專利名稱：一種基于光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電材料熱導(dǎo)率測(cè)量的方法和裝置，具體的說(shuō)，主要是基于步進(jìn)掃描傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀的光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法以及
直ο
背景技術(shù)：
近年來(lái)，微電子/光電器件朝著高速、高密度和低功耗方向迅速發(fā)展，直接引起單位體積中所產(chǎn)生熱量的增加，系統(tǒng)的散熱成為一個(gè)突出的問(wèn)題。對(duì)于體材料，其中的雜質(zhì)/ 缺陷和位錯(cuò)導(dǎo)致其具有較低的熱導(dǎo)率；對(duì)于器件中得到廣泛應(yīng)用的低維結(jié)構(gòu)，聲子限制和界面效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其熱導(dǎo)率進(jìn)一步減小。低熱導(dǎo)率會(huì)引起熱量在材料/器件中不斷累積，直接影響器件的可靠性和穩(wěn)定性。由于尺寸的限制，系統(tǒng)中的熱量只能通過(guò)有限的通道傳輸走，如果散熱問(wèn)題處理不當(dāng)，器件會(huì)在頃刻之間即因過(guò)熱而化為灰燼。因此，材料/器件的熱學(xué)特性的測(cè)量成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。低維結(jié)構(gòu)中的熱耗散快，給相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)了很大困難?，F(xiàn)有的熱導(dǎo)率測(cè)量方法，例如3ω方法、微加工懸浮器件法、瞬態(tài)反射測(cè)量法、掃描熱顯微鏡技術(shù)等，存在著樣品需要前處理、實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、需要設(shè)計(jì)專用電路等問(wèn)題，不利于對(duì)材料/低維結(jié)構(gòu)熱特性進(jìn)行快速無(wú)損的測(cè)量。我們實(shí)驗(yàn)室已創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了基于傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀的光致發(fā)光 (Photoluminescence，PL)、光調(diào)制反射(Photoref 1 ectance，PR)光譜，實(shí)現(xiàn)了變溫 PL 和 PR 光譜的測(cè)量。初步結(jié)果表明與傳統(tǒng)的基于單色儀的光譜方法相比，上述方法具有顯著提高靈敏度、有效抑制雜散光干擾、快捷易操作等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的電學(xué)測(cè)量方式，調(diào)制光譜具有迅捷無(wú)損的特點(diǎn)，有著很大的優(yōu)勢(shì)?；谏鲜稣{(diào)制光譜方面的進(jìn)展，我們提出利用步進(jìn)掃描FIlR光譜儀實(shí)現(xiàn)光調(diào)制熱發(fā)射譜的理論構(gòu)想。藉此獲取半導(dǎo)體材料及低維結(jié)構(gòu)在激光照射前后的溫度差并導(dǎo)出其熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)材料及低維結(jié)構(gòu)的光調(diào)制熱發(fā)射譜的有效測(cè)量并開(kāi)展相應(yīng)材料體系的熱特性研究，為相關(guān)光電器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，如何利用光調(diào)制熱發(fā)射譜獲取樣品在激光照射下的溫度，乃是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，因此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于步進(jìn)掃描的紅外光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法及其裝置，使之能夠獲取激光照射前后樣品表面的溫度差，顯著提高溫度測(cè)量的靈敏度和可靠性。藉此利用光譜方法快速無(wú)損的導(dǎo)出樣品的熱導(dǎo)率，從而為半導(dǎo)體材料的熱特性分析提供一種有效途徑。根據(jù)本發(fā)明的一種基于紅外光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法和裝置，包括-傅立葉變換紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，其具有傅立葉變換紅外光譜儀和控制臺(tái)計(jì)算機(jī)， 與傅立葉變換紅外光譜儀中光干涉部件聯(lián)結(jié)的探測(cè)器，與控制臺(tái)計(jì)算機(jī)相連接的電路控制
