基于泵浦探测拉曼光谱的半导体导热系数测试装置

1.本专利涉及一种半导体导热系数的测试技术和实验装置，具体是基于泵浦-探测拉曼光谱测量半导体导热系数的方法和装置。


背景技术：

2.半导体的导热系数是一个重要热学性能参数，直接关系到所制成半导体器件的散热和功率处理能力。尤其随着微电子/光电器件的高速、高集成发展，单元尺寸的急剧降低对从半导体材料的导热性能提出了高的要求。因而测量微尺度半导体的导热系数就成为重要的技术问题。
3.目前导热系数主要分为间接测量和直接测量。前者通过测量出与导热系数相关的其他物理量再获得导热系数，比如激光法便是获得材料的扩散系数，再结合材料密度和比热值计算出导热系数。因此导热系数的准确度就同这三个物理量的测量准确度直接相关。而后者则根据导热系数定义测量材料的热量和温度梯度来计算出导热系数，典型的如稳态法，但面临实验条件复杂、需与样品热接触等局限。这就难以用于微尺度半导体导热系数的可靠测量。
4.半导体吸收能量大于禁带宽度的光子。通常半导体光致发光效率极低，尤其在近室温条件下，光致发光辐射能量可忽略不计。因此半导体所吸收的光子转化为热量，形成样品的加热效应。拉曼光谱的反斯托克斯峰和斯托克斯峰强度比值是反映样品温度的重要参数。利用该特性进行温度测量是一种自参考测量，极大程度避免激光强度起伏，收集系统和光路校准的影响。
5.基于这些特性，本专利公开一种基于泵浦-探测拉曼光谱的半导体导热系数测试方法和装置。具体地，通过系列光学元件的模式切换，分别测量出半导体的泵浦激光反射率和不同泵浦功率下的拉曼光谱变化，获得由于激光加热导致的微小温度变化，由此计算出半导体的导热系数。


