本發(fā)明屬于熱導(dǎo)率測量方法，具體涉及一種薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法。

背景技術(shù)：

1、氮化物半導(dǎo)體如氮化鎵和氮化鋁由于具有寬的禁帶寬度、高的擊穿場強(qiáng)和大的電子遷移率等優(yōu)異性能而逐漸成為支撐后摩爾時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心半導(dǎo)體材料，已開始廣泛應(yīng)用于大功率藍(lán)綠光激光器、功率電力電子器件、微波射頻器件等領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，這些電子器件逐漸朝著高性能化、高集成化和微型化的方向發(fā)展，隨之而來的問題是其結(jié)溫迅速升高，輸出功率密度和效率等性能指標(biāo)迅速惡化，使用壽命明顯縮短，可靠性下降。以氮化鎵基高電子遷移率晶體管(hemt)為例，其理論極限功率密度可達(dá)40瓦特每毫米(w?mm-1)，但實(shí)際上其功率密度可能要一個數(shù)量級的降低，這是由“自熱效應(yīng)”導(dǎo)致的。因此，散熱問題成為氮化物半導(dǎo)體器件進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。

2、目前，氮化物半導(dǎo)體器件通常是在碳化硅、硅或藍(lán)寶石襯底上通過異質(zhì)外延生長的。另外，生長的氮化物外延層一般在十微米(μm)級別及以下厚度，且由于生長工藝的差異，這些氮化物薄膜的導(dǎo)熱性能從表面到內(nèi)部不同深度處存在一定的差異。準(zhǔn)確測量氮化物薄膜在不同深度處的導(dǎo)熱性能對于氮化物半導(dǎo)體器件熱設(shè)計和熱調(diào)控具有非常重要的意義。提高器件散熱性能的關(guān)鍵在于對這些外延薄膜導(dǎo)熱性能的理解和掌控。熱導(dǎo)率作為材料的基本屬性之一常被用來評價材料的導(dǎo)熱性能，其單位為瓦特每米每開爾文(w?m-1k-1)，對器件的散熱性能和可靠性起著直接且極為重要的作用。常用的熱導(dǎo)率測量方法有穩(wěn)態(tài)法、激光閃光法和瞬態(tài)平面熱源法等，但這些方法均要求塊體材料尺度以及亞毫秒以上的響應(yīng)時間。這些方法反應(yīng)的是薄膜整體的熱導(dǎo)率(平均導(dǎo)熱能力)而并不能精確反映出從薄膜表面到不同深度處熱導(dǎo)率的分布情況，從而在研究氮化物半導(dǎo)體薄膜的生長機(jī)制、優(yōu)化器件性能以及提升器件可靠性等方面存在著明顯的不足。

3、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其能夠準(zhǔn)確地對薄膜不同深度處的熱導(dǎo)率進(jìn)行定量分析，測量精度高，極大地避免了常規(guī)方法測得的整體平均熱導(dǎo)率帶來的誤差。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一具體實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：一種薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，包括以下步驟：

3、獲得樣品，所述樣品包括層疊設(shè)置的襯底、待測薄膜以及光熱傳感層；

4、使用泵浦探測熱反射法對樣品進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)泵浦光頻率，得到待測薄膜的測試熱導(dǎo)率；

5、根據(jù)泵浦光頻率和測試熱導(dǎo)率，得到泵浦光在待測薄膜內(nèi)的熱穿透深度，所述測試熱導(dǎo)率為該熱穿透深度下待測薄膜的熱導(dǎo)率。

6、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，所述泵浦光在待測薄膜內(nèi)的熱穿透深度的計算公式為：

7、dp＝(k/cπfmod)1/2

8、其中，dp為泵浦光在待測薄膜內(nèi)的熱穿透深度，fmod為泵浦光頻率，k為測試熱導(dǎo)率，c為待測薄膜的體積比熱容。

9、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，所述泵浦光頻率的調(diào)節(jié)范圍為0.1mhz～20mhz。

10、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，所述調(diào)節(jié)泵浦光頻率的步驟包括：

