CN103278761B - 一种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法涉及半导体器件领域。将被测器件放置一温度为T0恒温平台；在栅源电极组成的肖特基结上接入一小的正向电流，结电压为V0；并将其与一采集卡相连，以采集肖特基结电压；将激光光源，调整照射光束至器件的栅极和漏极之间区域；启动激光照射的同时，启动采集卡，采集肖特基结电压V(t)随加热时间的变化；当施加的热源与恒温平台之间达到稳定状态后，结电压V(t)不再随加热时间变化，温升引起结电压随时间变化的曲线，得到器件外延层薄层以及不同部位的温升；即可得到器件内部各层的热阻。本发明使器件肖特基栅处于正向偏置测温状态，避免了状态转换切换时间，能够实现实时、快捷测量器件。

Description

一种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，主要应用于异质外延或淀积的薄层半导体材料界面热阻测量与分析。

背景技术

异质结半导体器件在提升半导体器件性能参数方面，显示出重要的作用。一般外延层材料厚度只有几个微米，且受到材料生长条件的影响，不同材料界面处存在成核层、高浓度缺陷和杂质，致使异质材料界面热阻非常大。当器件工作时，有源区将产生热量，传输经过异质材料边界时造成温度骤升，对其性能参数，特别是使用寿命和可靠性带来直接影响。由于外延层材料只有几个微米，热时间常数小，变化速度快，对器件瞬态特性影响严重。同时，微米级厚度异质材料界面热阻在测量上带来很大困难。现有红外热像光学测温技术，只能给出器件的表面温度，不能实现从有源区至恒温平台的热阻构成。电学参数方法能够很好给出器件热阻构成，但由于器件栅极从反偏（工作状态）至正偏（测量状态）的切换时间延迟一般为微妙量级，难以实现对微米厚度、纳秒级瞬态变化的温升变化测量。

本技术可以应用于多种异质结半导体器件，测量方法简单、准确，适用于电子器件的可靠性测量，性能研究和器件开发领域。

本发明的工作原理：

常规电学法测量器件热阻时，先将器件施加工作状态，即栅加反偏，漏源施加正电压，电流通过栅压控制，产生电流，同时施加上的功率产生热量，致使温度升高ΔT。达到稳态后，先去除漏源电压，迅速将栅由反偏转为正偏，检测正向小测试电流下，栅电压的变化ΔV（t），由于结电压随温度下降会增加，通过采集有源区ΔV（t）变化，可以获得瞬态温升曲线，再应用热阻微分结构函数曲线，提取热传输通道上各部分热阻构成，达到测量异质材料界面热阻的目的。

但一般器件栅极从反偏（工作状态）至正偏（测量状态）的切换时间延迟一般为微秒量级，难以实现对微米厚度、纳秒级瞬态变化的温升变化测量。

本发明技术方案：

1、选择一被测器件，将其放置一温度为T0恒温平台；在栅源电极组成的肖特基结上接入一小的正向电流(1-5mA)，结电压为V0；并将其与一采集卡相连，以采集肖特基结电压；

2、将一加热的激光光源，调整照射光束至器件的栅极和漏极之间区域，激光器照射的能量密度为W；若照射到器件表面的面积为S，激光照到表面的透射率为ν，则半导体器件样品的热功率为Wh=WSν；

3、启动激光照射的同时，启动采集卡，采集肖特基结电压V(t)随加热时间的变化；当施加的热源与恒温平台之间达到稳定状态后，结电压V(t)不再随加热时间变化，温升引起结电压随时间变化的曲线：ΔV(t)= V(t)-V0;

4、通过设置恒温平台温度来设定两个温度T1、T2，分别采集两个温度下器件肖特基结电压V2、V1，肖特基结的温度系数

α=(V2-V1)/(T2-T1);

5、器件异质结瞬态温升曲线ΔT(t)=(V(t)-V0)/α；将ΔT(t)和Rth(t)数据输入至商业热阻测试仪器(例如Analysis Tech公司 Phase11热阻分析仪)，或结构函数处理软件，即得到器件外延层薄层以及不同部位的温升；

