信号，用光谱仪收集其中的斯托克斯-拉曼散射和反斯托克斯-拉曼散射信号，根据拉曼散射声子频率的温度依赖性得到材料的温度。

半导体功率器件特别是宽禁带半导体器件，开态和关态过程中的温度大小和温度分布的变化是一个非常值得关注的部分，这有助于增加对于器件工作机理的认识，但是目前尚未有能够同时测得半导体器件空间分辨和时间分辨温度分布的方法，如何同时实现功率器件具有空间分辨力和时间分辨力的温度分布的测量，成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。具体的，本发明为解决现有技术中无法同时测得功率器件具有空间分辨力和时间分辨力温度分布的技术问题，提供了具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，该方法可以通过非接触式的形式测得功率器件具有高空间分辨力和时间分辨力的热分布。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，包括以下步骤：

标定待测量的功率器件的温度-拉曼位移系数；

基于标定的温度-拉曼位移系数，在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布；

其中，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的步骤包括：

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

对于预设目标空间的每个测点，基于第一室温下拉曼位移、脉冲工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数计算出测点在延迟时间t

本发明方法的进一步改进在于，所述标定待测量的功率器件的温度-拉曼位移系数的过程中，温度间隔大于等于5℃；温度标定的范围从室温至300℃。

本发明方法的进一步改进在于，所述脉冲激光的激光功率小于等于1W；电脉冲信号的脉冲宽度t

本发明方法的进一步改进在于，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的步骤具体包括：

对于预设目标空间内的任意一个测点(x

对于测点(x

基于拉曼位移w

对于测点(x

结合不同延迟时间下的瞬态温度，得到测点(x

其中，瞬态温度

瞬态温度T(x

本发明方法的进一步改进在于，还包括以下步骤：

基于标定的温度-拉曼位移系数，在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布。

本发明方法的进一步改进在于，所述在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布的步骤包括：

室温下，在栅极电压小于待测量的功率器件阈值电压以及施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的第二室温下拉曼位移；

室温下，在施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的直流工作状态下拉曼位移；

对于预设目标空间的每个测点，基于第二室温下拉曼位移、流工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数计算稳态温度，获得功率器件空间分辨的温度分布。

本发明提供的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量系统，包括：

标定模块，用于标定待测量的功率器件的温度-拉曼位移系数；

第一温度分布获取模块，用于基于标定的温度-拉曼位移系数，在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布；

其中，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的步骤包括：

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

对于预设目标空间的每个测点，基于第一室温下拉曼位移、脉冲工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数计算出测点在延迟时间t

本发明系统的进一步改进在于，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的步骤具体包括，

对于预设目标空间内的任意一个测点(x

对于测点(x

基于拉曼位移w

对于测点(x

结合不同延迟时间下的瞬态温度，得到测点(x

其中，瞬态温度

瞬态温度T(x

本发明系统的进一步改进在于，还包括：

第二温度分布获取模块，用于基于标定的温度-拉曼位移系数，在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布。

本发明系统的进一步改进在于，所述在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布的步骤包括：

室温下，在栅极电压小于待测量的功率器件阈值电压以及施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的第二室温下拉曼位移；

室温下，在施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的直流工作状态下拉曼位移；

对于预设目标空间的每个测点，基于第二室温下拉曼位移、流工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数计算稳态温度，获得功率器件空间分辨的温度分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，在满足现有的应用于功率器件的拉曼测温方法功能的前提下，基于拉曼位移与温度对应的关系，使用脉冲激光探测信号与电脉冲信号同步的方式，能够同时测得功率器件具有空间和时间分辨力的热分布，对于进一步理解器件工作机理和改进器件的结构设计具有有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的又一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布测量方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中，多指栅功率器件测试状态的示意图；

图4是本发明实施例中，待测器件氮化镓外延层材料的温度-拉曼位移关系变化的示意图；

图5是本发明实施例中，待测器件金刚石材料的温度-拉曼位移关系变化的示意图；

图6是本发明实施例中，温度分布示意图；

图7是本发明实施例中，电脉冲信号和脉冲探测激光的序列，以及待测器件温度变化示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，包括以下步骤：

标定待测量的功率器件的温度-拉曼位移系数；

基于标定的温度-拉曼位移系数，在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布；

基于标定的温度-拉曼位移系数，在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布；

其中，所述在直流工作状态下测量获得功率器件空间分辨的温度分布的步骤具体包括：

室温下，在栅极电压小于阈值电压(示例解释性的，可根据待测功率器件确定)，施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间(示例性的，可以是待测量的功率器件沟道位置)所有测点的室温下拉曼位移；