4板；-光調(diào)制裝置，其包括鎖相放大器、斬波器；鎖相放大器的信號(hào)輸入端連接探測(cè)器的輸出端，其輸出端與電路控制板的輸入端相連接；-激光器，產(chǎn)生連續(xù)激光，激光波長(zhǎng)大于待測(cè)樣品的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)；-樣品/功率測(cè)試系統(tǒng)，其包括樣品測(cè)試系統(tǒng)、功率測(cè)試系統(tǒng)、底座；放置待測(cè)樣品和熱沉的變溫杜瓦；與功率探頭相連接的控制器。所述的鎖相放大器為Manford SR830 DSP型鎖相放大器；所述的斬波器為 Stanford SR540型機(jī)械斬波器；所述的激光器為Coherent 1064-2500 MN紅外激光器，激光波長(zhǎng)為1. 064微米；所述的傅立葉變換紅外譜儀為Bruker IFS 66v/S型FIlR光譜儀；所述功率計(jì)為Newport 2935-C功率計(jì)；所述變溫杜瓦為JanisST-500連續(xù)流低溫恒溫器；以及所述的待測(cè)樣品(激光波長(zhǎng)大于樣品禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng))，例如Ina54G^46As材料， 其禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1. 679微米。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思的核心是使用具有連續(xù)和步進(jìn)掃描功能的FIlR光譜儀，還包括斬波器、雙通道鎖相放大器、激光器、功率計(jì)、變溫杜瓦和底座等組件。首先將樣品測(cè)試系統(tǒng)4-1置于底座4-3上；將變溫杜瓦403設(shè)定在溫度 150K，待溫度穩(wěn)定后，記錄激光照射前待測(cè)樣品的溫度。接著將激光器3的激發(fā)功率設(shè)定在較高的數(shù)值 200毫瓦，將激光照射到置于變溫杜瓦403中的待測(cè)樣品401上，使得待測(cè)樣品401在激光照射下有足夠的溫升，藉此保證溫度定量測(cè)量的準(zhǔn)確性；斬波器2-2將入射激光斬波形成調(diào)制激光，經(jīng)過(guò)斬波器2-2的調(diào)制激光入射至樣品而產(chǎn)生光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)，調(diào)制激光的斬波器信號(hào)作為參考信號(hào)饋入鎖相放大器2-1的參考信號(hào)輸入端。光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)輸出到傅立葉變換紅外光譜儀1-1的探測(cè)器102，探測(cè)器的輸出信號(hào)饋入鎖相放大器2-1的輸入端，接著輸出到電路控制板103，而后進(jìn)入控制臺(tái)計(jì)算機(jī)1-2，從而獲得樣品的光調(diào)制熱發(fā)射譜。然后找出光調(diào)制熱發(fā)射譜的峰值位置，再根據(jù)維恩位移定律即可得到樣品在激光照射時(shí)的溫度，藉此獲得激光照射前后樣品的溫度差。利用傅里葉變換紅外光譜儀1-1測(cè)量置于變溫杜瓦403中的樣品401的反射光譜，獲得樣品吸收所占的比例。移開(kāi)底座4-3上的樣品測(cè)試系統(tǒng)4-1， 將功率測(cè)試系統(tǒng)4-2置于底座上；測(cè)量入射激光的功率即可獲得樣品吸收能量所對(duì)應(yīng)的功率，即可得出樣品的熱導(dǎo)率。根據(jù)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的一種基于步進(jìn)掃描傅立葉變換紅外光譜儀的紅外光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法和裝置，其步驟包括Si、將待測(cè)樣品置于變溫杜瓦中，設(shè)定溫度；記錄激光照射前樣品的溫度；S2、在激光入射光路中移入一個(gè)斬波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光進(jìn)行幅度調(diào)制；并在傅立葉變換紅外光譜儀的探測(cè)器和電路控制板間接入鎖相放大器，進(jìn)行相敏檢測(cè)；S3、將傅立葉變換紅外光譜儀置于步進(jìn)掃描狀態(tài)，適當(dāng)選取斬波器的調(diào)制頻率、鎖相放大器的靈敏度和采樣積分時(shí)間，開(kāi)始測(cè)量光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)；S4、光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)輸出到傅立葉變換紅外光譜儀的電路控制板，而后進(jìn)入控制臺(tái)計(jì)算機(jī)；S5、通過(guò)測(cè)量較高激發(fā)功率下樣品的光調(diào)制熱發(fā)射譜，獲得光譜的峰值位置，導(dǎo)出激光照射前后樣品的溫度差；S6、測(cè)量入射激發(fā)的功率，獲得樣品吸收能量所對(duì)應(yīng)的功率，得到樣品的熱導(dǎo)率。另外，所述的待測(cè)樣品為禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)小于入射激光波長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料，例如Ina54GEta46As材料。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是1、樣品不需要進(jìn)行前處理，實(shí)驗(yàn)裝置不需要改造，測(cè)量快捷無(wú)損，屬于非破壞性測(cè)量；2、探測(cè)靈敏度高、非常有利于半導(dǎo)體材料及低維結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性測(cè)量，尤其對(duì)于激光照射下樣品溫度的測(cè)量；3、得益于傅立葉變換頻率與激光調(diào)制頻率的截然分開(kāi)，鎖相放大器采樣時(shí)間常數(shù)的選取上限不再受限，尤其有利于對(duì)半導(dǎo)體材料中較弱的熱發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)。


