[发明专利]基于热成像的异质结热物理性质测量方法和装置

说明书

本发明提供一种基于热成像的异质结热物理性质测量方法和装置，包括：基于有限元仿真计算，根据第一测试时长内的第Ⅰ变化离散点得到待测异质结样本的基底的热导率；基于有限元仿真计算，根据第二测试时长内的第Ⅰ变化离散点和基底的热导率得到基底的比热；基于有限元仿真计算，根据第三测试时长内的第Ⅱ变化离散点和基底的热导率、比热得到待测异质结样本的界面热阻和薄膜的比热；基于有限元仿真计算，根据第四测试时长内的第Ⅲ变化离散点与界面热阻、薄膜的比热和基底的热导率、比热，得到薄膜的热导率。本发明实现了多个参数的同时测量，提高了测量效率，且利用有限元仿真计算，提高了测量精度。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于热成像的异质结热物理性质测量方法和装置。

背景技术

固态异质结构简称异质结，一般由衬底和外延层薄膜构成，组成材料包括金属、半导体或绝缘体，广泛应用于电力电子、射频通信、光伏光电、热电等各类先进技术领域中。

然而，随着器件性能指标的快速迭代，产热与结温也急剧增加，这就要求器件在具有高电子迁移率、高击穿场强和功率的同时，具备良好的导热性能。为增强异质结器件导热能力，研究人员从异质结构器件的近结点区域到外部散热结构均进行了大量的热分析与优化设计，然而仍不能完全满足更加严峻复杂的热管理需求，这其中一个重要原因是当前仍缺乏真正适合于各类异质结热物理性质测量的高效方法。

现有技术中，可用于异质结热物理性质测量的实验方法主要包括时域热反射法、拉曼光谱法和3ω电学方法。

其中，时域热反射法采用分光器将皮秒或飞秒激光分为泵浦光和探测光，通过拟合被反射的探测光信号与时间延迟或调制频率的关系，导出被测异质结构样品的薄膜、衬底的热导率和比热以及二者间界面热阻等参数。由于该类方法的激光重复频率达10MHz量级，对应的热穿透深度很浅(～100nm)，因此其信号对应用广泛的微米级薄膜异质结构的界面热阻、衬底热导率灵敏度较低，测试不确定度大。拉曼测温法利用拉曼光谱对特定材料表面温度进行探测，入射光子与原子发生非弹性散射，发生能量交换而产生拉曼信号，材料温度的变化会引起极化率的改变，从而改变影响拉曼信号。基于这一原理可以测定样品内部温度分布，导出异质结构的薄膜、衬底热导率和界面热阻等。该方法的测温不确定度约为5K，并且法向温度空间分辨率通常大于1μm，这些特征均严重制约着该方法的测量精度。对于3ω电学方法，需要在样品表面制备条形金属薄膜作为加热电极和探测电极，进行交流电加热，提取电极的3ω和2ω电压信号，导出相关热物性。但这种方法需要对电极尺寸进行精确的设计，以实现较高的敏感性，而且在频率较低时对材料的比热不敏感。

综上可知，现有技术中的异质结热物理性质测量方法存在测量精度和测量效率较低的缺陷。

发明内容

本发明提供一种基于热成像的异质结热物理性质测量方法，用以解决现有技术中异质结热物理性质测量效率低的缺陷，实现对异质结样品的薄膜和基底的比热和热导率及界面热阻效率较高、精度较高的测量。

本发明提供一种基于热成像的异质结热物理性质测量方法，包括：

在测试时长内，获取待测异质结样本的第Ⅰ目标区域的多个第Ⅰ平均温升值，以得到所述第Ⅰ平均温升值在所述测试时长内随时间变化的第Ⅰ变化离散点；

基于有限元仿真计算，根据第一测试时长内的所述第Ⅰ变化离散点得到所述待测异质结样本的基底的热导率；

基于有限元仿真计算，根据第二测试时长内的所述第Ⅰ变化离散点和所述基底的热导率得到所述基底的比热；

在所述测试时长内，获取待测异质结样本的第Ⅱ目标区域的多个第Ⅱ平均温升值和第Ⅲ目标区域的多个第Ⅲ平均温升值，以得到所述第Ⅱ平均温升值在所述测试时长内随时间变化的第Ⅱ变化离散点，和所述第Ⅲ平均温升值在所述测试时长内随时间变化的第Ⅲ变化离散点；