近日，武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組在國際權(quán)威期刊《Journal of Applied Physics》上，以“A review of thermoreflectance techniques for characterizing wide bandgap semiconductors‘ thermal properties and devices’ temperatures”為題總結(jié)討論了熱反射表征技術(shù)(Thermoreflectance techniques)在寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。
隨著寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體器件的功率日益增大，器件散熱問題逐漸成為工業(yè)界的巨大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體材料熱物性是反映器件散熱能力最直接的參數(shù)，而器件結(jié)溫是評(píng)估熱可靠性和壽命的關(guān)鍵參數(shù)，因此，熱物性和結(jié)溫檢測成為寬禁帶半導(dǎo)體器件研發(fā)和生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。寬禁帶半導(dǎo)體器件普遍由薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，薄膜尺寸幾十納米到幾微米 ( 如圖1)，因此，要求熱物性檢測技術(shù)具有納微米級(jí)分辨率。傳統(tǒng)的檢測方法如穩(wěn)態(tài)熱板法、瞬態(tài)熱線法、激光閃射法等，都不能滿足分辨率的要求。3-omega方法雖然達(dá)到了分辨率的要求，但是需要在材料表面進(jìn)行復(fù)雜的微加工，使得測試流程復(fù)雜且對(duì)材料表面質(zhì)量要求過高。另一方面，寬禁帶半導(dǎo)體器件溝道尺寸小(亞微米級(jí))且常常在高頻工況下(GHz級(jí))運(yùn)行，要求結(jié)溫測試方法需滿足高空間分辨率和高時(shí)間分辨率。
圖1：幾種典型的寬禁帶器件結(jié)構(gòu)：(a) 氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT); (b) 氧化鎵場效應(yīng)管(β-Ga2O3 FET); 以上典型結(jié)構(gòu)說明器件內(nèi)存在大量微納結(jié)構(gòu)和異質(zhì)界面
近幾十年，以熱反射(Thermoreflectance)為測試原理，國際上開發(fā)并發(fā)展了多種泵浦-探測熱反射技術(shù)(Pump-probe thermorefletance), 實(shí)現(xiàn)了納微米級(jí)分辨率測試能力，廣泛應(yīng)用于寬禁帶半導(dǎo)體材料的熱物性檢測?；谙嗤?，國際上同期開發(fā)了一種熱反射成像技術(shù)(Transient thermoreflectance imaging)，實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)時(shí)間分辨率和納米級(jí)空間分辨率的測溫能力，同樣廣泛應(yīng)用于寬禁帶半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)結(jié)溫檢測。本文重點(diǎn)介紹了熱反射現(xiàn)象和原理，在此基礎(chǔ)之上，總結(jié)和討論了多種泵浦-探測熱反射技術(shù)，包括時(shí)域熱反射法(Time-domain thermoreflectance), 頻域熱反射法(Frequency-domain thermoreflectance), 瞬態(tài)熱反射法(Transient thermoreflectance)和穩(wěn)態(tài)熱反射法(Steady-state thermoreflectance)?？偨Y(jié)了這些方法針對(duì)常見寬禁帶半導(dǎo)體材料的檢測應(yīng)用，包括氮化鎵薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)(GaN-based structure)、氧化鎵薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)(β-Ga2O3-based structure)、金剛石薄膜、合金材料(如鈧摻氮化鋁ScAlN, 鋁摻氮化鎵AlGaN)以及寬禁帶二維材料(如六方氮化硼h-BN)等，并全面總結(jié)了所有材料的熱物性報(bào)道值(部分結(jié)果見本報(bào)道圖2，詳細(xì)結(jié)果見全文)。
圖2：氮化鎵薄膜的熱導(dǎo)率報(bào)道值；全文中還詳細(xì)總結(jié)了氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)、氧化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)、金剛石薄膜和寬禁帶合金材料的熱物性報(bào)道值(熱導(dǎo)率、界面熱阻)
本文還重點(diǎn)比較了不同泵浦-探測熱反射技術(shù)的特點(diǎn)。在所有方法中，時(shí)域熱反射法發(fā)展最早且較為成熟，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛；而頻域熱反射法和瞬態(tài)熱反射法因具有和時(shí)域熱反射法相似的分辨率和測試精度，也逐漸被認(rèn)可，且已實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。值得注意的是，瞬態(tài)熱反射法(如圖3)，相比時(shí)域熱反射法，搭建成本大幅度減低，測試分析速度更快，操作更為簡便，因而具有在半導(dǎo)體產(chǎn)線上的應(yīng)用潛力。另外，本文也總結(jié)討論了熱反射成像技術(shù)以及它在寬禁帶器件測溫方面的應(yīng)用。
圖3：傳統(tǒng)的瞬態(tài)熱反射法(TTR)系統(tǒng)示意圖
常規(guī)的泵浦-探測熱反射技術(shù)和熱反射成像技術(shù)需要借助金屬薄膜進(jìn)行測試。對(duì)于泵浦-探測熱反射技術(shù)，在檢測之前需在材料表面鍍一層薄膜金屬(如金、鋁)，使得材料破壞，屬于破壞性檢測；對(duì)于熱反射成像技術(shù)，溫度檢測區(qū)域集中在器件金屬電極，而不是器件溝道處，導(dǎo)致溫度測試結(jié)果往往低估真實(shí)器件結(jié)溫。
本文介紹了近幾年一些學(xué)者(包括袁超研究員)對(duì)傳統(tǒng)泵浦-探測熱反射技術(shù)的改進(jìn)，發(fā)展了免金屬鍍膜的泵浦-探測熱反射技術(shù)(Transducer-less thermoreflectance)，以實(shí)現(xiàn)在氮化鎵外延、硅等材料的無損測試，為材料研發(fā)提供快速反饋，提升研發(fā)和生產(chǎn)效率、降低成本，并有望為半導(dǎo)體產(chǎn)線提供實(shí)時(shí)監(jiān)測，使“邊生長，邊觀測，邊調(diào)控”成為可能。此外，介紹了熱反射溝道結(jié)溫直接測試技術(shù)以及它在氮化鎵HEMTs器件上的應(yīng)用。
圖4：免金屬鍍膜的瞬態(tài)熱反射法(TTR)系統(tǒng)示意圖
1、Chao Yuan*, Riley Hanus, Samuel Graham, A review of thermoreflectance techniques for characterizing wide bandgap semiconductors thermal properties and devices temperatures, Journal of Applied Physics, 132(22):220701, 2022.
2、論文第一作者和通訊作者為袁超研究員，合作作者來自美國佐治亞理工學(xué)院的Riley Hanus博士和 美國馬里蘭大學(xué)的Samuel Graham教授。
3、鏈接：https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0122200
課題組主頁：http://jszy.whu.edu.cn/yuanchao
袁超研究員長期從事寬禁帶半導(dǎo)體熱表征和熱管理研究工作。曾先后加入英、美知名大學(xué)寬禁帶研究團(tuán)隊(duì)從事科學(xué)研究。在薄膜尺度熱反射表征方法、聲子熱輸運(yùn)理論、以及(超)寬禁帶半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和科研特色，并致力于開發(fā)半導(dǎo)體無損熱檢測裝備?，F(xiàn)承擔(dān)多個(gè)國家/省部/國際合作級(jí)重大戰(zhàn)略需求的縱向科研項(xiàng)目，在高影響力期刊上（包含 Materials Today Physics, Communications Physics，Appl. Phys. Lett.等）發(fā)表多篇論文。此外，長期和國內(nèi)外知名半導(dǎo)體集成電路企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作。
（來源：DT半導(dǎo)體）
