一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种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；还包括：半透镜、带通滤波片、凸透镜、CCD相机。本实用新型专利技术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，并进行共轴操作，以解决现有的瞬态热反射法测量GaN外延晶片界面热阻需要在GaN表面加镀金属薄膜换能器或者进行器件加工的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置
本技术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。
技术介绍
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100nm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。
技术实现思路
本技术的目的在于提供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，本技术的技术方案如下：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。本技术的测量装置测量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。本技术的有益效果包括：本技术提供的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；而且本技术数据采集时间短，测量一个GaN外延晶片只需20-30秒的时间，测量快速；本技术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；本技术是用于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为根据本技术实施例的GaN外延晶片界面热阻的测量方法的流程图。图2为根据本技术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为根据本技术实施例的GaN外延晶片测量示意图。图4为根据本技术实施例的GaN层、界面热阻层以及衬底层的三层传热模型侧面图。图5为根据本技术实施例的一种拟合结果图。图6为根据本技术实施例的另一种拟合结果图。图7为根据本技术实施例的GaN外延晶片界面热阻的测量装置的光路示意图。具体实施方式本技术提供一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，为使本技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。如图7所示，一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种GaN外延晶片界面热阻的测量装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的GaN外延晶片界面热阻的测量装置，其特征在于，所述紫外脉冲激光波长为355nm。3.根据权利要求1所述的GaN外...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙华锐，刘康，周岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：新型
国别省市：广东,44