CN113567824B - 基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置及方法

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

时域热反射法是反射率热成像法的一种，其基本原理是利用材料的反射率与温度相关的特性来获取探测点的温度。与红外热像法相比，具有高空间分辨率、高时间分辨率、高温度分辨率的特性，可以对亚微米级别的微电子系统进行热分析，目前发展也比较迅速。

参见图9，为脉冲激光抽运－探测系统的基本测量装置示意图。激光脉冲串从激光器发出，通过分光棱镜分为两束，一束为探测光，一束为抽运光。抽运光脉冲用来加热样品表面，制造一个瞬间温升。之后，随着热量向材料内部的扩散，温度将逐渐下降。探测光脉冲通过一个可以精确控制位置的位移平台，也照射到材料表面上的同一位置。通过移动位移平台可以控制探测光路与抽运光路的光程差，从而改变探测脉冲相对抽运脉冲到达样品表面的时间差。通过探测器测量经样品表面反射后探测光的强度，当位移平台处于不同位置时可以获得抽运脉冲加热样品表面后不同时间点的探测光强的相对变化，从而获得样品表面温度随时间的变化曲线。该温度变化曲线可以反映样品内部的热过程，通过与合适的传热模型的模拟曲线相比对，最终可以拟合得到该样品的热学参数，从而研究热输运机理。

在上述现有技术中，双界面电学法虽然比较成熟，能够较好地测量半导体器件的稳态热阻和瞬态热阻，但是该方法受电路等参数的限制，瞬态切换较慢，一般只能达到微秒级的响应，不能对器件成核层的热阻进行测量。时域热反射法的测量优点是利用光程差来控制测量深度，时域热反射法存在的问题是专用设备价格昂贵，信噪比较低，可以改变的光程一般较短，导致时域热反射法可探测的温度响应时间范围较窄，主要用于飞秒、皮秒时间尺度的热特性测量，一般用于薄层材料的热特性测量，无法用于氮化镓HEMT成核层热特性的测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置，该装置能解决十纳秒至十微秒时间尺度下成核层热阻的测试难题，为研究成核层热输运、改进设计和优化工艺，以及提升质量可靠性提供测量依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置，其特征在于，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。

进一步的，加热和功率测量子系统主要由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和软件构成。

其中，测量保障子系统的光路系统包含激光扩束镜、可调光衰减器、反射镜、整形和聚焦模块、可见光CMOS相机监测装置和三维运动台构成。另外所述三维运动台可设置所述器件夹具及恒温板，且所述恒温板与一个恒温槽通过导热介质连接。

进一步的，所述夹具可设有惰性气体(氩气)进行保护装置，避免激光加热后高温下引起氧化反应；

进一步的，所述三维运动台设置所述夹具及恒温板，所述恒温板与一个恒温槽通过导热介质连接。

较佳的是：测量保障子系统还设有可见光CMOS相机监测装置，该可见光CMOS相机监测装置由环形照明光源、监控采集和显示模块、CMOS相机及透反射镜构成，该透反射镜设于整形和聚焦模块、三维运动台之间的光路上。

本发明还提供了一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量方法，该方法是采用结构函数法，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后采用电学采集方式进行热响应曲线测量，并采用电学加热的方式进行热响应曲线测量。

较佳的是，该方法利用光路系统和光学平台对激光器发出的皮秒激光进行聚焦、调束和衰减调节。

较佳的是，

(1)该方法包含冲激响应到阶跃响应的热阻抗变换步骤；

(2)微分热响应曲线可直接由冲激响应计算；

(3)等效电学激励功率是基于替代原理，通过比较皮秒激光加热和电学加热冷却热响应曲线的功率获得。

较佳的是，其包含如下步骤：

1)器件TSP校准：使用氮化镓器件GS(栅漏)肖特基二极管正向压降作为温度敏感参数，将选择好的被测氮化镓器件放在恒温板夹具上，器件GS端加入正向探测电流，选择若干校准温度点，变换夹具的温度至稳定状态，测量该温度点下肖特基二极管的正向压降，并记录电压和温度的关系；后续使用时，采用插值方式给出各电压下的对应的温度；

