專利名稱：一種測(cè)量半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄層材料中熱傳導(dǎo)參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件測(cè)試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件工作時(shí)，有源區(qū)產(chǎn)生的熱量會(huì)引起芯片溫度升高，將對(duì)器件的性能參 數(shù)，特別是使用壽命和可靠性帶來(lái)直接的影響。半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄層材料既是熱量的產(chǎn) 生區(qū)，又是熱量的傳導(dǎo)區(qū)。熱量在這一區(qū)域的傳導(dǎo)速度和熱時(shí)間常數(shù)是影響器件熱性能的 重要參數(shù)。尤其對(duì)于功率微波器件，產(chǎn)生的熱量多、變化速度快，器件芯片瞬態(tài)溫升沖擊對(duì) 性能的影響嚴(yán)重。確定有源區(qū)熱傳導(dǎo)速度和熱時(shí)間常數(shù)對(duì)其性能的影響至關(guān)重要?，F(xiàn)有常用熱測(cè)量技術(shù)是通過(guò)脈沖開關(guān)技術(shù)和器件的溫敏參數(shù)測(cè)量器件的瞬態(tài)溫 度響應(yīng)。由于從工作狀態(tài)切換到測(cè)量狀態(tài)存在時(shí)間延遲，加之新型半導(dǎo)體器件的有源區(qū)薄 層材料很薄，其熱時(shí)間常數(shù)通常低于測(cè)量延遲時(shí)間，很難確定該層中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)特性。其 它采用光學(xué)方法，如拉曼法，測(cè)量器件的溫升特性，也由于操作繁瑣，測(cè)量精度低，受到限 制。現(xiàn)有技術(shù)中有源區(qū)同時(shí)起到發(fā)熱區(qū)和溫度探測(cè)區(qū)的作用，熱量在薄層中的傳導(dǎo)速度也 無(wú)法測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限，本發(fā)明的目的在于提供一種用于測(cè)量半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄 層內(nèi)熱傳導(dǎo)速度和熱時(shí)間常數(shù)的測(cè)試方法。測(cè)量方法步驟如下(1)測(cè)試芯片的制備在半導(dǎo)體襯底材料層1上，外延生長(zhǎng)待測(cè)材料薄層2，在薄層 2上表面分別制備熱源區(qū)A，第一溫度探測(cè)區(qū)B和第二溫度探測(cè)區(qū)C，熱源區(qū)A包含第一歐姆 接觸電極3及第二歐姆接觸電極4，電極尺寸在10微米*100微米至30微米拉50微米之 間，第一溫度探測(cè)區(qū)包含第一肖特基接觸電極5和第三歐姆接觸電極6，第二溫度探測(cè)區(qū)包 含第二肖特基接觸電極7及第四歐姆接觸電極8，第一溫度探測(cè)區(qū)及第二溫度探測(cè)區(qū)用于 探測(cè)熱量傳輸，其面積越小，熱容越小，從而有利于提高探測(cè)靈敏度，電極尺寸為0. 3微米 *100微米至0. 5微米拉50微米之間；(2)溫度系數(shù)的測(cè)定將步驟(1)制備的測(cè)試芯片放置在可控溫的恒溫平臺(tái)上并 將平臺(tái)溫度設(shè)為Tl攝氏度，將第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電 極之間，及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測(cè)試電 流，測(cè)試電流范圍為1毫安到5毫安之間，并利用AD采集卡分別采集在Tl下，第一溫度探測(cè) 區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間的電位差Vl (Tl)，及第二溫度探測(cè)區(qū)的 第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間的電位差V2 (Tl)，再將平臺(tái)溫度設(shè)定為T2， 利用AD采集卡分別采集在T2下，第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸 電極之間的電位差Vl (T2)，及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極 之間的電位差V2(T2)，利用肖特基結(jié)的正向溫度特性可以計(jì)算出第一溫度探測(cè)區(qū)溫度系數(shù)kl及第二溫度探測(cè)區(qū)的溫度系數(shù)k2，kl = (V1(T2)-V1(T1))/(T2-T1)k2 = (V2 (T2) -V2 (Tl)) / (T2-T1)