技术实现要素：

6.本专利具有便捷、无损、非接触等优点，非常适用于微小尺寸光电材料热学性质检测。本专利装置包括泵浦源激发和探测子系统、泵浦激光光斑调节子系统、样品与参考平面的温度控制子系统、拉曼激发与收集子系统、光谱测量子系统、光学元件切换控制部件以及计算机中控。本专利方法使用上述装置进行激发光反射率和泵浦-探测拉曼光谱测量，能够准确获取泵浦加热导致的半导体温度变化，从而测量出导热系数。装置子系统具体说明如下：
7.泵浦源激发和探测子系统1，包括第一连续激光器101、窄带通滤光片102、光学扩束器103、直角平面反射镜104、光学衰减片105和第一光电探测器106；
8.泵浦激光光斑调节子系统2，包括激光反射镜201、引导光路202和可调焦距的激光聚焦透镜组203；
9.样品与参考平面的温度控制子系统3，包括光学恒温器301、待测样品302、参考平面镜303、高热导金属样品托304、温度传感器305以及温度显示器306；
10.拉曼激发与收集子系统4，包括第二连续激光器401、聚焦透镜402、具有沿聚焦方向小孔的抛物面反射镜403、抛物面反射镜404以及散射光引导光路405；
11.光谱测量子系统5，包括大面积平面反射501、光谱仪502、长波通滤光片503、窄带陷波滤光片504以及第二光电探测器505；
12.光学元件切换控制部件6控制激光反射镜201、金属样品托304和大面积平面反射镜501；
13.计算机中控7读取第一光电探测器106、第二光电探测器505和光谱仪502信号。
14.所述第一连续激光器101出射光子能量大于待测样品禁带宽度，作为泵浦光；所述第一光电探测器106探测波段覆盖激光波长范围；所述激光聚焦透镜组203具有可调焦距功能；所述待测样品302具有光滑平整表面且对泵浦光的透过率为零；所述参考平面镜303与待测样品302等厚且在泵浦激光波长有近100％反射率；所述第二连续激光器401产生光子能量小于第一连续激光器(101)出射光子能量；所述光谱仪(502)覆盖拉曼散射信号波段，可以但不限于傅里叶变换红外光谱仪和光栅光谱仪；所述长波通滤光片(503)截止波长位于第一连续激光器(101)出射波长和反斯托克斯散射光波长之间；所述窄带陷波滤光片(504)对应第二连续激光器(401)出射波长；所述第二光电探测器(505)覆盖拉曼散射信号波段。
15.根据所述装置，本专利给出测量半导体导热系数的方法，具体步骤如下：
16.s1.将待测样品(302)和参考平面镜(303)安装至样品托(304)上，设定恒温器(301)温度；
17.s2.通过切换控制部件(6)将激光反射镜(201)和大面积平面反射镜(501)设置到“关”状态；
18.s3.启动第一连续激光器(101)，通过切换控制部件(6)调节样品托(304)位置使泵浦激光光斑完全落于参考平面镜(303)上；
19.s4.通过计算机中控(7)记录第一探测器(106)输出信号；
20.s5.调节样品托(304)位置使泵浦激光光斑完全落于待测样品(302)上，再次记录第一探测器(106)输出信号，根据两次信号强度之比得到待测样品(302)对泵浦激光的反射率；
21.s6.通过切换控制部件(6)将激光反射镜(201)和大面积平面反射镜(501)设置到“开”状态，调节激光聚焦透镜组(203)改变聚焦焦距，使得泵浦光斑大小正好覆盖待测样品(302)表面，记录此时泵浦光功率；
22.s7.启动第二连续激光器(401)，使其出射激光辐照至待测样品(302)表面；
23.s8.由计算机中控(7)启动光谱仪(502)进行扫描，结合第二探测器(505)输出信号获得拉曼光谱，根据斯托克斯和反斯托克斯散射强度比值计算出待测样品(302)当前实际温度；
24.s9.改变泵浦激光器(101)输出功率，再次光谱扫描获得拉曼光谱并计算出待测样品(302)当前实际温度；
25.s10.根据泵浦激光反射率计算出两次实际泵浦功率变化，再结合实际温度变化由
导热系数定义公式计算出待测样品(302)的导热系数。
26.本专利的主要优点是：
27.1、样品不需要预处理，测量无损非接触，属于非破坏性测量；
28.2、激光光斑可聚焦至微米尺度，非常有利于微尺度半导体的热学特性测量；
29.3、拉曼光谱反斯托克斯和斯托克斯散射强度比值对温度变化具有很高灵敏性，非常有利于温度的微小变化；
30.4、可以测量出待测样品在不同温度下的导热系数。
附图说明
31.图1是一种基于泵浦-探测拉曼光谱的半导体导热系数测试装置的示意图。
32.其中101是出射光子能量大于待测样品禁带宽度的连续激光器、102为对应激光波长的窄带通滤光片、103为激光波长光学扩束器、104是直角平面反射镜、105是激光波长光学衰减片、106为探测范围覆盖激光波长的光电探测器；201是可电动移动的激光反射镜，具有“开”和“关”两种状态、202为由激光反射镜组成的引导光路、203为可调焦距的激光聚焦透镜组；301是光学恒温器、302是待测样品、303为与待测样品等厚的参考平面镜、304为可电动可移动的高热导金属样品托、305为温度传感器、306为与传感器相联的温度显示器；401是第二连续激光器、402为聚焦透镜、403为具有沿聚焦方向小孔的抛物面反射镜、404是抛物面反射镜、405是由若干平面反射镜组成的散射光引导光路；501是可电动移动的大面积平面反射镜，具有“开”和“关”两种状态、502为覆盖拉曼散射信号波段的光谱仪、503为长波通滤光片、504为窄带陷波滤光片、505为覆盖拉曼散射信号波段的第二光电探测器；6为光学元件切换控制部件；7为计算机中控。
33.图2是测量的简要流程图。
具体实施方式
34.具体的实施方案如附图1和附图2所示。下面根据附图对本专利予以详细描述，能更好地说明本专利的技术特征和功能特点，而不是用来限定本专利的范围。
35.首先根据附图1的光电逻辑设置好光学和电学元件。定义平面反射镜201和501置于光路中时为“开”状态，离开光路为“关”状态。光学元件切换控制部件6分别控制平面反射镜201和501以及样品托304的位置状态。计算机中控7读取光电探测器106和505以及光谱502信息。
36.测量时，先将待测样品302和参考平面镜303安装至光学恒温器301的样品托304上，保持二者表面平行。恒温器301内部为真空状态，设置测量所需的温度t0并保持样品托304温度稳定。样品托304温度由温度传感器305监测并由温度显示器306显示。
37.将反射镜201和501均设置到“关”状态，启动第一连续激光器101。调节扩束器103，使输出光斑直径尽可能充满光路的等效光瞳。此时激光经过直角平面反射镜104、引导光路405和抛物面镜403聚焦进入恒温器301。
38.移动样品托304，使激光光斑完全落于参考平面镜303上。此时反射激光通过抛物面镜404、引导光路405、直角平面反射镜104和光学衰减片105馈入第一光电探测器106。计算机7读取探测器106输出信号sg1。
39.再次移动样品托304，使激光光斑落于待测样品302表面上。计算机7读取此刻探测器106输出信号sg2。由sg2/sg1计算获得待测样品对泵浦激光的反射率。
40.将反射镜201和501均设置到“开”状态。此时泵浦激光经过引导光路202和聚焦透镜组203辐照于待测样品302表面。联合调节聚焦透镜组203等效焦距和样品托304位置，使泵浦光斑大小正好覆盖待测样品302表面。稳定后记录此时进入恒温器301前的泵浦光功率p1。
41.开启第二连续激光器401，使其出射激光经过透镜402和抛物面镜403的小孔辐照于待测样品302表面。激光器401的输出功率尽可能远小于激光器101的输出功率。
42.启动光谱仪502对由抛物面镜403和404收集的光信号进行光谱扫描，将信号经过长波通滤光片503和窄带陷波滤光片504后馈入第二探测器505。计算机7同步拾取光谱仪502和探测器505信号，获得来自待测样品302且包含斯托克斯和反斯托克斯散射峰的拉曼光谱。
43.提取出该拉曼光谱的是拉曼波数δδ、斯托克斯峰强度is和反斯托克斯散射强度i
as
。由以下公式计算出当前温度t1，
[0044][0045]
其中δ0是第二连续激光器401出射激光的波数，h是普朗克常数、c是真空光速，k是玻尔兹曼常数。
[0046]
改变第一连续激光器101输出功率，稳定后记录此时进入恒温器301前的泵浦光功率p2。再次测量拉曼光谱并根据光谱计算出此时待测样品的温度t2。
[0047]
由于待测样品302厚度远大于泵浦激光波长，不存在泵浦光透射。根据定义式，可得温度t0下的导热系数,
[0048][0049]
其中d为样品厚度，a为样品面积。在精确测量时，可通过测量多组泵浦功率和温度，通过建立功率-温度坐标的斜率关系来提升导热系数测量的精确度。

