CN113176293A - 一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构及方法，属于半导体材料及器件的电学和热学测试技术领域。所处测量结构包括：测温芯片和被测样品，其中测温芯片包括由多个二极管或肖特基结串联形成的测温端，以及由多晶硅图形的微加热器结构；被测样品由两种半导体材料及其异质结构界面组成，表面经过光刻等工艺处理，形成均匀分布的矩形矩阵。本发明通过设计一种测温芯片，将测温芯片与被测材料通过点阵矩阵的接触方式，通过测温芯片采集温度响应曲线，对被测材料建立热仿真模型并迭代异质结界面热导率进行求解，直至模型解与实际采集的温度响应曲线一致，即可提取出被测材料异质结界面的热导率。

Description

一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构及方法
技术领域：
本发明公开了一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构及方法，属于半导体材料及器件的电学和热学测量技术领域。
背景技术：
为了满足日益增长高性能的需求，异质结构材料是未来新型半导体芯片重要选择，以期充分发挥不同材料在电学、光学、热学等各自优势。除了形貌、组分等基本材料性质外，异质结构界面温升与热阻特性是材料研究和器件制备最受关注的特性之一。其不仅影响器件微观电子输运及性能，更会影响到宏观***的可靠性，任何薄层结构热阻的累加都会最终推高***核心区温度。相对于体材料良好的致密性和完整性，异质材料界面往往受到由于晶格失配和生长工艺限制引发材料缺陷增加、声子失配等现象，从而导致材料界面的总热阻远高于预期值，影响器件整体的散热性能，成为制约异质材料器件发展的关键因素。传统方法主要是以“泵浦-探测”的时域热反射谱(Time-Domain ThermoReflectance,TDTR)和瞬态热发射谱(Transient TherMoreflectance，TTM)的光学法为主，测量时往往需要庞大而昂贵的光学设备，而且测量操作复杂，不利于大规模的测量。
发明内容：
本发明的目的在于，为了解决上述问题，在被测材料表面刻蚀出点阵阵列的形式，采用热接触的方式，采集被测材料的温度响应曲线，最终通过数值模拟的方式，提取被测材料中异质结界面的热导率。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种具有热源的测温芯片紧贴于被测材料表面，这种测温芯片具有独立的热源和测温功能，可分别实现热源加热和温度响应采集的单独控制。被测材料表面通过光刻工艺刻蚀出同等深度、同等大小并均匀分布的点阵矩形矩阵。测量时，由计算机控制采集被测样品的加热或冷却响应曲线，通过数值模拟，最终提取出被测材料中异质结界面的热导率。
这种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的优势在于：1.测温芯片的加热结构和测温结构完全独立，可受到计算机独立控制，实现加热响应曲线、冷却响应曲线及非稳态响应曲线(脉冲、正弦)的采集；2.在被测材料表面刻蚀出点状矩形阵列后，可以有效的提高异质结界面层温升在总温度响应曲线中的占比，提高热导率提取的灵敏度和准确度；3.相比于光学测量方法而言，点阵接触方式测量操作简单便利，可以实现热导率的快速测量。
一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构设计，其特征在于：
该点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构主体包括有：100：测温芯片、110：被测材料、121：恒温平台；
所述测温芯片结构100包括：101：加热源；102：测温端；
所述被测材料结构110包括：111：异质结材料1；112：异质结界面；113：异质结材料2；
应用上述结构组成的点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构，其特征在于：
点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构由测温芯片100、被测材料110以及恒温平台121共同组成；测温芯片100包括加热源101及测温端102组成；加热源101为多晶硅、金属线或者掺杂Si组成的微加热器，在微加热器两端施加恒定电功率，由于焦耳效应可以产生稳定的热功率；测温端102由PN结或肖特基结构成的温度探头；被测材料110包括111异质结材料1、112异质结界面及113异质结材料2组成；被测材料110通过单次或多次光刻在表面刻蚀出深度相同、大小相同且分布均匀的点状矩形矩阵，点状矩阵面积、点状矩阵数量与间隔距离可以通过不同光刻版定义，刻蚀深度需超过异质结界面深度1～10μm；恒温平台121为测量提供固定的环境温度，并为整个测量***提供良好的散热通路。
该点阵接触方式测量异质结界面热导率的方法包括有：100：测温芯片、110：被测材料、121：恒温平台；200：测量***；300：工控计算机；
所述测量电路包括：201：功率电源；202：恒流源电路与采集电路；203：压力控制装置；
应用上述点状接触方式测量异质结界面热导率的方法，其特征在于：
开始测量时，被测材料放置于恒温平台上，并设置恒温平台温度为T1。将测温芯片100紧贴于被测材料110表面，由测量***200中的压力控制模块203设置施加压力N1，并将测温芯片100中的加热源101与测温端102分别与测量***中的功率电源201和恒流源电路与采集电路202相连；通过工控计算机300分别设置加热功率W1、加热时间t1、冷却时间t2、恒流源电流I1；在施加加热功率W1后的初始时刻，工控计算机300控制恒流源电路与采集电路202开始采集测温芯片102两端电压在恒流源电流I1作用下随温度的电压变化，通过电压与温度的关系，即可得到被测材料的温升响应曲线；时间经过t1后，工控计算机300切断加热功率，并继续采集测温芯片两端电压在恒流源电流I1作用下随温度的变化，即可得到被测材料的温降响应曲线；将被测材料的已知材料信息的厚度d、比热容c、密度ρ、热导率k等输入至工控计算机中，通过数值模拟的方式进行热传导方程的求解计算，对未知量(异质结界面热导率)进行不断迭代计算，使得求解得到的温度响应曲线与测温芯片100采集得到的温度响应曲线一致，表明此时迭代计算的异质结界面热导率为被测材料异质结界面的实际热导率；
附图说明：
图1是一种点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构示意图；
其中，100：测温芯片；101：加热源；102：测温端；110：被测材料；111：异质结材料1；112：异质结界面；113：异质结材料2；121：恒温平台；
图2是一种点阵接触方式测量异质结界面热导率的测量示意图；
其中，100：测温芯片；101：加热源；102：测温端；110：被测材料；111：异质结材料1；112：异质结界面；113：异质结材料2；121：恒温平台；200：测量***；201：功率电源；202：恒流源电路与采集电路；203：压力控制装置；300：工控计算机
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
如图2所示一种点阵接触方式测量异质结界面热导率的测量示意图，包括，100：测温芯片；101：加热源；102：测温端；110：被测材料；111：异质结材料1；112：异质结界面；113：异质结材料2；121：恒温平台；200：测量***；201：功率电源；202：恒流源电路与采集电路；203：压力控制装置；
所述的测温芯片100由加热源101、测温端102在半导体衬底材料上，经过光刻、刻蚀等半导体工艺制作而成；
所述测温芯片100总芯片面积约为1mm×1mm，其中加热源101由多晶硅淀积、刻蚀制作而成，通过相应的图形设计，可以使产生的热流在测量源一侧形成均匀的温度分布；测温端102由9个二极管串联，经过光刻、刻蚀等半导体工艺制作而成，其正向结压降随温度的变化约为-18mV/℃，极大的提高温度探头随温度的变化幅度，从而捕捉微小的温度变化信息，提高温度探头信噪比。
所述的被测材料110由异质结材料1 111、异质结界面112在异质结材料2 113上，经过标准外延生长工艺制作而成；异质结材料1 111、异质结界面112、异质结材料2 113的厚度分别约为2μm、100nm、300μm；通过单次光刻工艺，在异质结材料1 111表面中心处刻蚀出10×10个均匀分布的矩形矩阵，矩阵总面积约为100μm×100μm，单个矩阵的面积约为10μm×10μm，刻蚀深度约为5-10μm；
对被测材料测量之前，通过相同刻蚀工艺，在标准Si样品表面刻蚀出相同矩形矩阵。将标准Si样品放置于恒温平台121上，并将恒温平台121温度设置为T。将测温芯片100紧贴于刻蚀后的标准Si样品表面。由工控计算机300控制测量系200对测温芯片100施加加热功率W、恒流源I、压力N、加热时间t1、冷却时间t2。测温芯片100采集在加热时间t1及冷却时间t2过程中的温度响应曲线。在工控计算机300中输入测温芯片100及标准Si样品各项参数，通过数值计算，确定测温芯片100与标准Si样品的接触热阻，并校准其他测量参数，直至模型中计算的温度响应曲线与实际采集的温度响应曲线达到一致。
将标准Si样品替换为被测样品110，由于此时接触热阻仅与压力N相关，在相同压力下，可以认为接触热阻相同。其他参数可根据不同被测样品和测试条件做响应调整。为方便论述，本示例中采用与标准Si样品相同的测量条件。由工控计算机300控制测量***200对测温芯片100施加相同加热功率W、恒流源I、压力N、加热时间t1、冷却时间t2。测温芯片100采集在加热时间t1及冷却时间t2过程中的温度响应曲线。在工控计算机300中输入测温芯片100的材料参数、被测样品110与测温芯片100之间的接触热阻以及被测样品中除异质结界面热导率之外的其他已知参数，通过数值计算，不断迭代模型中异质结界面热导率的参数，直至模型中计算的温度响应曲线与实际采集的温度响应曲线达到一致。可以认为此时模型中的异质结界面热导率即为被测材料中异质结界面热导率的实际值。

