一種測量半導體器件有源區薄層材料中熱傳導參數的方法涉及半導體器件測試領域?，F有技術中有源區同時起到發熱區和溫度探測區的作用，熱量在薄層中的傳導速度也無法測量。采用本方法制備的測試芯片，將熱源區和溫敏探測區空間上分開。加熱和測量過程可以同時進行，不存在時間延遲，可以測量出實際器件結構的熱時間常數達到納秒量級(依高速A/D采集卡的速度而定)。本發明專利技術可以實現測試器件實際有源區薄層熱傳導參數的目的，如GaN?HEMT等基于肖特基柵結構的器件，也可以用于特定薄膜材料的熱傳導參數測定。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及半導體器件測試領域。
技術介紹
半導體器件工作時，有源區產生的熱量會引起芯片溫度升高，將對器件的性能參 數，特別是使用壽命和可靠性帶來直接的影響。半導體器件有源區薄層材料既是熱量的產 生區，又是熱量的傳導區。熱量在這一區域的傳導速度和熱時間常數是影響器件熱性能的 重要參數。尤其對于功率微波器件，產生的熱量多、變化速度快，器件芯片瞬態溫升沖擊對 性能的影響嚴重。確定有源區熱傳導速度和熱時間常數對其性能的影響至關重要?，F有常用熱測量技術是通過脈沖開關技術和器件的溫敏參數測量器件的瞬態溫 度響應。由于從工作狀態切換到測量狀態存在時間延遲，加之新型半導體器件的有源區薄 層材料很薄，其熱時間常數通常低于測量延遲時間，很難確定該層中的瞬態熱傳導特性。其 它采用光學方法，如拉曼法，測量器件的溫升特性，也由于操作繁瑣，測量精度低，受到限 制。現有技術中有源區同時起到發熱區和溫度探測區的作用，熱量在薄層中的傳導速度也 無法測量。
技術實現思路
針對現有技術的局限，本專利技術的目的在于提供一種用于測量半導體器件有源區薄 層內熱傳導速度和熱時間常數的測試方法。測量方法步驟如下(1)測試芯片的制備在半導體襯底材料層1上，外延生長待測材料薄層2，在薄層 2上表面分別制備熱源區A，第一溫度探測區B和第二溫度探測區C，熱源區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，第一溫度探測區包含第一肖特基接觸電極5和第三歐姆接觸電極6，第二溫度探測區包 含第二肖特基接觸電極7及第四歐姆接觸電極8，第一溫度探測區及第二溫度探測區用于 探測熱量傳輸，其面積越小，熱容越小，從而有利于提高探測靈敏度，電極尺寸為0. 3微米 *100微米至0. 5微米拉50微米之間；(2)溫度系數的測定將步驟(1)制備的測試芯片放置在可控溫的恒溫平臺上并 將平臺溫度設為Tl攝氏度，將第一溫度探測區的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電 極之間，及第二溫度探測區的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測試電 流，測試電流范圍為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 區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)，及第二溫度探測區的 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)，再將平臺溫度設定為T2， 利用AD采集卡分別采集在T2下，第一溫度探測區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)，及第二溫度探測區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)，利用肖特基結的正向溫度特性可以計算出第一溫度探測區溫度系數kl及第二溫度探測區的溫度系數k2，kl = (V1(T2)-V1(T1))/(T2-T1)k2 = (V2 (T2) -V2 (Tl)) / (T2-T1)(1) ⑵ 利用kl，k2及任意時刻t下第一溫度探測區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)和第二溫度探測區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)，根據公式(3)計算出任意時刻t下第一溫度探測區的溫度TTl (t)， 根據公式(4)計算出任意時刻t下第二溫度探測區的溫度TT2(t)；(3)將熱源區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區的溫度隨時 間變化曲線Sl和第二溫度探測區的溫度隨時間變化曲線S2，AD采集板的采樣率為不低于 50MHz ；(4)記錄峰值溫度的時間差At，可以計算出薄層的熱傳導速度V =//At，其中/ 為第一溫度探測區和第二溫度探測區之間的空間距離，記錄的第一溫度探測區的溫度隨時 間變化曲線Si，從TTl⑴達到峰值作為熱量擴散的初始時刻，溫度下降為初始時刻Ι/e時 的時間，即為熱時間常數τ。本專利技術提出一種測定半導體器件有源區薄層中，熱傳導速度和熱時間常數的方 法。可以實現測試器件實際有源區薄層熱傳導參數的目的，如GaNHEMT等基于肖特基柵結 構的器件，也可以用于特定薄膜材料的熱傳導參數測定。采用本方法制備的測試芯片，將熱 源區和溫敏探測區空間上分開。加熱和測量過程可以同時進行，不存在時間延遲，可以測量 出實際器件結構的熱時間常數達到納秒量級(依高速A/D采集卡的速度而定)。附圖說明圖1是本專利技術的測試熱量傳輸速度的測試芯片示意圖；圖2是采集的功率波形和第一溫度采集區和第二溫度采集區的溫度測試波形圖。 