一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置的制作方法

本实用新型涉及到半导体材料界面热阻测量技术，特别是涉及一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置。

背景技术：

宽禁带半导体材料（Eg大于或等于2.3eV）被称为第三代半导体材料，主要包括SiC、GaN、金刚石等，具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点，在大功率器件等领域，GaN基宽禁带半导体材料的使用越来越广泛，其热管理问题日益明显，即GaN高功率器件在工作状态下于栅极附近产生的余热无法及时扩散出去，导致器件结温升高，影响输出功率，缩短使用寿命。其中GaN层与衬底层之间存在过渡层或成核层，以及 GaN层与衬底层之间晶格失配等因素都导致界面热阻存在，由此影响器件内部散热。因此如何快速准确的对界面热阻进行表征成为了关键。

为解决上述问题，现有的测量宽禁带半导体材料界面热阻的方法有三种，第一种是拉曼光谱法，拉曼光谱热测量法在所要研究的GaN材料体系是很常用的，其原理是通过拉曼峰移来评估器件温度变化，但是拉曼光谱热测量法需要的是基于制备好的器件，热学测试过程成本高，不能在晶圆材料层面实现快速测量，周期长；第二种是时域热反射法，时域热反射法是一种基于超快激光的抽运-探测测量技术，其主要用于测量100 nm以内的薄膜热导率。该方法所需的飞秒激光器价格昂贵，数据采集耗时较长，需要在样品表面镀一层金属薄膜作为换能器用来吸收和检测，且该金属换能薄膜厚度和导热性质的不确定性会造成测量误差；第三种是瞬态热反射法，瞬态热反射法是基于光热效应，即被测样品表面反射率的相对变化和表面温度的变化之间在一定温度范围内呈线性关系，采用抽运-探测法对被脉冲激光加热后的样品表面反射率的变化进行实时测量，用来评估表面温度的瞬时变化，所得的表面反射率随时间变化的曲线被称为瞬态热反射曲线，最后通过模型与实验曲线的拟合来得到被测样品的界面热阻。但目前该方法所使用的探测激光和加热激光均为可见光或者红外光，可以穿透待测的GaN外延晶片，仍需要金属镀膜用来加热和检测，缺点与时域热反射法类似。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供GaN外延晶片界面热阻的测量装置，旨在基于瞬态热反射法的基础上，把加热激光设定为波长为355nm的紫外脉冲激光，把探测激光设定为波长为325nm的连续激光，并对加热激光和探测激光进行共轴操作，以解决现有的瞬态热反射法测量GaN外延晶片界面热阻时需要在GaN外延表面加镀金属薄膜或加工器件的问题，实现GaN外延晶片界面热阻的快速无损测量，装置简便，操作简单，结果准确。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案如下：

一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，包括：紫外脉冲激光器、连续激光器、透镜组、二向色分光镜、紫外线聚焦物镜、光电探测器；其中，

紫外脉冲激光器用于产生紫外脉冲激光；

连续激光器用于产生连续激光；

透镜组用于将紫外脉冲激光扩束；

二向色分光镜用于将扩束后的紫外脉冲激光和连续激光合束并共轴，所述二向色分光镜与其所在平面成45°角入射的紫外脉冲激光为全透射，所述二向色分光镜与其所在平面成45°角入射的连续激光为全反射；