2)设定激光加热参数：根据不同的被测器件，设定皮秒激光加热光斑形状和功率，通过三维运动台调整器件位置，使激光加热光斑落在器件有源区上方；

3)获取冲激响应下热响应曲线：采用单脉冲方式进行激光加热，并同步启动温度敏感参数信号采集，获取热响应信号曲线，获取长度为1ms或其他设定的时间；使用TSP校准数据，将电压转换为温度，得到器件的瞬态降温曲线Z_th(t)；

4)计算阶跃响应下的类热响应曲线：对步骤3)获得的瞬态降温曲线Z_th(t)进行累计加总(数值积分)，得到器件的瞬态温升曲线α_s(t)，取z＝ln(t),，将瞬态温升曲线变换到自然对数时间z坐标系，得到瞬态升温曲线α_s(z)；

5)计算热阻的类时间常数谱：对α_s(z)进行平滑得到α_ss(z)，然后求导得到热响应的类时间导数曲线

再与权重函数w(z)＝exp(z-exp(z)),进行反卷积得到热阻的类时间常数谱；时间导数曲线亦可以直接由

后变换到z坐标系下获得；

6)计算阶跃激励下的热响应曲线：分析时间常数谱，得到器件的主要时间常数，如τ₁、τ₂、τ₃等，将步骤5)曲线的温度值乘以时间常数的倒数和，如

计算得到阶跃激励下的热响应曲线α(z)，当时间常数较多时，取前100倍内的时间常数进行估计即可；

7)获取电加热估算功率下的热响应曲线：采用标准实验方法，测量估计电功率下的降温热响应曲线，并变换为升温热响应曲线α_e(z)；

8)获取等效电加热功率：对比步骤6)和步骤7)的热响应曲线α(z)和α_e(z)，分析后半部分曲线形状，按比例调整电功率升温热响应曲线，使两条曲线的后半部分重合，如比例因子与1差别较大，重新估计电加热功率，并重复步骤7)和步骤8)，此时电加热功率与比例因子的乘积就是等效激光加热功率；

9)使用步骤6)获取的热响应曲线和步骤8)获取的等效激光加热功率，参照固态技术协会标准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》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出半导体器件成核层附近的热阻参数。

本发明有益效果在于：本发明用于对于氮化镓HEMT器件成核层等薄层热阻的测量，其采用超快皮秒脉冲激光进行加热，基于结构函数法分析包含成核层在内的薄层热阻分布。本发明以瞬态电学热阻测试法为基础，使用皮秒激光作为脉冲热源，避免了电学系统瞬态切换造成的干扰和时间延迟，解决了十纳秒至十微秒时间尺度下的成核层热阻的测试难题，为研究成核层的热输运、改进氮化镓器件的设计和工艺优化，以及质量可靠性的提升提供测量依据。本发明所依据的原理和方法，亦可用于其他微米尺度下的材料和器件热特性测量。

在本领域其具有如下作用：

首先，可为改进氮化镓器件的设计和工艺提供依据。

借助准确地计算和测量出包括成核层在内的热阻，可以优化器件的设计，改进器件的工艺，从而使氮化镓器件有源区向衬底的热传导能够更高效，满足氮化镓HEMT器件在更大功率密度和更高温度下的工作需要，满足器件可靠性提升的需要。

其次，准确的热阻测量是器件筛选的基础。

热阻测试不准确时，如果比实际值高，将导致有源区温度被高估，进而导致筛选热应力不足，使得器件缺陷无法充分暴露，存在早期失效的产品难以筛选出来的风险；如果比实际值偏低，将导致有源区在筛选时温度偏高，使得热应力超过合理要求，导致器件受损，影响器件使用的长期可靠性。

