大功率器件及材料的熱特性表征技術(shù)研究進(jìn)展

郭懷新，黃語恒，黃宇龍，陶 鵬，孔月嬋，李忠輝，陳堂勝

(1.南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，江蘇 南京 210016)(2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室，上海 200240)

1 前 言

隨著半導(dǎo)體器件的功率、射頻、集成度的不斷提高，產(chǎn)生的高功耗會使器件芯片的工作溫度急劇增加，近而導(dǎo)致器件性能及可靠性等指標(biāo)的迅速惡化，尤其是對以氮化鎵(GaN)為代表的第三代功率器件來講，其熱效應(yīng)導(dǎo)致其大功率性能優(yōu)勢遠(yuǎn)未充分發(fā)揮，這也對大功率器件的熱管理提出了越來越高的要求[1-3]?？梢哉f，熱管理已經(jīng)成為制約以GaN為代表的大功率器件進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的最大瓶頸，而器件的熱管理技術(shù)包括散熱材料及對應(yīng)的器件工藝兼容性開發(fā)和評估，從材料角度來講，器件自身材料的熱特性評估則貫穿于器件熱管理開發(fā)的整個過程，是表征和指導(dǎo)散熱技術(shù)優(yōu)化和設(shè)計的重要途徑；而從器件角度來講，器件溫度是影響其性能的重要因素之一，是對器件壽命及可靠性評估的主要方法[3-5]。因此，隨著以氮化物為代表的第三代功率半導(dǎo)體技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，大功率器件及材料的熱特性表征技術(shù)已成為器件熱管理技術(shù)的重要研究熱點之一。

目前，功率器件熱管理技術(shù)已由傳統(tǒng)的系統(tǒng)級向封裝級和芯片級方向發(fā)展。系統(tǒng)級和封裝級熱管理由于尺寸的宏觀性，其熱管理材料的熱特性測試評估技術(shù)十分完善；而芯片級熱管理由于涉及芯片結(jié)構(gòu)和材料的微納尺寸維度，其熱管理過程中涉及的熱特性評估由單純的系統(tǒng)級材料散熱能力表征擴展到對器件結(jié)溫、界面熱阻及微納薄膜熱導(dǎo)率等熱性能的表征[1-7]。由于功率器件芯片級散熱技術(shù)的開發(fā)較晚，導(dǎo)致熱管理過程中涉及的微納薄膜熱導(dǎo)率、界面熱阻和器件結(jié)溫等熱特性的精確表征技術(shù)的研究較為滯后，已成為芯片級熱管理領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題。

2 半導(dǎo)體外延薄膜及界面材料熱性能表征

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體功率芯片的材料組成包含襯底層和GaN外延功能層，其功能層因不同的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計而不一致，但其外延層材料厚度在幾十納米至幾個微米之間，且器件的熱源區(qū)位于功能外延層中，其外延材料的傳熱能力嚴(yán)重影響到器件性能和可靠性。同時，在器件封裝級和芯片級熱管理開發(fā)過程中不可避免地遇到納米級或微米級的異質(zhì)界面，該界面的傳熱能力也嚴(yán)重制約器件的散熱能力。但目前針對半導(dǎo)體器件尤其是GaN器件的外延薄膜及界面材料熱性能研究報道較少，這是由于適合于熱測試技術(shù)的樣品制備困難，且微納尺度薄膜材料的測試技術(shù)也未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用到半導(dǎo)體微納材料熱物性測試中的有時域熱反射法(time-domain thermorelectance, TDTR)、3ω法、基于拉曼光譜的微橋法和基于拉曼光譜仿真擬合法。