圖1給出了基于光調(diào)制熱發(fā)射測(cè)量材料熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。圖中1是傅立葉變換紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，1-1是傅立葉變換紅外光譜儀，101是光干涉部件，102是探測(cè)器，103是電路控制板，1-2是控制臺(tái)計(jì)算機(jī)；圖中2是光調(diào)制裝置，2-1是鎖相放大器，2-2 是斬波器；圖中3是激光器；4-3是底座，4-1是樣品測(cè)試系統(tǒng)，401是待測(cè)樣品，402是熱沉， 403是變溫杜瓦，4-2是功率測(cè)試系統(tǒng)，404是功率探頭，405是控制器。圖2給出了測(cè)量的簡(jiǎn)要流程圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖1和圖2給出本發(fā)明的較好實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，能更好地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征和功能特點(diǎn)，而不是用來(lái)限定本發(fā)明的范圍。具體實(shí)施方案如圖1所示，基于光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的裝置包括-在該光譜儀1-1、計(jì)算機(jī)1-2和底座4-3之間接入光調(diào)制裝置2中的鎖相放大器2-1，以及在激光器3入射于底座4-3的通路上設(shè)置斬波器2-2，使之形成調(diào)制入射激光。更具體地說(shuō)， 本發(fā)明的步進(jìn)掃描光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的裝置，包括-傅立葉變換紅外光譜系統(tǒng)1，其具有傅立葉變換紅外光譜儀1-1和控制臺(tái)計(jì)算機(jī)1-2，與傅立葉變換紅外光譜儀1-1 中光干涉部件101聯(lián)結(jié)的探測(cè)器102，與控制臺(tái)計(jì)算機(jī)1-2相連接的電路控制板103 ；-激光器3，產(chǎn)生連續(xù)激光，激光波長(zhǎng)大于待測(cè)樣品的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)；-光調(diào)制裝置2， 其包括鎖相放大器2-1、斬波器2-2，斬波器2-2位于激光器3和底座4-3之間，將連續(xù)激光調(diào)制成調(diào)制激光入射到置于底座4-3上的樣品測(cè)試系統(tǒng)4-1，使待測(cè)樣品的光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，調(diào)制激光的調(diào)制頻率作為參考信號(hào)饋入鎖相放大器2-1的參考信號(hào)輸入端，鎖相放大器2-1的信號(hào)輸入端連接探測(cè)器102的輸出端，鎖相放大器2-1的輸出端與電路控制板103的輸入端相連接；-樣品/功率測(cè)試系統(tǒng)4，其包括樣品測(cè)試系統(tǒng)4-1、功率測(cè)試系統(tǒng)4-2、底座4-3，將放置待測(cè)樣品401和熱沉402的變溫杜瓦403置于底座4_3上， 藉此測(cè)量材料光調(diào)制熱發(fā)射譜，同時(shí)利用功率探頭404和控制器405測(cè)量入射激光的功率。其測(cè)試原理-如圖1所示，將樣品測(cè)試系統(tǒng)4-1置于底座4-3上，變溫杜瓦403的溫度設(shè)定為Tsrt。待溫度穩(wěn)定后，Tsrt即為激光照射前待測(cè)樣品的溫度。將入射激光功率設(shè)定較高功率( 200毫瓦)，使得待測(cè)樣品401在激光照射下有足夠的溫升，藉此保證溫度定量測(cè)量的準(zhǔn)確性。探測(cè)器102接受到的信號(hào)Id包括兩部分Id(S) = ΙΜΤΕ(δ)+Ι 背景(δ)(1)其中ΙΜΤΕ( δ )是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的來(lái)自待測(cè)樣品401在激光照射下的熱發(fā)射信號(hào)，IwΛ(δ)是室溫下背景熱輻射信號(hào)，在室溫下表現(xiàn)為一個(gè)10微米左右的一個(gè)寬峰。如果用連續(xù)掃描的方法測(cè)量，信號(hào)直接進(jìn)入電路控制板103。最終信號(hào)和通過(guò)
傅里葉變換得到的光譜為
權(quán)利要求
1.一種基于光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置，它包括傅立葉變換紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)(1)、光調(diào)制裝置(2)、激光器(3)和樣品/功率測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于-所述的傅立葉變換紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)(1)具有傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)和控制臺(tái)計(jì)算機(jī)(1-2)，與傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)中光干涉部件(101)聯(lián)結(jié)的探測(cè)器(102)，與控制臺(tái)計(jì)算機(jī)(1-2)相連接的電路控制板(103)；-所述的光調(diào)制裝置( 