(1) ⑵ 利用kl，k2及任意時(shí)刻t下第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接 觸電極之間的電位差Vl (t)和第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電 極之間的電位差V2(t)，根據(jù)公式(3)計(jì)算出任意時(shí)刻t下第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度TTl (t)， 根據(jù)公式(4)計(jì)算出任意時(shí)刻t下第二溫度探測(cè)區(qū)的溫度TT2(t)；(3)將熱源區(qū)的第一歐姆接觸電極和第三歐姆接觸電極之間接入頻率可控的電壓源，從而產(chǎn)生脈寬和頻率可控的功率方波9 ；利用施加功率方波的上 升沿觸發(fā)AD采集板開始采集，利用步驟( 中闡述的方法記錄第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí) 間變化曲線Sl和第二溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲線S2，AD采集板的采樣率為不低于 50MHz ；(4)記錄峰值溫度的時(shí)間差A(yù)t，可以計(jì)算出薄層的熱傳導(dǎo)速度V =//At，其中/ 為第一溫度探測(cè)區(qū)和第二溫度探測(cè)區(qū)之間的空間距離，記錄的第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí) 間變化曲線Si，從TTl⑴達(dá)到峰值作為熱量擴(kuò)散的初始時(shí)刻，溫度下降為初始時(shí)刻Ι/e時(shí) 的時(shí)間，即為熱時(shí)間常數(shù)τ。本發(fā)明提出一種測(cè)定半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄層中，熱傳導(dǎo)速度和熱時(shí)間常數(shù)的方 法?？梢詫?shí)現(xiàn)測(cè)試器件實(shí)際有源區(qū)薄層熱傳導(dǎo)參數(shù)的目的，如GaNHEMT等基于肖特基柵結(jié) 構(gòu)的器件，也可以用于特定薄膜材料的熱傳導(dǎo)參數(shù)測(cè)定。采用本方法制備的測(cè)試芯片，將熱 源區(qū)和溫敏探測(cè)區(qū)空間上分開。加熱和測(cè)量過(guò)程可以同時(shí)進(jìn)行，不存在時(shí)間延遲，可以測(cè)量 出實(shí)際器件結(jié)構(gòu)的熱時(shí)間常數(shù)達(dá)到納秒量級(jí)(依高速A/D采集卡的速度而定)。


圖1是本發(fā)明的測(cè)試熱量傳輸速度的測(cè)試芯片示意圖；圖2是采集的功率波形和第一溫度采集區(qū)和第二溫度采集區(qū)的溫度測(cè)試波形圖。
具體實(shí)施例方式見圖1所示，使用外延的方法在400微米厚的碳化硅(SiC)襯底層1上外延1. 5微 米的氮化鎵(GaN)有源區(qū)薄層2，由于熱源區(qū)用于施加電功率產(chǎn)生熱量，其功率負(fù)載能力越 強(qiáng)，越有利于提高測(cè)試精度，因此要求第一歐姆接觸電極及第二歐姆接觸電極面積要大，采 用歐姆接觸工藝制備長(zhǎng)度為10微米，寬度為100微米的第一歐姆接觸電極3和第三歐姆接 觸電極4，形成熱源區(qū)，采用肖特基結(jié)制備工藝，分別制備長(zhǎng)度為0. 5微米，寬度為100微米 的第一肖特基接觸電極5和第二肖特基接觸電極7，采用歐姆接觸工藝分別制備長(zhǎng)度為0. 5 微米，寬度為100微米的第三歐姆接觸電極6和第四歐姆接觸電極8，其中第一肖特基接觸 電極和第三歐姆接觸電極構(gòu)成第一溫度探測(cè)區(qū)；第二肖特基接觸電極和第四歐姆接觸電極 構(gòu)成第二溫度探測(cè)區(qū)，其中第一溫度探測(cè)區(qū)和第二溫度探測(cè)區(qū)之間的距離1為10微米，將測(cè)試芯片放置在恒溫平臺(tái)上并設(shè)置恒溫平臺(tái)溫度為30攝氏度，將第一溫度探TTl (t) = Tl+ (VI (t) -Vl (Tl)) /klTT2 (t) = Tl+ (V2 (t) -V2 (Tl)) /k2
