[发明专利]基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量方法，该方法是采用结构函数法，是采用基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置测量，所述测量装置，主要由加热和功率测量子系统、瞬态热响应测量子系统、测量保障子系统三部分构成；

其中，加热和功率测量子系统主要由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和测量软件构成，其特征在于，该方法包含皮秒激光加热步骤和电学加热步骤，首先用皮秒激光对半导体器件薄层加热后采用电学采集方式进行热响应曲线测量；

其中，该方法利用激光器、光路系统和光学平台对激光器发出的皮秒激光进行脉冲特性、聚焦、调束和衰减调节，且该方法是利用可见光CMOS相机进行监测；且：

(1)该方法包含冲激响应到阶跃响应的热阻抗变换步骤；

(2)微分热响应曲线可直接由冲激响应计算；

(3)等效电学激励功率是基于替代原理，通过比较变换到阶跃响应后的皮秒激光加热热响应曲线和电学加热热响应曲线的功率获得；

其包含如下步骤：

1)器件TSP校准：使用氮化镓器件GS肖特基二极管正向压降作为温度敏感参数，将选择好的被测氮化镓器件放在恒温板夹具上，器件GS端加入正向探测电流，选择若干校准温度点，变换夹具的温度至稳定状态，测量该温度点下肖特基二极管的正向压降，并记录电压和温度的关系；后续使用时，采用插值方式给出各电压下的对应的温度；

2)设定激光加热参数：根据不同的被测器件，设定皮秒激光加热光斑形状和功率，通过三维运动台调整器件位置，使激光加热光斑落在器件有源区上方；

3)获取冲激响应下热响应曲线：采用单脉冲方式进行激光加热，并同步启动温度敏感参数信号采集，获取热响应信号曲线，获取长度为1ms或其他设定的时间；使用TSP校准数据，将电压转换为温度，得到器件的瞬态降温曲线Z_th(t)；

4)计算阶跃响应下的类热响应曲线：对步骤(3)获得的瞬态降温曲线Z_th(t)进行累计加总，计算得到器件阶跃响应下的类瞬态温升曲线α_s(t)，取z＝ln(t),，将瞬态温升曲线变换到自然对数时间z坐标系，得到类瞬态升温曲线α_s(z)；

5)计算热阻的类时间常数谱：对α_s(z)曲线进行平滑得到α_ss(z)，然后求导得到热响应的类时间导数曲线再与权重函数w(z)＝exp(z-exp(z)),进行反卷积得到热阻的类时间常数谱；类时间导数曲线亦可以直接由后变换到z坐标系下获得；

6)计算阶跃激励下的热响应曲线：分析时间常数谱，得到器件的主要时间常数，将步骤(5)平滑后的曲线α_ss(z)的温度值乘以时间常数的倒数和，计算得到阶跃激励下的热响应曲线α(z)，当时间常数较多时，取前100倍内的主要时间常数进行估计即可；

7)获取电加热估算功率下的热响应曲线：采用标准实验方法，测量估计电功率下的降温热响应曲线，并变换为升温热响应曲线α_e(z)；

8)获取等效电加热功率：对比步骤6)和步骤7)的热响应曲线α(z)和α_e(z)，分析后半部分曲线形状，按比例调整电功率升温热响应曲线，使两条曲线的后半部分重合，如比例因子与1差别较大，重新估计电加热功率，并重复步骤7)和步骤8)，此时电加热功率与比例因子的乘积就是等效激光加热功率；

9)使用步骤6)获取的热响应曲线和步骤8获取的等效激光加热功率，参照固态技术协会标准JESD51-14《基于瞬态双界面法的单一散热路径半导体器件结壳热阻检测和评价方法》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出半导体器件成核层附近的热阻参数。

2.一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置，应于权利要求1所述的基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量方法，其特征在于，主要由加热和功率测量子系统、瞬态热响应测量子系统、测量保障子系统三部分构成；

其中，加热和功率测量子系统主要由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和测量软件构成；

测量保障子系统的光路系统主要由激光扩束镜、可调光衰减器、反射镜、整形和聚焦模块、CMOS相机监测模块和三维运动台构成；所述三维运动台上设置所述器件夹具及恒温板，所述恒温板与一个可调温度的恒温槽通过导热介质连接；

测量保障子系统还设有可见光CMOS相机监测模块，该可见光CMOS相机监测装置由环形照明光源、监控采集和显示模块、CMOS相机及透反射镜构成，该透反射镜设于整形和聚焦模块、三维运动台之间的光路上。