紫外线聚焦物镜用于将所述共轴的紫外脉冲激光和连续激光汇聚到待测GaN外延晶片上；

光电探测器用于接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号，再由示波器显示。

进一步地，所述紫外脉冲激光波长为355nm。

进一步地，所述连续激光波长为325nm。

进一步地，所述透镜组将紫外脉冲激光扩束至紫外脉冲激光的光斑比连续激光的光斑大至少一个数量级，所述扩束后的紫外脉冲激光的光斑半径为70~90μm。

进一步地，所述的GaN外延晶片界面热阻的测量装置，还包括：半透镜、带通滤波片、凸透镜；其中，

半透镜用于透射和反射从待测GaN外延晶片表面反射回来的紫外脉冲激光和连续激光；

带通滤波片用于滤掉紫外脉冲激光；

凸透镜用于将所述滤掉紫外脉冲激光的光信号聚焦到光电探测器。

进一步地，所述的GaN外延晶片界面热阻的测量装置，还包括：CCD相机；所述CCD相机用于实时监测GaN外延晶片表面的紫外脉冲激光与连续激光的光斑。

本实用新型的测量装置测量GaN外延晶片界面热阻，包括以下流程：

发射紫外脉冲激光，所述紫外脉冲激光用于对待测GaN外延晶片加热；

发射连续激光，所述连续激光作为探测激光；

将紫外脉冲激光扩束；

将紫外脉冲激光与连续激光进行合束并共轴；

紫外脉冲激光与连续激光汇聚到待测GaN外延晶片上；

接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号；

根据光热效应，通过所述光信号的变化强度评估GaN外延晶片表面温度的变化，得到瞬态热反射曲线；

通过拟合程序拟合来获得待测GaN外延晶片界面热阻。

进一步地，所述接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号之前，还包括以下流程：

滤掉紫外脉冲激光，用于消除脉冲信号对热反射信号的影响。

进一步地，所述的GaN外延晶片界面热阻的测量装置还包括以下流程：

实时监测GaN外延晶片表面的紫外脉冲激光与连续激光的光斑。

进一步地，所述通过拟合程序拟合来获得待测GaN外延晶片界面热阻包括以下流程：

将瞬态热反射曲线导入GaN层、界面热阻层以及衬底层的三层传热模型中；

设置GaN层与衬底层的厚度、热导率、比热容、密度，以及紫外脉冲激光的光斑半径、脉冲宽度；

输入界面热阻层的厚度、热导率，进行自动拟合，如果输出的模拟信号的曲线和所述瞬态热反射曲线各点之间的差值不在最小二乘法给出的范围内，则固定界面热阻层的厚度，再次输入热导率，如果模拟信号的曲线和所述瞬态热反射曲线各点之间的差值满足最小二乘法给出的范围时，输出拟合结果并导出拟合结果图。

本实用新型的有益效果包括：本实用新型提供的GaN外延晶片界面热阻的测量装置，通过将加热激光设定为波长为355nm的紫外脉冲激光，探测激光设定为波长为325nm的连续激光，这两种波长的激光对GaN外延晶片穿透深度浅（在100nm以内），能够实现GaN外延表面的加热和反射，准确表征GaN表面瞬时加热后表面温度随时间的变化；而且本实用新型数据采集时间短，测量一个GaN外延晶片只需20-30秒的时间，测量快速；本实用新型对加热激光和探测激光进行共轴操作，使在待测GaN外延晶片表面的加热激光光斑和探测激光光斑稳定重合，实验装置简便，操作简单；本实用新型是用于GaN外延晶片（即制成器件之前）的测量，从产业角度上考虑，节约成本。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的GaN外延晶片界面热阻的测量方法的流程图。

图2为根据本实用新型实施例的通过拟合程序拟合来获得待测GaN外延晶片界面热阻的流程图。

图3为根据本实用新型实施例的GaN外延晶片测量示意图。

图4为根据本实用新型实施例的GaN层、界面热阻层以及衬底层的三层传热模型侧面图。

图5为根据本实用新型实施例的一种拟合结果图。

图6为根据本实用新型实施例的另一种拟合结果图。

图7为根据本实用新型实施例的GaN外延晶片界面热阻的测量装置的光路示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图7所示，一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，包括：