再者，可为器件的应用提供合理指导。

既避免采取过度的散热冗余措施导致整机装备体积重量增加，也避免散热不足导致器件工作温度过高，从而影响系统的性能以及可靠性。

综上所述，由于氮化镓HEMT器件的功率密度越来越大，成核层热阻参数的准确测量对其设计、工艺、筛选和应用都非常重要。

附图说明

图1被测试器件热传输路径示意图(非实际比例绘制)；

图2被测试器件瞬态双界面电学法的等效热RC模型；

图3被测试器件的热响应曲线示例(1)有导热硅脂(2)无导热硅脂(引自JESD51-14)；

图4瞬态双界面电学法的热响应曲线导数示意图(引自JESD51-14)；

图5瞬态双界面电学法的热阻时间常数谱(a)离散形式(b)分布形式(引自JESD51-144)；

图6瞬态双界面电学法的热阻时间常数谱与对应的RC网络(引自JESD51-14)；

图7瞬态双界面电学法的RC网络转换a)FOSTER网络，b)CAUER网络(引自JESD51-14)；

图8瞬态双界面电学法的累积结构函数和CAUER梯形模型(引自JESD51-14)；

图9时域热反射法的脉冲激光抽运探测系统装置示意图；

图10为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的皮秒激光加热和电学探测原理图；

图11为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的激光加热和电学温度探测原理图(器件参数仅为列举随器件不同而有变化)；

图12为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的电学加热和电学探测原理图(器件参数仅为列举随器件不同而有变化)

图13为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的氮化镓成核层热阻测量装置组成框图；

图14为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的光路和机械图。

其中：

11有源区12芯片13器件基板14散热冷板15粘接层16导热硅脂。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明涉及的主要英文缩写：1、RC电阻电容，2、HEMT高电子迁移率晶体管，3、TSP温度敏感参数，4、CMOS互补金属氧化物半导体，5、G器件栅极，7、D器件漏极，8、S器件源极。

本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置，采用了一种基于皮秒激光加热的氮化镓器件薄层热阻的测量方法，与现有技术不同之处主要是在于运用了皮秒激光加热方式对半导体器件薄层加热后采用电学采集方式进行热阻测量，避免了电学瞬态切换造成的不良影响和限制，以解决现有技术不能在十纳秒至十微秒时间尺度下进行成核层热阻测试的难题，。

请参见图10所示，为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置所采用的皮秒激光加热和电学探测方法的原理图。本发明的热阻探测方法是一种基于皮秒激光加热和电学加热，以及电学探测的瞬态热阻测量方法。

另请参见图11，为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的激光加热电学温度探测原理图，图中的器件参数仅为列举，其中电阻值为参考值，会随被测器件的不同而有变化。在本具体实施例的方法中，器件的瞬态加热由激光器照射到有源区栅金属层上进行加热，TSP选用由栅金属层和其下方半导体所形成的肖特基二极管的正向电压。

并请参见图12，为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的电学加热和电学探测原理图。图中的器件参数亦仅为列举，其中电阻值为参考值，会随被测器件的不同而有变化。

如图13所示，为本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的氮化镓成核层热阻测量装置组成框图；本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置是基于上述两种方法而实现的氮化镓成核层热阻测量装置，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，可见图13的系统框图。

其中的加热和功率测量子系统主要由激光加热模块、电加热模块构成；瞬态热响应测量子系统由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和软件构成。

另请参见图14，本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置的光路和机械图；所述总体光路和机械设计即本发明中的光路系统和光学平台主要是用于实现皮秒激光的聚焦、调束和衰减调节，安装可见光CMOS相机用于监测。

本发明的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总体是基于结构函数法，其基本原理与背景技术相同。所不同之处在于，本发明的一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置采用的本方法主要基于超快脉冲激光加热，而不同于背景技术方法中的阶跃信号加热或冷却方式，因此，与背景技术的方法的不同之处在于，本发明增加以下技术特征：

(1)增加冲激响应到阶跃响应的热阻抗变换；

(2)简化热响应谱的计算，可直接由冲激响应计算微分后的响应曲线；

(3)基于替代原理，比较皮秒激光加热和电学加热后冷却的功率，获得等效电学激励功率。

本发明的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的主要测试过程如下：

1)TSP校准：一般使用器件GS正向压降作为敏感参数。

将选择好的被测氮化镓器件放在恒温板夹具上，器件GS端加入正向探测电流，选择若干温度校准点，变换夹具的温度至稳定状态，测量该温度点下肖特基二极管的正向压降，并记录电压和温度的关系；后续使用时，采用插值方式给出各电压下的对应的温度；