6、结合热阻定义Rth=ΔT(t)/Wh即可得到器件内部各层的热阻；

本发明中，始终使器件肖特基栅处于正向偏置测温状态，避免了状态转换切换时间，而加热方式采用光学，如激光加热或红外灯加热等方式，加热和测量分离开来，能够实现实时、快捷、便利测量器件，尤其是对薄层异质结在内的温升和热阻构成。

附图说明

图1异质结半导体芯片及加热方式示意图；

图2异质结半导体器件有源区温升曲线图；

图3微分结构函数方法提取芯片内部各层温升示意图；

图4微分结构函数方法提取芯片内部热阻示意图；

具体实施方式

选择一单指AlGaN/GaN HEMT器件为待测器件，器件结构如图1所示，1为100微米的SiC层，2为厚度为2微米的GaN层，3为25纳米的AlGaN层。其漏极6 和源极5之间的距离为4.5微米，栅极4和源极5之间的距离为1.5微米，栅长为0.5微米，栅宽为100微米。

将器件置于恒温平台，使其与恒温平台接触良好，在栅极4和源极5组成的肖特基结上接入正向测试电流，测试电流值为1毫安，并将其与一50MHz的AD采集卡连接，用来记录栅极4和源极5之间的正向压降，

设置恒温平台温度为20摄氏度，采集栅极4和源极5之间的正向压降V(30)，将恒温平台温度提高至90摄氏度，采用同样的方式记录栅极4与源极5之间的正向压降V(90)。计算出肖特基结温度系数α

α=(V(90)-V(20))/(90-20)

将一加热的激光光源8，调整照射光束经过带狭缝的遮光片7照射至器件的栅极4和漏极6之间区域，激光照射点位置距离栅极0.5微米，激光器照射的能量密度W为1.25*10¹¹W/m²；

照射到器件表面的面积S为0.5*10^-6*100*10^-6平方米，激光照到表面的透射率ν为0.8，则半导体器件样品的热功率Wh=WSν=5.0W；

将恒温平台温度设为27摄氏度，激光照射热源区的同时，AD采集板开始采集栅极与源极之间的电压V(t)，利用α计算出栅极与源极之间的温升ΔT随时间变化曲线1，如图2所示，

ΔT(t)=(V(t)-V(27)/ α

利用结构函数方法，对温升随时间的变化曲线1进行处理，得到微分结构函数曲线2，如图3所示，图中各个峰值对应热量传输通道上各个层的温升，从而有效的得到异质材料界面GaN层2与SiC衬底层1之间的界面温升为100 K。利用热阻计算公式Rth=ΔT/Wh，得到异质材料界面GaN层2与SiC衬底层1之间的界面热阻为20K/W，如图4所示。

由以上说明可看出，采用本发明所述的方法，通过采集热源区与温度探测区之间的热延迟时间，可以测量出异质半导体材料界面温升和热阻。

Claims (1)

1.一种测量薄层异质半导体材料界面温升和热阻的方法，其特征在于步骤如下：

1)、选择一被测器件，将其放置一温度为T0恒温平台；在栅源电极组成的肖特基结上接入1-5mA的正向电流，结电压为V0；并将其与一采集卡相连，以采集肖特基结电压；

2)、将一加热的激光光源，调整照射光束至器件的栅极和漏极之间区域，激光器照射的能量密度为W；若照射到器件表面的面积为S，激光照到表面的透射率为ν，则半导体器件样品的热功率为Wh＝WSν；

3)、启动激光照射的同时，启动采集卡，采集肖特基结电压V(t)随加热时间的变化；当施加的热源与恒温平台之间达到稳定状态后，结电压V(t)不再随加热时间变化，温升引起结电压随时间变化的曲线：ΔV(t)＝V(t)-V0；

4)、通过设置恒温平台温度来设定两个温度T1、T2，分别采集两个温度下器件肖特基结电压V2、V1，肖特基结的温度系数

α＝(V2-V1)/(T2-T1)；

5)、器件异质结瞬态温升曲线ΔT(t)＝(V(t)-V0)/α；将ΔT(t)和Rth(t)数据输入热阻测试仪器或结构函数处理软件，即得到器件外延层薄层以及不同部位的温升；

6)、结合热阻定义Rth＝ΔT(t)/Wh即可得到器件内部各层的热阻。