10、紫外脉冲激光器，用于发射紫外脉冲激光；

20、连续激光器，用于发射连续激光；

30、透镜组，用于紫外脉冲激光扩束；

40、二向色分光镜，用于将紫外脉冲激光与连续激光进行合束并共轴；

50、紫外线聚焦物镜，用于将紫外脉冲激光与连续激光汇聚到待测GaN外延晶片上；

60、光电探测器，用于接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号；

70、半透镜，用于透射和反射紫外脉冲激光和连续激光；

80、带通滤波片，用于滤掉紫外脉冲激光；

90、凸透镜，用于聚焦滤掉紫外脉冲激光的光信号；

本实用新型实施例的光路示意图如图7所示，由紫外脉冲激光器10产生紫外脉冲激光，由连续激光器20产生连续激光；由二向色分光镜40将扩束后的紫外脉冲激光和连续激光合束并共轴，二向色分光镜40与其所在平面成45°角入射的紫外脉冲激光为全透射，二向色分光镜40与其所在平面成45°角入射的连续激光为全反射；所述共轴的紫外脉冲激光和连续激光经过紫外线聚焦物镜50后汇聚到待测GaN外延晶片上；从待测GaN外延晶片表面反射回来的紫外脉冲激光和连续激光经过半透镜70的透射和反射后，再通过带通滤波片80滤掉紫外脉冲激光，进一步地，滤掉紫外脉冲激光的光信号通过凸透镜90聚焦到光电探测器，由光电探测器60接收，再由示波器61显示。

在实际应用中，根据所述的GaN外延晶片界面热阻的测量方法所使用的装置，还包括CCD相机1； CCD相机1用于实时监测GaN外延晶片表面的紫外脉冲激光与连续激光的光斑，确保紫外脉冲激光与连续激光在样品表面是共心的，如图3所示，并且由此记录紫外脉冲激光的光斑半径和脉冲宽度。

在实际应用中，除二向色分光镜40所在平面与入射的紫外脉冲激光和连续激光均成45°角之外，紫外脉冲激光和连续激光与其他光学元件均垂直入射。

如图1所示，本实用新型提供的测量装置测量GaN外延晶片界面热阻的流程如下：

步骤100：发射紫外脉冲激光，所述紫外脉冲激光用于对待测GaN外延晶片加热；

步骤200：发射连续激光，所述连续激光作为探测激光；

步骤300：将紫外脉冲激光扩束；

步骤400：将紫外脉冲激光与连续激光进行合束并共轴；

步骤500：紫外脉冲激光与连续激光汇聚到待测GaN外延晶片上；

步骤600：接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号；

步骤700：根据光热效应，通过所述光信号的变化强度评估GaN外延晶片表面温度的变化，得到瞬态热反射曲线；

步骤800：通过拟合程序拟合来获得待测GaN外延晶片界面热阻。

在实际应用中，本实用新型利用紫外激光能量高于GaN等宽禁带半导体的带隙，将紫外脉冲激光作为加热激光，对待测GaN外延晶片的表面进行加热时，GaN半导体中的一些电子将从价带跃迁到导带，产生强烈的光吸收，由此引起待测GaN外延晶片表面温度的瞬时升高，进一步地，所述紫外脉冲激光的波长为355nm。

将连续激光作为探测激光，对待测GaN外延晶片的表面进行探测，基于光热效应，当待测GaN外延晶片表面的温度变化时，晶片表面对入射激光的反射率也会变化，两者之间的关系具体可以用一个一阶的公式表达： 。其中表示入射激光的反射率变化值，表示待测GaN外延晶片表面的温度变化值，k是热反射系数，取值范围通常在10^-2 – 10^-5 K^-1 。热反射系数取决于被测样品的材料、入射激光的波长、入射的角度以及入射表面的几何性质。由公式可以看出，GaN外延晶片表面的温度变化与晶片表面对入射激光的反射率的变化呈线性关系，由此可以根据入射在待测GaN外延晶片表面的探测激光光信号的变化强度来评估GaN外延晶片表面温度的变化，得到瞬态热反射曲线。进一步地，所述连续激光的波长为325nm。

在实际应用中，在紫外脉冲激光对待测GaN外延晶片的表面进行加热，连续激光对待测GaN外延晶片的表面进行探测时，紫外脉冲激光和连续激光对GaN外延晶片的穿透深度小于100nm，在本技术领域内，待测GaN外延晶片的GaN层厚度通常为1-2μm，由此可以看出，紫外激光对待测GaN外延晶片的穿透深度浅，测量精度高。

在实际应用中，待测GaN外延晶片的测量示意图如图3所示，实时监测GaN外延晶片表面的紫外脉冲激光与连续激光的光斑，记录紫外脉冲激光的光斑半径和脉冲宽度，将紫外脉冲激光扩束，确保紫外脉冲激光的光斑比连续激光的光斑大至少一个数量级，且扩束后的紫外脉冲激光的光斑半径为70~90 μm，远远大于GaN外延晶片的GaN层厚度，一方面，这样做的目的在于在步骤800通过拟合程序拟合时，待测GaN外延晶片的热扩散过程可以使用一维导热模型拟合；另一方面，能够更便于给待测GaN外延晶片加热。