2)设定激光加热参数：根据不同的被测器件，设定皮秒激光加热光斑形状和功率，通过三维运动台调整器件位置，使激光加热光斑落在器件有源区上方栅极金属处；

3)获取冲激响应下热响应曲线：采用单脉冲方式进行激光加热，并同步启动温度敏感参数信号采集，获取热响应信号曲线，获取长度为1ms或其他设定时间；使用TSP校准数据，将电压转换为温度，得到器件的瞬态降温曲线Z_th(t)

4)计算阶跃响应下的热响应曲线：对步骤3)获得的瞬态降温曲线Z_th(t)进行累计加总(数值积分)，得到器件阶跃响应下的类瞬态温升曲线α_s(t)，取z＝ln(t),，将瞬态温升曲线变换到自然对数时间坐标系，得到类瞬态升温曲线α_s(z)；

5)计算热阻的类时间常数谱：对α_s(z)曲线进行平滑得到α_ss(z)，然后求导得到热响应的类时间导数曲线

再与权重函数w(z)＝exp(z-exp(z)),进行反卷积得到热阻的类时间常数谱；类时间导数曲线亦可以直接由

后变换到z坐标系下获得；

6)计算阶跃激励下的热响应曲线：分析时间常数谱，得到器件的主要时间常数，如τ₁、τ₂、τ₃等，将步骤5)曲线的温度值乘以时间常数的倒数和，如

计算得到阶跃激励下的热响应曲线α(z)，当时间常数较多时，一般取前100倍内的时间常数进行估计即可；

7)获取估算功率下的电加热热响应曲线：采用标准实验方法，测量估计电功率下的降温热响应曲线，并变换为升温热响应曲线α_e(z)；

8)获取等效电加热功率：对比步骤6)和步骤7)的热响应曲线α(z)和α_e(z)，分析后半部分(如100ns至1ms)曲线形状，按比例调整电功率升温热响应曲线，使两条曲线的后半部分重合，如比例因子与1差别较大，重新估计电加热功率，并重复步骤7)和步骤8)，此时电加热功率与比例因子的乘积就是等效激光加热功率；

9)使用步骤6)获取的热响应曲线和步骤8获取的等效激光加热功率，参照固态技术协会标准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》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出半导体器件成核层附近的热阻参数。

综上，本发明方案要点在于：

1)一种基于皮秒激光抽运的氮化镓等半导体器件薄层热阻的测量方法，其特征在于运用皮秒激光加热方式对半导体器件薄层加热，采用电学采集方式进行热响应测量；

2)采用对冲激响应进行累加(积分)的方法，使用皮秒脉冲激光响应获取阶跃响应下的加热曲线；

3)采用等效电加热功率替代方法，确定激光加热的实际加热功率；

4)采用电压和温度校准曲线插值计算的方式，而不是使用线性关系来计算实际温度，避免了二极管电压与温度关系的非线性影响；

5)采用固定电压、电阻限流的方式作为准恒流源，代替传统的恒流源，选用频率特性优良的微波贴片电阻，并将电路放置于夹具上，尽可能接近被测器件，以获取优良的纳秒级瞬态响应能力；

6)夹具采用惰性气体(氩气)进行保护，避免激光加热后高温下引起氧化反应；

7)从结构函数中分析出半导体器件表面附近各层的热阻参数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量方法，该方法是采用结构函数法，是采用基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置测量，所述测量装置，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；

其中，加热和功率测量子系统主要由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和测量软件构成，其特征在于，该方法包含皮秒激光加热步骤和电学加热步骤，首先用皮秒激光对半导体器件薄层加热后采用电学采集方式进行热响应曲线测量；

