Internal IR-laser Deflection Measurements of Temperature and Free-Carrier Concentration in Power Devices

Abstract

La caracterització dels dispositius semiconductors té un paper preponderant dintre la microelectrònica, sobretot en els dipositius semiconductors de potència, on la caracterització electrotèrmica és primordial. En moltes aplicacions de l'electrònica de potència, els fenòmens electrotèrmics prenen la mateixa rellevància que la resposta funcional o elèctrica dels mateixos. En tots ells, l'autoescalfament genera un increment de temperatura que modifica els seus paràmetres elèctrics nominals. <br/>En aquest marc de treball, s'ha desenvolupat un equip per la mesura de temperatura i densitat de portadors en dispositius de potència, fonamentat en la deflexió interna d'un feix làser infraroig (IIR-LD). La IIR-LD permet una caracterització complerta dels dispositius de potència, mesurant el gradient de temperatura i la concentració de portadors en l'interior del dispositiu.<br/>Aquesta tesis s'ha organitzat en dues parts en funció del contingut. La primera detalla els fonaments físics de la tècnica, l'equip experimental desenvolupat (capítol 2) i un procediment de calibració basat en un xip de test tèrmic (capítol 3). En canvi, en la segona es mostren les mesures realitzades sobre díodes de potència (capítol 4) i IGBTs (capítol 5). En ambdós capítols, es justifica la funcionalitat del sistema desenvolupat comparant dispositius amb un temps de vida localment alterat. Concretament, en el capítol 4 es compara la densitat de portadors mesurada en la regió de deriva de díodes irradiat i no irradiats. El capítol 5 conté les mesures realitzades en un PT-IGBTs irradiats i no irradiats amb una regió de deriva estreta, contrastant i analitzat el comportament tèrmic mesurat.

The characterisation of semiconductor devices has an important role in Microelectronics; especially in the case of power semiconductor devices, where the thermo-electrical characterisation is an essential aspect to study their behaviour. In several Power Electronics applications, electrothermal phenomena have the same relevance as functional and electrical response of such devices. In all of them, the internal self-heating generates an internal temperature rise, changing their nominal electrical parameters. <br/>In this framework, this PhD thesis covers the development of an experimental rig for temperature and free-carrier concentration measurement in power devices, based on internal IR-laser deflection (IIR-LD) technique. IIR-LD allows a complete characterisation of power devices, extracting from the device its temperature gradient and free-carrier concentration.<br/>This thesis is organized in two main parts. The first one details the physical insights of IIR-LD, developed equipment (chapter 2) and followed thermal calibration procedure based on a thermal test chip (chapter 3). By contrast, the second part reports measurements performed with the IIR-LD equipment on power diodes (chapter 4) and IGBTs (chapter 5). In both chapters, the difference in behaviour between unirradiated and irradiated devices is used to demonstrate the functionality of the developed apparatus. Concretely, chapter 4 compares the measured free-carrier concentration between unirradiated and irradiated power diodes, and chapter 5 shows measurements performed in a very thin region inside an irradiated and unirradiated PT-IGBT, where the thermal behaviour is also contrasted and analysed.