包括鎖相放大器(2-1)、斬波器0-2)；鎖相放大器(2-1)的信號(hào)輸入端連接探測(cè)器(10 的輸出端，鎖相放大器的輸出端與電路控制板(103)的輸入端相連接；-所述的激光器C3)產(chǎn)生連續(xù)激光，激光波長(zhǎng)大于待測(cè)樣品的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)；-所述的樣品/功率測(cè)試系統(tǒng)⑷包括樣品測(cè)試系統(tǒng)G-1)、功率測(cè)試系統(tǒng)G-2)、底座G-3)；放置待測(cè)樣品(401)和熱沉002)的變溫杜瓦003)；與功率探頭(404)相連接的控制器^)5)；測(cè)量時(shí)，首先將樣品測(cè)試系統(tǒng)(4-1)置于底座(4-3)上；將變溫杜瓦(403)設(shè)定在溫度 150Κ，待溫度穩(wěn)定后，記錄激光照射前待測(cè)樣品的溫度；將激光器C3)的激發(fā)功率設(shè)定在較高數(shù)值 200毫瓦，將激光照射到置于變溫杜瓦003)的待測(cè)樣品(401)上，使得待測(cè)樣品(401)在激光照射下有足夠的溫升，藉此保證溫度定量測(cè)量的準(zhǔn)確性；斬波器(2-2)將入射激光斬波形成調(diào)制激光，經(jīng)過(guò)斬波器0-2)的調(diào)制激光入射至待測(cè)樣品而產(chǎn)生光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)，調(diào)制激光的斬波器信號(hào)作為參考信號(hào)饋入鎖相放大器的參考信號(hào)輸入端；光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)輸出到傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)的探測(cè)器(102)，探測(cè)器(102) 的輸出信號(hào)饋入鎖相放大器的輸入端，鎖相放大器信號(hào)輸出到電路控制板(103)，而后進(jìn)入控制臺(tái)計(jì)算機(jī)(1- ，從而獲得樣品的光調(diào)制熱發(fā)射譜；然后找出光調(diào)制熱發(fā)射譜的峰值位置，再根據(jù)維恩位移定律即可導(dǎo)出待測(cè)樣品在激光照射時(shí)的溫度；藉此獲得激光照射前后樣品的溫度差；利用傅里葉變換紅外光譜儀(1-1)測(cè)量置于變溫杜瓦(403)中的樣品001)的反射光譜，獲得樣品吸收所占的比例；移開(kāi)底座(4-3)上的樣品測(cè)試系統(tǒng)G-1)，將功率測(cè)試系統(tǒng)(4-2)置于底座上；利用功率探頭(404)測(cè)量入射激光的功率，即可獲得樣品吸收能量所對(duì)應(yīng)的功率，藉此導(dǎo)出樣品的熱導(dǎo)率。
2.一種基于權(quán)利要求1所述測(cè)量裝置的材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟··51、將待測(cè)樣品置于變溫杜瓦中，設(shè)定溫度；記錄激光照射前樣品的溫度；·52、在激光入射光路中移入一個(gè)斬波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光進(jìn)行幅度調(diào)制；并在傅立葉變換紅外光譜儀的探測(cè)器和電路控制板間接入鎖相放大器，進(jìn)行相敏檢測(cè)；·53、將傅立葉變換紅外光譜儀置于步進(jìn)掃描狀態(tài)，適當(dāng)選取斬波器的調(diào)制頻率、鎖相放大器的靈敏度和采樣積分時(shí)間，開(kāi)始測(cè)量光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)；·54、光調(diào)制熱發(fā)射信號(hào)輸出到傅立葉變換紅外光譜儀的電路控制板，而后進(jìn)入控制臺(tái)計(jì)算機(jī)；·55、通過(guò)測(cè)量較高激發(fā)功率下樣品的光調(diào)制熱發(fā)射譜，獲得光譜的峰值位置，導(dǎo)出激光照射前后樣品的溫度差；S6、測(cè)量入射激光的功率，獲得樣品吸收能量所對(duì)應(yīng)的功率，導(dǎo)出樣品的熱導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量材料熱導(dǎo)率的方法和裝置，該裝置包括傅立葉變換紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)、作為加熱源的激光器、以及聯(lián)結(jié)傅立葉變換紅外光譜儀中探測(cè)器與電路控制板的鎖相放大器、置于樣品/功率測(cè)試系統(tǒng)與激光器之間光路上的斬波器。該方法使用上述裝置進(jìn)行光調(diào)制熱發(fā)射譜測(cè)量，能準(zhǔn)確確定激光照射前后樣品的溫度，從而獲得樣品的熱導(dǎo)率。本發(fā)明具有快速、非接觸、便捷的優(yōu)點(diǎn)，適用于半導(dǎo)體光電材料熱特性的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102226775SQ201110063630
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者呂翔, 褚君浩, 邵軍, 郭少令, 陸衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所