在实际应用中，将紫外脉冲激光与连续激光进行精密共轴操作，确保两束激光在待测GaN外延晶片表面是共心共轴的，一方面，目的在于能够观察到明显的热反射信号，另一方面，目的在于使GaN外延晶片界面热阻的测量系统适用一维导热模型，便于在步骤800通过拟合程序拟合。

在实际应用中，在接收从待测GaN外延晶片表面反射回来的光信号之前，首先滤掉紫外脉冲激光，仅接收反射回来的探测激光的光信号，目的在于消除紫外脉冲激光的脉冲信号对热反射信号的影响。

进一步地，参见图2，步骤800包括：

801：将瞬态热反射曲线导入GaN层、界面热阻层以及衬底层的三层传热模型中，如图4所示；

802：设置GaN层与衬底层的厚度、热导率、比热容、密度，以及紫外脉冲激光的光斑半径、脉冲宽度；

803：输入界面热阻层的厚度、热导率，界面热阻可以用公式表达为：，所述界面热阻即为模拟的界面热阻。如果输出的模拟信号的曲线和所述瞬态热反射曲线各点之间的差值不在最小二乘法给出的范围内，则再次输入界面热阻层的厚度、热导率，如果模拟信号的曲线和所述瞬态热反射曲线各点之间的差值满足最小二乘法给出的范围时，输出拟合结果并导出拟合结果图，所述模拟的界面热阻值就被认定为实际的界面热阻值。在实际应用中，通常设定界面热阻层的厚度不变，只改变所述界面热阻层的热导率来进行拟合。

应当理解的是，所述GaN层、界面热阻层以及衬底层的三层传热模型是基于传输线理论建立，该理论将热传导和电传导进行类比，例如将温度类比于电压，热流密度类比于电流，简化拟合过程中的求解过程，用来解决GaN层、界面热阻层以及衬底层多层膜中的热传导问题。

在实际应用中，本实用新型采用蒙特卡洛方法（Monte Carlo method，也称统计模拟方法）进行自动拟合，即给出待拟合参数的初始范围，在该搜索区域中寻找符合最小二乘的待测参数的随机解，根据模拟结果的概率分布找到拟合的最优解。蒙特卡洛方法尤其适用于多个待测参数的拟合。进一步地，拟合程序采用Mathematica程序或Matlab程序的任一种。Mathematica程序和Matlab程序均为数学软件，其基本数据单位是矩阵，其具备卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能；Mathematica是一套整合数值以及符号运算的数学工具软件，提供了容易使用的顶级科学运算环境，Mathematica具有高阶的演算方法，以及丰富的数学函数库和庞大的数学知识库，可以提供精确的数值运算结果。应当理解的是， Matlab程序更注重于数值解，Mathematica程序更注重于解析解。应当理解的是，本实用新型中确定界面热阻的拟合程序可以用任何一种计算机编程语言实现，不局限于Mathematica或Matlab。

如图5所示，本实施例的GaN外延晶片拟合出的结果图，结果为本实施例的GaN外延晶片界面热阻（Thermal Boundary Resistance，简称TBR）=37.5 m²K/GW。如图5所示，在模拟TBR改变20%时，模拟曲线会明显偏离测量曲线。本实用新型的GaN外延晶片界面热阻的测量方法可以将误差控制在10%到5%之间。本实用新型实施例的最终拟合结果图如图6所示。

本实用新型提供的GaN外延晶片界面热阻的测量装置，相较于采用拉曼光谱法和时域热反射等方法的装置来说，数据采集时间非常短，通常只需20-30秒左右的时间就可以测量一个样品；紫外激光对GaN外延晶片的穿透深度小于100nm，实现表面加热和检测，无需镀金属薄膜换能层，因此对被测的GaN外延晶片样品没有损害；现有的GaN外延晶片界面热阻的测量方法大多基于已经制备好的器件，而本实用新型是用于宽禁带半导体晶片（即制成器件之前）的测量，从产业角度上考虑，更为简便，节约成本；本实用新型的测量装置简单，易操作。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。