2.1 TDTR測試法

TDTR是基于飛秒激光的時間分辨率泵浦-探測技術(shù)，于80年代開發(fā)的測試途徑，但直到90年代才公布其詳細(xì)的測試方案。其原理是利用飛秒激光對樣品進(jìn)行加熱，在ps級時間內(nèi)用探測光對樣品表面的反射率進(jìn)行測量，利用表面反射率隨時間的變化來獲取溫度變化趨勢從而獲取材料的熱學(xué)性質(zhì)，如圖1a和1b所示[8, 9]。該測試技術(shù)的優(yōu)勢是采用飛秒激光探測，時間分辨率高，不僅可以測試薄膜熱導(dǎo)率還可以測試其界面熱阻；但由于待測樣品表面需要蒸鍍吸熱層導(dǎo)致其測試精確性受影響，且測試臺需自行搭建，測試復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性較差。該技術(shù)的難點是測試光學(xué)平臺的合理搭建和吸熱層的控制，目的是提升測試精度。目前，以美國DARPA為主的芯片級熱管理項目中多采用該測試技術(shù)進(jìn)行分析，主要用于超薄薄膜的表征和界面熱阻的測試。2015年，Cho等利用該測試技術(shù)對化學(xué)氣相沉積法生長的AlGaN勢壘層的熱性能進(jìn)行分析，測試得到其熱導(dǎo)率為(16.6±3.2)W/(m·K)，如圖1c和1d所示[2]。

圖1 時域熱反射測試技術(shù)：(a)系統(tǒng)[9]，(b)結(jié)構(gòu)，(c) AlGaN樣品的SEM照片[2]，(d) AlGaN勢壘層的熱性能測試結(jié)果[2]Fig.1 Time-domain thermoreflectance technology: (a) test system[9], (b) structure, (c) SEM image of AlGaN sample[2], (d) test result of thermal performance of AlGaN barrier layer[2]

2.2 3ω測試法

3ω測試法是80年代末提出的一種用于塊體材料的熱導(dǎo)率測試技術(shù)，隨著測量手段的發(fā)展和進(jìn)步，已擴展到微米級薄膜材料的熱導(dǎo)率測量。如圖2a所示，其原理是通過電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，對待測材料施加以ω頻率震蕩的交流電，使加熱功率以2ω頻率震蕩，溫度和電阻也以2ω頻率震蕩，反饋出3ω的電壓信號，近而獲得待測材料的熱學(xué)性質(zhì)[7, 10]。該測試技術(shù)的優(yōu)勢是將熱學(xué)信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電學(xué)信號，易于獲取和處理；但卻受限于加熱頻率范圍，熱穿透深度大，對10 μm以上的薄膜材料測試更為準(zhǔn)確，同時需制備電極，增加了測試誤差。該技術(shù)的難點是如何有效設(shè)計電極和通過工藝控制附加熱阻，使電極的自身熱影響降低到最低。因此，利用該技術(shù)針對半導(dǎo)體器件薄膜材料熱導(dǎo)率測試的報道并不多，Liu等利用該測試方法對藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的GaN薄膜層和不同Al摻雜含量的AlxGa1-xN薄膜進(jìn)行評估，其中GaN層的厚度為18.5 μm，AlxGa1-xN層厚度在0.3～0.7 μm之間，測試結(jié)果如圖2b所示，GaN外延層的熱導(dǎo)率測試值隨溫度的變化規(guī)律符合理論變化，而AlxGa1-xN的熱導(dǎo)率整體略高于文獻(xiàn)報道的均值水平[11]。

圖2 3ω測試技術(shù)：(a)結(jié)構(gòu)示意圖[10]， (b) GaN薄膜和不同Al摻雜含量的AlxGa1-xN薄膜的熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線[11]Fig.2 3ω test technology: (a) schematic of the test structure[10]，(b) variation curves of thermal conductivity of GaN film and different Al-doped AlxGa1-xN films with temperature[11]