室温下，在施加直流偏压的情况下，使用连续激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的直流工作状态下拉曼位移；

对于预设目标空间的每个测点，基于室温下拉曼位移、流工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数，计算获得稳态温度；

其中，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的具体步骤包括：

室温下，在栅极电压小于阈值电压，使用脉冲激光探测待测量的功率器件，得到预设目标空间所有测点的室温下拉曼位移；

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

对于预设目标空间的每个测点，基于室温下拉曼位移、脉冲工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数，计算出测点在延迟时间t

本发明实施例提出的具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，该方法包括：标定样品温度-拉曼位移系数；器件在高频工作状态下，使用与器件工作电压同步的脉冲激光，改变延迟时间和光斑位置，测得具有空间和时间分辨力的热分布，解决了一般测量方法无法同时获取功率器件具有空间和时间分辨力的热分布的难题，对于进一步理解功率器件高温失效机理和改进器件的热设计具有有益效果。

本发明实施例示例性优选的，对温度-拉曼位移系数k的标定过程中，需要保证温度间隔至少为5℃；对温度标定的范围需要从室温T

请参阅图2，本发明实施例的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，括以下步骤：

1、对待测样品进行不同温度下的拉曼光谱测试，进行温度-拉曼位移系数k的标定；

2、直流工作状态下，功率器件空间分辨的温度分布测量，包括：

2.1、室温T

2.2、室温T

2.3、结合初始位置(x

2.4、通过机械样品台的移动，调整连续探测激光光斑中心在样品上的位置至待测空间内的任一测点(x

2.5、选取合适的样品台移动步长，重复上述过程，得到直流工作状态下的稳态空间温度分布T(x,y)。

其中，稳态温度

其中，稳态温度分布

3、脉冲工作状态下，功率器件时间和空间分辨的温度分布测量，包括：

3.1、室温T

3.2、室温T

3.3、结合初始位置(x

3.4、通过信号发生器以t

3.5、结合不同延迟时间下的瞬态温度，得到初始测点(x

3.6、通过机械样品台的移动，调整脉冲探测激光光斑中心在样品上的位置至待测空间内的任一测点(x

3.7、选取合适的样品台移动步长，重复上述过程，得到具有时间和空间分辨的温度分布T(x，t，t)。

其中，瞬态温度

其中，瞬态温度

其中，延迟时间t

其中，延迟时间的增加步长不小于脉冲探测激光的脉冲宽度t

其中，瞬态温度T(x

其中，瞬态温度T(x

其中，温度分布

具体实施例1：

请参阅图3、图4、图6和图7，以下描述是一个关于氮化镓功率半导体器件的温度测量的非限制性例子，具体包括以下步骤：

步骤一，确定待测器件中半导体材料的温度-拉曼位移系数。将待测器件201的封装去除后，固定在变温台202上，这里的待测器件201为氮化镓功率半导体器件。设置变温台的温度初始值为25℃，连续探测激光101聚焦在待测器件的表面，探测激光的波长为532nm。散射信号102经过滤光和分光处理，拉曼散射信号由光谱仪收集和测量，得到25℃对应的拉曼光谱，其中包含的拉曼位移峰为GaN外延材料的E

步骤二，空间分辨的热分布测量。使变温台202温度固定为25℃，连续探测激光聚焦在待测器件201的表面位置(x

改变漏极偏压103为5V的直流偏置电压，源极接地，栅极偏置电压为0V，等待5分钟，使待测器件201温度分布处于稳态。通过机械平台203，使探测激光101的光斑位置重置回(x

结合氮化镓外延材料E

步骤三，时间和空间分辨的热分布测量。图7为实施例中电脉冲信号和脉冲探测激光的序列，以及待测器件温度变化示意图。将变温台202温度固定为25℃，稳定30min，探测激光101聚焦在待测器件201的表面位置(x