⑶ ⑷測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間，及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接 觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測(cè)試電流，測(cè)試電流值為1mA，利用采樣率為50MHz的 AD采集卡記錄第一肖特基接觸電極與第三歐姆接觸電極之間的正向壓降Vl (30)及第三肖 特基接觸電極與第四歐姆接觸電極之間的正向壓降V2(30)，將恒溫平臺(tái)溫度提高至90攝 氏度，記錄第一肖特基接觸電極與第三歐姆接觸電極之間的正向壓降Vl (90)及第二肖特 基接觸電極與第四歐姆接觸電極之間的正向壓降V2 (90)，計(jì)算出第一溫度探測(cè)區(qū)溫度系數(shù) kl及第二溫度探測(cè)區(qū)溫度系數(shù)k2，kl = (VI (90)-Vl (30) )/(90-30)k2 = (V2 (90) -V2 (30)) / (90-30)將熱源區(qū)的第一歐姆接觸電極和第二歐姆接觸電極之間接入電壓源，產(chǎn)生脈寬為 10微秒，占空比為1 1，功率為IW的功率方波1;利用施加功率脈沖的上升沿觸發(fā)AD采 集板開始采集，利用kl，k2計(jì)算出第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲線2和第二溫度探 測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲線3，如圖2所示；可以觀測(cè)到由于第一溫度探測(cè)區(qū)和第二溫度探測(cè)區(qū)之間存在空間距離1為10微 米，記錄的溫度變化存在時(shí)間延遲，峰值溫度的時(shí)間差為80納秒，由此可以計(jì)算出有源區(qū) 薄層的熱傳導(dǎo)速度為V = 1/ Δ t = 10 μ m/80ns = 1· 25 X 104cm/s由于切斷功率后溫度隨時(shí)間的變化符合e指數(shù)關(guān)系，根據(jù)第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度 隨時(shí)間變化T(t)曲線，從T(t)達(dá)到峰值作為熱量擴(kuò)散的初始時(shí)刻，溫度下降為初始時(shí)刻1/ e時(shí)的時(shí)間，即為熱時(shí)間常數(shù)τ，在本例中τ = 1820納秒；由以上說(shuō)明可看出，采用本發(fā)明所述的方法，通過(guò)采集熱源區(qū)與溫度探測(cè)區(qū)之間 的熱延遲時(shí)間，可以測(cè)量出熱量沿有源區(qū)薄層中的熱傳導(dǎo)速度，以及通過(guò)實(shí)時(shí)記錄溫度探 測(cè)區(qū)的溫度變化，測(cè)量出有源區(qū)薄層的熱時(shí)間常數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種測(cè)量半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄層材料中熱傳導(dǎo)參數(shù)的方法，其特征在于，步驟如下1)測(cè)試芯片的制備在半導(dǎo)體襯底材料層上，外延生長(zhǎng)待測(cè)材料薄層，在薄層上表面 分別制備熱源區(qū)，第一溫度探測(cè)區(qū)和第二溫度探測(cè)區(qū)，熱源區(qū)包含第一歐姆接觸電極及第 二歐姆接觸電極，第一溫度探測(cè)區(qū)包含第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極，第二溫 度探測(cè)區(qū)包含第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極；2)溫度系數(shù)的測(cè)定將步驟1)制備的測(cè)試芯片放置在可控溫的恒溫平臺(tái)上并將平臺(tái) 溫度設(shè)為Tl攝氏度，將第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間， 及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測(cè)試電流，測(cè)試電 流范圍為1毫安到5毫安之間，并利用AD采集卡分別采集在Tl下，第一溫度探測(cè)區(qū)的第一 肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間的電位差Vl (Tl)，及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特 基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間的電位差V2 (Tl)，再將平臺(tái)溫度設(shè)定為T2，利用AD采 集卡分別采集在T2下，第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間 的電位差Vl (T2)，及第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間的電 位差V2(T2)，利用肖特基結(jié)的正向溫度特性計(jì)算出第一溫度探測(cè)區(qū)溫度系數(shù)kl及第二溫 度探測(cè)區(qū)的溫度系數(shù)k2，kl = (V1(T2)-V1(T1))/(T2-T1)(1)k2 = (V2 (T2) -V2 (Tl)) / (T2—T1)(2)利用kl，k2及任意時(shí)刻t下第一溫度探測(cè)區(qū)的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電 極之間的電位差Vl (t)和第二溫度探測(cè)區(qū)的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之 間的電位差V2(t)，根據(jù)公式(3)計(jì)算出任意時(shí)刻t下第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度TTl (t)，根據(jù) 公式(4)計(jì)算出任意時(shí)刻t下第二溫度探測(cè)區(qū)的溫度TT2(t)；TTl (t) = Tl+(Vl(t)-Vl (Tl))/kl(3)TT2 (t) = Tl+ (V2 (t) -V2 (Tl)) /k2(4)3)將熱源區(qū)的第一歐姆接觸電極和第二歐姆接觸電極之間接入頻率可控的電壓源，從 而產(chǎn)生脈寬和頻率可控的功率方波；利用施加功率方波的上升沿觸發(fā)AD采集板開始采集， 利用步驟幻中闡述的方法記錄第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲線Sl和第二溫度探測(cè) 區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲線S2，AD采集板的采樣率為不低于50MHz ；4)記錄峰值溫度的時(shí)間差A(yù)t，計(jì)算出薄層的熱傳導(dǎo)速度ν= l/At，其中1為第一溫 度探測(cè)區(qū)和第二溫度探測(cè)區(qū)之間的空間距離，記錄的第一溫度探測(cè)區(qū)的溫度隨時(shí)間變化曲 線Si，從TTl (t)達(dá)到峰值作為熱量擴(kuò)散的初始時(shí)刻，溫度下降為初始時(shí)刻Ι/e時(shí)的時(shí)間，即 為熱時(shí)間常數(shù)τ。
全文摘要
一種測(cè)量半導(dǎo)體器件有源區(qū)薄層材料中熱傳導(dǎo)參數(shù)的方法涉及半導(dǎo)體器件測(cè)試領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)中有源區(qū)同時(shí)起到發(fā)熱區(qū)和溫度探測(cè)區(qū)的作用，熱量在薄層中的傳導(dǎo)速度也無(wú)法測(cè)量。采用本方法制備的測(cè)試芯片，將熱源區(qū)和溫敏探測(cè)區(qū)空間上分開。加熱和測(cè)量過(guò)程可以同時(shí)進(jìn)行，不存在時(shí)間延遲，可以測(cè)量出實(shí)際器件結(jié)構(gòu)的熱時(shí)間常數(shù)達(dá)到納秒量級(jí)(依高速A/D采集卡的速度而定)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試器件實(shí)際有源區(qū)薄層熱傳導(dǎo)參數(shù)的目的，如GaN HEMT等基于肖特基柵結(jié)構(gòu)的器件，也可以用于特定薄膜材料的熱傳導(dǎo)參數(shù)測(cè)定。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102129023SQ20111002622
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者喬彥彬, 馮士維, 劉靜, 張光沉, 郭春生 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)