2.3 基于拉曼光譜微橋法

基于拉曼光譜的微橋測試方法是近幾年由University of Bristol、Element Six Technologies和University of Ulm等大學(xué)和研究機構(gòu)合作開發(fā)，用于測試金剛石薄膜和GaN器件集成散熱技術(shù)中的金剛石多晶外延薄膜的熱導(dǎo)率。其原理是吸取微橋法的測試結(jié)構(gòu)和優(yōu)點，結(jié)合拉曼光譜法測試出熱源中心區(qū)域的溫度分布，并利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行擬合求得其待測薄膜熱導(dǎo)率(圖3a)[12]。圖3b和3c為設(shè)計的微橋結(jié)構(gòu)的正面和側(cè)面示意圖，其襯底刻蝕尺寸決定了測試精度，一般選取1000 μm×250 μm的刻蝕結(jié)構(gòu)，且在薄膜中心表面蒸鍍線性熱源[5, 12, 13]。該方法的優(yōu)勢是拉曼光譜的分辨率高，可精確測試出其熱源區(qū)的溫度分布，利用不同熱源功率，結(jié)合仿真計算，擬合的熱導(dǎo)率可直觀反映出其偏離度和精確性；缺陷是測試結(jié)構(gòu)制備困難，受襯底刻蝕工藝的限制，同時僅適合各項同性薄膜材料的熱性能測試。該表征技術(shù)的難點是需要結(jié)合熱仿真計算進(jìn)行擬合，對測試人員的專業(yè)水平要求較高。目前該技術(shù)多應(yīng)用于半導(dǎo)體器件熱管理開發(fā)中薄膜材料的熱導(dǎo)率測試，2015年Anaya等[5]利用該測試方法，對Si襯底上微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)外延生長的金剛石多晶薄膜進(jìn)行測試研究，為了提升測試精度，在金剛石薄膜測試點生長Si納米線，結(jié)果表明金剛石多晶薄膜厚度為680 nm時，其熱導(dǎo)率為(75±5)W/(m·K)，如圖3d所示。

2.4 基于拉曼光譜-仿真擬合技術(shù)

基于拉曼光譜-仿真擬合技術(shù)的開發(fā)主要是對半導(dǎo)體器件的界面熱阻進(jìn)行表征，其原理是基于拉曼光譜測試出界面層兩側(cè)材料的溫度分布，并結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行擬合求得其待測界面的熱阻，如圖4a和4b所示[6]。該技術(shù)的優(yōu)勢是可以借助拉曼光譜技術(shù)直接得到界面兩側(cè)的溫度，空間分辨率高，直接體現(xiàn)為溫度測試精度高；再結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)擬合，其測試方法簡單，可直接對GaN器件中的界面熱阻進(jìn)行測試，更直觀經(jīng)濟(jì)，且是無損檢測，實用性強。但該表征技術(shù)存在一定局限性，測試材料受到拉曼光譜的限制，即所采用的拉曼光需對界面及兩側(cè)的材料具有一定穿透性，GaN和GaAs等半導(dǎo)體材料即可滿足該拉曼測試要求。因此，目前國際上先進(jìn)的芯片級熱管理研發(fā)機構(gòu)多采用該方法對器件的熱阻進(jìn)行測試分析。Pomeroy等[14]利用該測試技術(shù)分析了金剛石和GaN芯片近結(jié)集成的界面熱阻，如圖4c所示，依據(jù)測試得到GaN層和Diamond層熱分布，進(jìn)一步擬合可得GaN-Diamond界面熱阻為27(m2·K)/GW，為集成鍵合工藝的進(jìn)一步優(yōu)化作指導(dǎo)。

圖3 基于拉曼光譜微橋法： (a)原理示意圖[12]， (b)微橋結(jié)構(gòu)正面示意圖[12]，(c)微橋結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖[5]，(d) 金剛石多晶薄膜熱導(dǎo)率測試結(jié)果分析[5]Fig.3 Raman thermography assisted by micro-bridge method: (a) schematic of test principle[12], (b) frontal[12] and (c) side[5] schematic of micro-bridge structure, (d) analysis of thermal conductivity of diamond polycrystalline films[5]