漏极偏压103为5V的脉冲偏置电压，脉冲宽度为t

调整机械平台203，以0.5μm的步长，在Y方向上调整探测激光101的光斑位置，并调整延迟时间t

结合氮化镓外延材料E

具体实施例2：

请参阅图3、图5和图7以下描述是一个关于金刚石基功率半导体器件的温度测量的非限制性例子，具体包括以下步骤：

步骤一，确定待测器件中半导体材料的温度-拉曼位移系数。将待测器件201的封装去除后，固定在变温台202上，这里的待测器件201为金刚石基功率半导体器件。设置变温台的温度初始值为25℃，连续探测激光101聚焦在待测器件的表面，如图3所示，探测激光的波长为532nm。散射信号102经过滤光和分光处理，拉曼散射信号由光谱仪收集和测量，得到25℃对应的拉曼光谱，其中包含的拉曼位移峰为金刚石材料的拉曼峰。改变变温台202的温度(每次增加10℃)，并稳定半小时，重复上述过程，测得金刚石拉曼峰的温度-拉曼位移的变化曲线，如图5所示，该曲线的斜率即为温度-拉曼位移关系，即

k

k

步骤二，空间分辨的热分布测量。使变温台202温度固定为25℃，连续探测激光聚焦在待测器件201的表面位置(x

改变漏极偏压103为5V的直流偏置电压，源极接地，栅极偏置电压为0V，等待5分钟，使待测器件201温度分布处于稳态。通过机械平台203，使探测激光101的光斑位置重置回(x

结合金刚石拉曼峰的温度-拉曼位移关系k，通过公式

步骤三，时间和空间分辨的热分布测量。图7为实施例中电脉冲信号和脉冲探测激光的序列，以及待测器件温度变化示意图。将变温台202温度固定为25℃，稳定30min，探测激光101聚焦在待测器件201的表面位置(x

漏极偏压103为5V的脉冲偏置电压，脉冲宽度为t

调整机械平台203，以0.1μm的步长，在Y方向上调整探测激光101的光斑位置，并调整延迟时间t

结合金刚石拉曼峰的温度-拉曼位移关系k，通过公式

具体实施例3：

请参阅图3和图7，以下描述是一个关于硅基功率半导体器件的温度测量的非限制性例子，具体包括以下步骤：

步骤一，确定待测器件中半导体材料的温度-拉曼位移系数。将待测器件201的封装去除后，固定在变温台202上，这里的待测器件201为硅基功率半导体器件。设置变温台的温度初始值为25℃，连续探测激光101聚焦在待测器件的表面，如图3所示，探测激光的波长为532nm。散射信号102经过滤光和分光处理，拉曼散射信号由光谱仪收集和测量，得到25℃对应的拉曼光谱，其中包含的拉曼位移峰为单晶硅的拉曼峰。改变变温台202的温度(每次增加10℃)，并稳定半小时，重复上述过程，测得硅拉曼峰的温度-拉曼位移的变化曲线，该曲线的斜率即为温度-拉曼位移关系k＝dw/dT。

步骤二，空间分辨的热分布测量。使变温台202温度固定为25℃，连续探测激光聚焦在待测器件201的表面位置(x

改变漏极偏压103为5V的直流偏置电压，源极接地，栅极偏置电压为0V，等待5分钟，使待测器件201温度分布处于稳态。通过机械平台203，使探测激光101的光斑位置重置回(x

结合硅拉曼峰的温度-拉曼位移关系k，通过公式

步骤三，时间和空间分辨的热分布测量。图7为实施例中电脉冲信号和脉冲探测激光的序列，以及待测器件温度变化示意图。将变温台202温度固定为25℃，稳定30min，探测激光101聚焦在待测器件201的表面位置(x

漏极偏压103为5V的脉冲偏置电压，脉冲宽度为t

调整机械平台203，以0.5μm的步长，在Y方向上调整探测激光101的光斑位置，并调整延迟时间t

结合硅拉曼峰的温度-拉曼位移关系k，通过公式

基于上述具体实施例可知，本发明提出的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量方法，能够对现有主要类型的功率器件进行直流和脉冲工作状态下的平面空间温度分布进行准确地测量，特别是对于脉冲工作状态下的功率器件，能够进行时间分辨的温度测试，并且具有高的空间和时间分辨率，有利于功率器件的热设计和热学问题研究。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

本发明再一实施例中提供的一种具有时间和空间分辨力的功率器件热分布的测量系统，包括：

标定模块，用于标定待测量的功率器件的温度-拉曼位移系数；

第一温度分布获取模块，用于基于标定的温度-拉曼位移系数，在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布；

其中，所述在脉冲工作状态下测量获得功率器件时间和空间分辨的温度分布的步骤包括：

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

室温下，在漏极施加脉冲宽度t

对于预设目标空间的每个测点，基于第一室温下拉曼位移、脉冲工作状态下拉曼位移和温度-拉曼位移系数计算出测点在延迟时间t

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。