[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

说明书

一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置及方法，其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，所述加热和功率测量子系统包含皮秒激光加热、电学加热和电学温度探测模块，该方法是采用结构函数法计算分层热阻。该方法包含皮秒激光加热步骤和电学加热步骤，其首先用皮秒激光对半导体器件薄层加热，然后采用电学采集方式进行温度测量，并采用电学加热和电学探测方式进行激光加热的等效电加热功率确定。解决了现有技术不能在微米尺度下进行氮化镓HEMT器件成核层热阻测试的难题。采用了电压和温度校准曲线插值计算的方式，避免了参数非线性的影响。

技术领域

本发明涉及电子信息技术的半导体器件领域，尤指一种基于皮秒激光的氮化镓HEMT器件成核层热阻测量装置及方法。

背景技术

以氮化镓为代表的第三代电子材料，具有禁带宽度大、介电常数小、导热性能好、熔点高等特点，所制作的氮化镓器件具有的独特优势，如噪声系数优良、比硅更高的能效，最大电流高、击穿电压高、振荡频率高等，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，特别适合于军事、航空航天和雷达与通信等高功率领域应用，近年来得到飞快的发展。

由于目前尚无大尺寸的氮化镓衬底，氮化镓器件大多使用异质材料的衬底，如碳化硅、金刚石、蓝宝石等，并在结构上引入成核层。由于成核层中含有的大量缺陷，热传导能力较差，使得由氮化镓有源区向衬底的热阻变大，并成为制约器件散热的问题之一。同时，相对于单晶体，成核层处的热阻较大，导致器件大功率工作时成核层两边的温度差加大，并由此引起可靠性变差等潜在问题。因此，准确测量氮化镓HEMT器件的成核层热阻有重要意义。

目前，在瞬态热阻测试方面，与本发明相似的主要方法有瞬态双界面电学法、时域热反射测试法等。

现将这些现有技术简述如下：

1、瞬态双界面电学法技术方案

瞬态双界面电学法是电学法的一种，测量方法是依据固态技术协会的相关标准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》。该方法提供了非破坏性的热测试方法，能够利用结构函数，分析器件热传导路径上每层结构的热学性能，瞬态热阻测试仪可以清晰分辨芯片到底座、底座到热沉、热沉到环境的热阻，包括热阻和热容参数，构建器件等效热学模型。

瞬态双界面法的理论基础是结构函数法。该方法将器件视为串联的RC热阻网络，通过施加瞬变的热应力，分析热响应曲线，来解析出热传导途径上各层的热学特性。

例如，对于图1所示的器件，通常由有源区11、芯片12、器件基板13、散热冷板14、粘接层15、及导热硅脂16构成，可以从热学上简化为类似图2的等效RC网络，当输入PN结有热量产生时，PN结的温度会逐渐上升，形成类似图3的热时间响应曲线，对该曲线进行求导可以得到热响应的时间导数曲线(图4)，将热响应的时间导数曲线与权重函数进行反卷积，即可得到热阻的时间常数谱(图5)。通过对结构函数的分析，可以进一步得出热阻和热容等参数。

图6为对应的热阻时间常数谱和其等效串联RC网络，该RC网络为时间上的串行网络，由于其与实际物理层结构等效RC网络不对应，需要进行图7所示的转换，转换的计算方法见图8，图8所得出的热阻与实际物理层结构等效RC网络相对应。

器件温度的确定主要利用器件本身的温度敏感参数来实现，在器件测试热阻之前，需要先期获取器件温度敏感参数的特性。具体是在器件本身的自发热可以忽略的情况下，将被测试器件置于温度可控的恒温环境中，改变环境温度，测量温度敏感参数，得到一条校准曲线，该直线的斜率为k系数，通过这条曲线可以计算出相应的温度。一般常用的温度敏感参数是二极管正向导通电压，通过测量二极管正向导通电压和k系数可以计算出二极管PN结的温度。

2、时域热反射法