圖4 基于拉曼光譜-仿真擬合技術(shù)：(a)界面熱阻測試結(jié)構(gòu)[6]，(b)界面熱阻測試原理[14]，(c)GaN/Diamond界面熱阻結(jié)果分析[6]Fig.4 Raman thermography assisted by simulation fitting technology:(a)test structure of interface thermal resistance[6]，(b)theory of interface thermal resistance[14]，(c)result analysis of GaN/Diamond interface thermal resistance[6]

3 器件結(jié)溫表征技術(shù)

功率器件的溫升嚴(yán)重影響其性能和可靠性，對功率器件自身材料進(jìn)行熱特性表征可以優(yōu)化和指導(dǎo)熱管理技術(shù)的開發(fā)，但無法反映器件整體的散熱能力及其對器件性能的影響。因此，開展功率器件的結(jié)溫測試對器件的應(yīng)用極為重要，目前針對功率器件的結(jié)溫測試方法較多，應(yīng)用較為廣泛的為電學(xué)法、紅外熱成像法和拉曼光譜法。

3.1 電學(xué)法

電學(xué)法的本質(zhì)是基于器件的溫度敏感性參數(shù)(TST)，針對GaN功率器件其原理是利用器件結(jié)溫的電壓和溫度的線性關(guān)系(為K系數(shù)，單位K/mV)，通過靜態(tài)法或動態(tài)電學(xué)測試途徑，結(jié)合計算得到器件在不同功率下的實際結(jié)溫，如圖5a所示[4]。該表征方法的優(yōu)勢是技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)便捷，然而通過測試計算得到的溫度為平均溫度，且器件自身熱阻的影響會導(dǎo)致測試精度變差，故僅能作為器件整體結(jié)溫的評估。該技術(shù)的難點是線性K系數(shù)的標(biāo)定，K系數(shù)的線性特征是假定測試電流為恒定的情況下得到，然而因器件自熱特性導(dǎo)致電流難以恒定，因此不同電流情況下的K系數(shù)會發(fā)生變化。目前該測試技術(shù)多應(yīng)用于半導(dǎo)體器件產(chǎn)品的結(jié)溫和結(jié)-殼熱阻的評估上，極少用于器件熱管理開發(fā)中。如Sommet 等[15]利用該技術(shù)對GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)環(huán)境溫度對器件自熱效應(yīng)的影響進(jìn)行了分析；Mohammad等[16]利于該技術(shù)測試了0.15 μm 柵長GaN HEMT器件的結(jié)溫在不同直流功率下的變化，并對K系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，如圖5b所示。

圖5 電學(xué)法：(a)測試步驟[4]，(b)K系數(shù)結(jié)果分析[16]Fig.5 Electrical method: (a) test process[4],(b)result analysis of K coefficient[16]

3.2 紅外熱成像法

紅外熱成像法的本質(zhì)是基于材料因熱產(chǎn)生紅外輻射，其原理是紅外檢測儀器通過光學(xué)系統(tǒng)將被測樣品表面的紅外輻射接收并聚焦在紅外探測器上，且把目標(biāo)的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成便于直接處理的電信號，并經(jīng)放大處理，近而以二維熱圖像的形式顯示被測試樣品表面的溫度值或溫度場分布[3, 17, 18]，如圖6a所示。其優(yōu)勢是該表征技術(shù)可測試二維平面熱分布，且已形成固定的測試設(shè)備和規(guī)范，過程便捷、經(jīng)濟(jì)。然而，其測試精度受發(fā)射率和光路散熱因素影響，難以消除；且空間分辨率因紅外波

段自身的限制，大于3 μm，導(dǎo)致測試得到的溫度為區(qū)域平均溫度，目前難以滿足GaN功率器件對1 μm內(nèi)空間分辨率的要求。但由于該技術(shù)的成熟度高、便捷性好等優(yōu)勢，也被廣泛用于半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱評估和熱管理開發(fā)中。如Hirama等[17]利用該技術(shù)對比了SiC襯底上和開發(fā)的Diamond襯底上的GaN芯片在相同功率密度下的結(jié)溫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率密度為3.2 W/mm時，Diamond襯底GaN的芯片結(jié)溫下降了27.8%，如圖6b所示，可以看出測試結(jié)果直觀地體現(xiàn)了器件表面的二維溫度分布。