技术特征：
1.一种基于泵浦探测拉曼光谱的半导体导热系数测试装置，包括泵浦源激发和探测子系统(1)、泵浦激光光斑调节子系统(2)、样品与参考平面的温度控制子系统(3)、拉曼激发与收集子系统(4)、光谱测量子系统(5)、光学元件切换控制部件(6)以及计算机中控(7)；其特征在于：所述泵浦源激发和探测子系统(1)包括出射光子能量大于待测样品禁带宽度的第一连续激光器(101)、放置在第一连续激光器(101)激光器前透过波段对应激光波长的窄带通滤光片(102)、依次经过激光相应波长的光学扩束器(103)、直角平面反射镜(104)、激光相应波长的光学衰减片(105)和覆盖激光波长范围第一光电探测器(106)；所述泵浦激光光斑调节子系统(2)包括具有电动移动功能的激光反射镜(201)、由激光反射镜组成的引导光路(202)和可调焦距的激光聚焦透镜组(203)；所述样品与参考平面的温度控制子系统(3)包括光学恒温器(301)、放置在光学恒温器(301)中表面平整光滑的待测样品(302)、与待测样品等厚的参考平面镜(303)、具有电动可移动功能的高热导金属样品托(304)、置于样品托上的温度传感器(305)以及与传感器相联的温度显示器(306)；所述拉曼激发与收集子系统(4)包括产生光子能量小于第一连续激光器(101)出射光子能量的第二连续激光器(401)、激光对应波长的聚焦透镜(402)、具有沿聚焦方向小孔的抛物面反射镜(403)、抛物面反射镜(404)以及由若干平面反射镜组成的散射光引导光路(405)；所述光谱测量子系统(5)包括具有电动移动功能的大面积平面反射镜(501)、覆盖拉曼散射信号波段的光谱仪(502)、截止波长位于第一连续激光器(101)出射波长和反斯托克斯散射光波长之间的长波通滤光片(503)、对应第二连续激光器(401)出射波长的窄带陷波滤光片(504)以及覆盖拉曼散射信号波段的第二光电探测器(505)；所述泵浦源激发和探测子系统(1)与泵浦激光光斑调节子系统(2)、样品与参考平面的温度控制子系统(3)、拉曼激发与收集子系统(4)以及光谱测量子系统(5)光学相联；所述光学元件切换控制部件(6)与可电动移动激光反射镜(201)、金属样品托(304)和大面积平面反射镜(501)电学相联；所述计算机中控(7)与第一光电探测器(106)、第二光电探测器(505)和光谱仪(502)相联，读取探测器和光谱仪信号。

技术总结
本专利公开基于泵浦探测拉曼光谱的半导体导热系数装置。该装置包括泵浦源激发和探测子系统、泵浦激光光斑调节子系统、样品与参考平面的温度控制子系统、拉曼激发与收集子系统、光谱测量子系统、光学元件切换控制部件以及计算机中控。该方法使用上述装置进行激发光反射率和泵浦-探测拉曼光谱测量，能够准确获取泵浦加热导致的半导体温度变化，从而测量出导热系数。本专利具有便捷、无损、非接触等优点，非常适用于微小尺寸光电材料热学性质检测。测。测。


技术研发人员：邵军 陈熙仁 刘浩然
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/9/13