11、使用電光調(diào)制器將泵浦光調(diào)節(jié)頻率。

12、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，使用泵浦探測熱反射法對樣品進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)泵浦光頻率的步驟具體包括：將樣品放置于飛秒激光泵浦探測熱反射系統(tǒng)的載物臺上，調(diào)節(jié)泵浦光頻率后進(jìn)行測試。

13、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，獲得樣品的步驟包括：

14、于襯底上形成待測薄膜；

15、將待測薄膜和襯底一起切割成若干單元；

16、于若干單元上的待測薄膜一側(cè)形成一層光熱傳感層，即得到所述樣品。

17、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，于襯底上形成待測薄膜的步驟包括：

18、采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、氫化物氣相外延或分子束外延的方法于襯底上形成待測薄膜。

19、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，所述襯底為碳化硅襯底、硅襯底以及藍(lán)寶石襯底中的任意一種。

20、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，所述光熱傳感層為鋁膜、銅膜或金膜；所述光熱傳感層的厚度為60nm～100nm。

21、在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例中，得到不同深度處測試熱導(dǎo)率的步驟包括：

22、通過泵浦探測熱反射法，獲得樣品的熱反射率隨時間變化的曲線；

23、根據(jù)樣品的熱反射率隨時間變化的曲線，獲取樣品的溫度隨時間變化的溫度衰減曲線；

24、將樣品的溫度隨時間變化的溫度衰減曲線與熱傳輸模型進(jìn)行擬合，從而得到待測薄膜的測試熱導(dǎo)率。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，通過調(diào)制泵浦光頻率，能夠準(zhǔn)確地對氮化物半導(dǎo)體薄膜不同深度處的熱導(dǎo)率進(jìn)行定量分析，測量精度高，極大地避免了常規(guī)方法整體平均熱導(dǎo)率測量帶來的誤差，從而為研究氮化物半導(dǎo)體薄膜的熱學(xué)性質(zhì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，為提高氮化物半導(dǎo)體器件的散熱性能奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明的測量方法不僅適用于μm級別厚度氮化物半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率的準(zhǔn)確測量，而且同樣適用于對亞微米、納米級別厚度氮化物半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率的定量分析，空間分辨率高。

技術(shù)特征：

1.一種待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，所述泵浦光的熱穿透深度的計算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，所述泵浦光頻率的調(diào)節(jié)范圍為0.1mhz～20mhz。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)泵浦光頻率的步驟包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，使用泵浦探測熱反射法對樣品進(jìn)行測試的步驟具體包括：將樣品放置于飛秒激光泵浦探測熱反射系統(tǒng)的載物臺上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，獲得樣品的步驟包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，于襯底上形成待測薄膜的步驟包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，所述襯底為碳化硅襯底、硅襯底以及藍(lán)寶石襯底中的任意一種。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，所述光熱傳感層為鋁膜、銅膜或金膜；所述光熱傳感層的厚度為60nm～100nm。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的待測薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，得到測試熱導(dǎo)率的步驟包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種薄膜不同深度處熱導(dǎo)率的測量方法，包括以下步驟：獲得樣品，所述樣品包括層疊設(shè)置的襯底、待測薄膜以及光熱傳感層；使用泵浦探測熱反射法對樣品進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)泵浦光頻率，得到待測薄膜的測試熱導(dǎo)率；根據(jù)泵浦光頻率和測試熱導(dǎo)率，得到泵浦光在待測薄膜內(nèi)的熱穿透深度，所述測試熱導(dǎo)率為該熱穿透深度下待測薄膜的熱導(dǎo)率。本發(fā)明的薄膜熱導(dǎo)率的測量方法能夠準(zhǔn)確地對薄膜不同深度處的熱導(dǎo)率進(jìn)行定量分析，測量精度高，極大地避免了常規(guī)方法測得的整體平均熱導(dǎo)率帶來的誤差。

技術(shù)研發(fā)人員：王魯華,蘇旭軍,陳晶晶,易覺民,徐科
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8