圖6 紅外熱成像法： (a)原理示意圖， (b) Hirama等測試的不同襯底上的GaN芯片在相同功率密度下的結(jié)溫[17]Fig.6 IR imaging method: (a) schematic of test principle, (b) junction temperature of GaN on different substrates at the same power density tested by Hirama et al. [17]

3.3 拉曼光譜法

拉曼光譜測溫技術(shù)是21世紀(jì)初由英國布里斯托大學(xué)Kuball教授研究團(tuán)隊[19]首先應(yīng)用于GaAs、GaN等微波功率器件的測試方法，現(xiàn)已建立成熟的結(jié)溫測量體系。其原理是基于半導(dǎo)體材料的晶格振動頻率會隨溫度變化而變化，即可通過測量其材料拉曼峰的改變來表征被測器件或材料聚焦區(qū)域的溫度[19, 20]，如圖7a和7b所示。該測試技術(shù)的優(yōu)勢是具有較高的空間分辨率(可達(dá)0.5 μm)，同時對于透明材料可進(jìn)行三維空間的溫度分布測試，這是其他方法不具備的特色。該方法缺陷是測試成熟度低，只能進(jìn)行點測試，尚未形成專有測試設(shè)備，且對測試過程中操作人員的操作水平和專業(yè)水平要求較高[19-22]。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的熱管理開發(fā)中的熱特性表征，Hodges等[19]基于該技術(shù)對GaN 芯片近結(jié)區(qū)域的熱分布進(jìn)行了分析，測試出芯片熱源區(qū)三維方向的溫度分布及梯度(圖7c)；而Power等[21]則利用該技術(shù)測試出GaN有源區(qū)的水平方向溫度分布(圖7d)，分析了不同深度GaN層的溫度情況，同時對比仿真結(jié)果更為精確地分析了GaN器件有源區(qū)域的溫度分布情況。

圖7 拉曼光譜法：(a)系統(tǒng)示意圖[19]， (b)原理[20]，(c) Hodges 等測試的GaN芯片熱源區(qū)三維方向的溫度分布及梯度[19]，(d) Power等測試的GaN有源區(qū)的水平方向溫度分布[21]Fig.7 Raman thermography method: (a) schematic of test system[19], (b) theory[20], (c) temperature distribution and gradient in three dimensional direction of GaN heat source region tested by Hodges et al.[19], (d) horizontal temperature distribution in GaN active zone tested by Power et al.[21]

4 結(jié) 語

基于半導(dǎo)體功率器件對芯片級熱管理開發(fā)的迫切需求，人們進(jìn)而對器件及材料熱特性的評估技術(shù)提出了更高要求。目前半導(dǎo)體外延材料界面熱阻的測試方法主要有時域激光熱反射、基于拉曼光譜的微橋法和基于拉曼光譜-仿真擬合技術(shù)，其中時域激光熱反射技術(shù)的光路平臺搭建極為復(fù)雜；基于拉曼光譜的表征技術(shù)的樣品制備困難，且在測試過程中需要較高的熱領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)。因此，如何固化測試流程、簡化測試過程、統(tǒng)一測試規(guī)范是未來研究面臨的極大挑戰(zhàn)。而針對器件結(jié)溫測試技術(shù)，從產(chǎn)品散熱能力評估方面，電學(xué)法和紅外熱成像法可以滿足生產(chǎn)應(yīng)用的要求；但從高集成度、高功率密度器件的研發(fā)和熱管理技術(shù)開發(fā)方面，仍然需要借助拉曼光譜測試技術(shù)，因其高空間分辨率和三維測試特性使其滿足現(xiàn)有功率器件的發(fā)展要求，但該技術(shù)依然處于實驗室的自建平臺表征階段，并無規(guī)范性和統(tǒng)一性；因此，該技術(shù)可挖掘的潛力巨大，是未來高集成度芯片級熱評估的重要途徑。