具體實施例方式見圖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)有源區薄層2，由于熱源區用于施加電功率產生熱量，其功率負載能力越 強，越有利于提高測試精度，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，采用肖特基結制備工藝，分別制備長度為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成第一溫度探測區；第二肖特基接觸電極和第四歐姆接觸電極 構成第二溫度探測區，其中第一溫度探測區和第二溫度探測區之間的距離1為10微米，將測試芯片放置在恒溫平臺上并設置恒溫平臺溫度為30攝氏度，將第一溫度探TTl (t) = Tl+ (VI (t) -Vl (Tl)) /klTT2 (t) = Tl+ (V2 (t) -V2 (Tl)) /k2⑶ ⑷測區的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間，及第二溫度探測區的第二肖特基接 觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測試電流，測試電流值為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)，計算出第一溫度探測區溫度系數 kl及第二溫度探測區溫度系數k2，kl = (VI (90)-Vl (30) )/(90-30)k2 = (V2 (90) -V2 (30)) / (90-30)將熱源區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AD采 集板開始采集，利用kl，k2計算出第一溫度探測區的溫度隨時間變化曲線2和第二溫度探 測區的溫度隨時間變化曲線3，如圖2所示；可以觀測到由于第一溫度探測區和第二溫度探測區之間存在空間距離1為10微 米，記錄的溫度變化存在時間延遲，峰值溫度的時間差為80納秒，由此可以計算出有源區 薄層的熱傳導速度為V = 1/ Δ t本文檔來自技高網...
【技術保護點】
１．一種測量半導體器件有源區薄層材料中熱傳導參數的方法，其特征在于，步驟如下：１）測試芯片的制備：在半導體襯底材料層上，外延生長待測材料薄層，在薄層上表面分別制備熱源區，第一溫度探測區和第二溫度探測區，熱源區包含第一歐姆接觸電極及第二歐姆接觸電極，第一溫度探測區包含第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極，第二溫度探測區包含第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極；２）溫度系數的測定：將步驟１）制備的測試芯片放置在可控溫的恒溫平臺上并將平臺溫度設為Ｔ１攝氏度，將第一溫度探測區的第一肖特基接觸電極和第三歐姆接觸電極之間，及第二溫度探測區的第二肖特基接觸電極及第四歐姆接觸電極之間接入測試電流，測試電流范圍為１毫安到５毫安之間，并利用ＡＤ采集卡分別采集在Ｔ１下，第一溫度探測區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Ｖ１（Ｔ１），及第二溫度探測區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（Ｔ１），再將平臺溫度設定為Ｔ２，利用ＡＤ采集卡分別采集在Ｔ２下，第一溫度探測區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Ｖ１（Ｔ２），及第二溫度探測區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），利用肖特基結的正向溫度特性計算出第一溫度探測區溫度系數ｋ１及第二溫度探測區的溫度系數ｋ２，ｋ１＝（Ｖ１（Ｔ２）－Ｖ１（Ｔ１））／（Ｔ２－Ｔ１）（１）ｋ２＝（Ｖ２（Ｔ２）－Ｖ２（Ｔ１））／（Ｔ２－Ｔ１） （２）利用ｋ１，ｋ２及任意時刻ｔ下第一溫度探測區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Ｖ１（ｔ）和第二溫度探測區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），根據公式（３）計算出任意時刻ｔ下第一溫度探測區的溫度ＴＴ１（ｔ），根據公式（４）計算出任意時刻ｔ下第二溫度探測區的溫度ＴＴ２（ｔ）；ＴＴ１（ｔ）＝Ｔ１＋（Ｖ１（ｔ）－Ｖ１（Ｔ１））／ｋ１（３）ＴＴ２（ｔ）＝Ｔ１＋（Ｖ２（ｔ）－Ｖ２（Ｔ１））／ｋ２ （４）３）將熱源區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ＡＤ采集板開始采集，利用步驟２）中闡述的方法記錄第一溫度探測區的溫度隨時間變化曲線Ｓ１和第二溫度探測區的溫度隨時間變化曲線Ｓ２，ＡＤ采集板的采樣率為不低于５０ＭＨｚ；４）記錄峰值溫度的時間差Δｔ，計算出薄層的熱傳導速度ｖ＝ｌ／Δｔ，其中ｌ為第一溫度探測區和第二溫度探測區之間的空間距離，記錄的第一溫度探測區的溫度隨時間變化曲線Ｓ１，從ＴＴ１（ｔ）達到峰值作為熱量擴散的初始時刻，溫度下降為初始時刻１／ｅ時的時間，即為熱時間常數τ。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：馮士維，張光沉，郭春生，喬彥彬，劉靜，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：11
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