其中，该方法利用激光器、光路系统和光学平台对激光器发出的皮秒激光进行脉冲特性、聚焦、调束和衰减调节，且该方法是利用可见光CMOS相机进行监测；且：

(1)该方法包含冲激响应到阶跃响应的热阻抗变换步骤；

(2)微分热响应曲线可直接由冲激响应计算；

(3)等效电学激励功率是基于替代原理，通过比较变换到阶跃响应后的皮秒激光加热热响应曲线和电学加热热响应曲线的功率获得；

其包含如下步骤：

1)器件TSP校准：使用氮化镓器件GS肖特基二极管正向压降作为温度敏感参数，将选择好的被测氮化镓器件放在恒温板夹具上，器件GS端加入正向探测电流，选择若干校准温度点，变换夹具的温度至稳定状态，测量该温度点下肖特基二极管的正向压降，并记录电压和温度的关系；后续使用时，采用插值方式给出各电压下的对应的温度；

2)设定激光加热参数：根据不同的被测器件，设定皮秒激光加热光斑形状和功率，通过三维运动台调整器件位置，使激光加热光斑落在器件有源区上方；

3)获取冲激响应下热响应曲线：采用单脉冲方式进行激光加热，并同步启动温度敏感参数信号采集，获取热响应信号曲线，获取长度为1ms或其他设定的时间；使用TSP校准数据，将电压转换为温度，得到器件的瞬态降温曲线Z_th(t)；

4)计算阶跃响应下的类热响应曲线：对步骤(3)获得的瞬态降温曲线Z_th(t)进行累计加总，计算得到器件阶跃响应下的类瞬态温升曲线α_s(t)，取z＝ln(t),，将瞬态温升曲线变换到自然对数时间z坐标系，得到类瞬态升温曲线α_s(z)；

5)计算热阻的类时间常数谱：对α_s(z)曲线进行平滑得到α_ss(z)，然后求导得到热响应的类时间导数曲线

再与权重函数w(z)＝exp(z-exp(z)),进行反卷积得到热阻的类时间常数谱；类时间导数曲线亦可以直接由

后变换到z坐标系下获得；

6)计算阶跃激励下的热响应曲线：分析时间常数谱，得到器件的主要时间常数，将步骤(5)平滑后的曲线α_ss(z)的温度值乘以时间常数的倒数和，计算得到阶跃激励下的热响应曲线α(z)，当时间常数较多时，取前100倍内的主要时间常数进行估计即可；

7)获取电加热估算功率下的热响应曲线：采用标准实验方法，测量估计电功率下的降温热响应曲线，并变换为升温热响应曲线α_e(z)；

8)获取等效电加热功率：对比步骤6)和步骤7)的热响应曲线α(z)和α_e(z)，分析后半部分曲线形状，按比例调整电功率升温热响应曲线，使两条曲线的后半部分重合，如比例因子与1差别较大，重新估计电加热功率，并重复步骤7)和步骤8)，此时电加热功率与比例因子的乘积就是等效激光加热功率；

9)使用步骤6)获取的热响应曲线和步骤8获取的等效激光加热功率，参照固态技术协会标准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》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出半导体器件成核层附近的热阻参数。

2.一种基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量装置，应于权利要求1所述的基于皮秒激光的氮化镓器件成核层热阻测量方法，其特征在于，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；

其中，加热和功率测量子系统主要由皮秒激光加热模块、电学加热和功率测量模块构成；瞬态热响应测量子系统由温度敏感参数信号采集模块构成；测量保障子系统主要由光路系统和光学平台、夹具和偏置模块、恒温槽和恒温板、计算机工作站和测量软件构成；

测量保障子系统的光路系统主要由激光扩束镜、可调光衰减器、反射镜、整形和聚焦模块、CMOS相机监测模块和三维运动台构成；所述三维运动台上设置所述器件夹具及恒温板，所述恒温板与一个可调温度的恒温槽通过导热介质连接；

测量保障子系统还设有可见光CMOS相机监测模块，该可见光CMOS相机监测装置由环形照明光源、监控采集和显示模块、CMOS相机及透反射镜构成，该透反射镜设于整形和聚焦模块、三维运动台之间的光路上。

Images