Claims (4)

1.一种采用点阵接触方式测量异质结界面热导率的结构，包括测温芯片及被测样品，其特征在于：所述测温芯片包括测温端与加热源两个部分的双层结构，加热源在靠近芯片上层的表面处，由多晶硅图形构成的微加热器结构组成；测温端位于加热端下方，由不少于两个PN结或肖特基结构串联组成；测温端与加热源之间由绝缘的氧化硅实现电学隔离；所述被测样品有两种半导体材料以及其异质结界面组成，被测材料在表面刻蚀出大小相同、深度相同并均匀分布在被测区域的矩形矩阵；测量时，将被测材料与测温芯片通过这种点阵矩阵的方式形成热接触，通过测温芯片采集温度响应曲线，对被测材料建立热仿真模型并迭代异质结界面热导率进行求解，直至模型解与实际采集的温度响应曲线一致，提取出被测材料异质结界面的热导率；
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述矩形矩阵的个数、面积、分布及刻蚀深度可变化；
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述点阵接触方式由于接触热阻的存在，测量前需采用已知热导率的标准Si样品进行测量校准，确定接触热阻的大小；
4.应用如权利要求1所述结构的方法，其特征在于：对被测材料测量之前，通过相同刻蚀工艺，在标准Si样品表面刻蚀出相同矩形矩阵；将标准Si样品放置于恒温平台上，并将恒温平台温度设置为T；将测温芯片紧贴于刻蚀后的标准Si样品表面；由工控计算机控制测量***对测温芯片施加加热功率W、恒流源I、压力N、加热时间t1、冷却时间t2；测温芯片采集在加热时间t1及冷却时间t2过程中的温度响应曲线；在工控计算机中输入测温芯片及标准Si样品各项参数，通过数值计算，确定测温芯片与标准Si样品的接触热阻，直至模型中计算的温度响应曲线与实际采集的温度响应曲线达到一致。
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