基于拉曼熱測量技術(shù)的銅基復(fù)合物法蘭GaN基晶體管的熱阻分析*

劉康 孫華銳 2)?

1) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)理學(xué)院,深圳 518055)

2) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳),工業(yè)和信息化部微納光電信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518055)

采用拉曼熱測量技術(shù)結(jié)合有限元熱仿真模型,分析比較新型銅/石墨復(fù)合物法蘭封裝與傳統(tǒng)銅鉬法蘭封裝的GaN器件的結(jié)溫與熱阻,發(fā)現(xiàn)前者的整體熱阻比銅鉬法蘭器件的整體熱阻低18.7%,器件內(nèi)部各層材料的溫度分布顯示銅/石墨復(fù)合物法蘭在器件中的熱阻占比相比銅鉬法蘭在器件中的熱阻占比低13%,這證明使用高熱導(dǎo)率銅/石墨復(fù)合物法蘭封裝提高GaN器件熱擴(kuò)散性能的有效性.通過對兩種GaN器件熱阻占比的測量與分析,發(fā)現(xiàn)除了封裝法蘭以外,熱阻占比最高的是GaN外延與襯底材料之間的界面熱阻,降低界面熱阻是進(jìn)一步提高器件熱性能的關(guān)鍵.同時(shí),詳細(xì)闡述了使用拉曼光熱技術(shù)測量GaN器件結(jié)溫和熱阻的原理和過程,展示了拉曼光熱技術(shù)作為一種GaN器件熱特性表征方法的有效性.

1 引 言

GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)得益于其高頻率響應(yīng)和高擊穿電壓特性,成為高頻和高功率等領(lǐng)域應(yīng)用的有力競爭者[1-6].近年來,GaN晶體管的功率密度得到顯著的提高[7],高功率密度會(huì)在器件溝道內(nèi)產(chǎn)生大量的焦耳熱[8],使得GaN器件的可靠性和器件性能降低[9-11].因此GaN器件的熱管理問題成為限制其在大功率、高頻率等領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的重要原因之一,也成為目前針對GaN器件可靠性方面的研究焦點(diǎn)[12,13].GaN器件的工作結(jié)溫由從外延層、成核層和襯底層到芯片黏連層、法蘭封裝材料等各層材料的熱擴(kuò)散性能決定.因此,準(zhǔn)確表征各層材料在器件中的熱阻占比對器件熱設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估非常重要.在上述各層熱阻中,GaN器件的近結(jié)熱阻受到材料本征熱輸運(yùn)性質(zhì)以及器件對材料厚度要求的限制,但可以通過成核層材料的生長條件調(diào)控GaN外延與襯底間的界面熱阻[14].另一方面,可以通過使用更高熱導(dǎo)率的法蘭材料減小封裝部分的熱阻,例如石墨與銅形成的復(fù)合材料具有與半導(dǎo)體材料相近的熱膨脹系數(shù)、較低的密度及較高的熱導(dǎo)率[15,16].其中,采用放電等離子或熱壓燒結(jié)制備出的銅/石墨復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)300—400 W/(m·K)[15,16],被視為非常有潛力的電子封裝材料.

本文通過拉曼熱測量技術(shù)準(zhǔn)確表征了熱壓燒結(jié)法制備的銅/石墨復(fù)合物法蘭封裝的GaN場效應(yīng)管在不同功率下的結(jié)溫,結(jié)合拉曼熱測試與有限元熱仿真結(jié)果的比對分析得到GaN器件的各層熱阻,并與由傳統(tǒng)銅鉬法蘭封裝的GaN器件進(jìn)行對比.結(jié)果發(fā)現(xiàn)由高熱導(dǎo)率銅/石墨復(fù)合物法蘭封裝的GaN器件的整體熱阻比由銅鉬法蘭封裝的GaN電子器件的整體熱阻低18.7%,從器件層面證明使用銅/石墨法蘭封裝降低GaN器件熱阻、提高熱擴(kuò)散能力的可行性.同時(shí),本文也闡明應(yīng)用拉曼熱測量技術(shù)結(jié)合熱仿真模型分析GaN電子器件各部分熱阻的具體方法和獨(dú)特優(yōu)勢.

2 GaN器件信息和拉曼熱測量技術(shù)

本文測量的器件是以SiC為襯底的GaN基微波晶體管,AlGaN/GaN外延的厚度為1.2 μm,SiC襯底的厚度為100 μm,在SiC襯底和GaN外延之間有20 nm的AlN成核層.銅/石墨法蘭是以天然鱗片石墨粉和純銅粉為原料,通過真空熱壓燒結(jié)制備而成,法蘭厚度為1 mm,用激光閃射法導(dǎo)熱儀測量的熱導(dǎo)率為300 W/(m·K),而對比器件的封裝是傳統(tǒng)常用的銅鉬法蘭,熱導(dǎo)率為167 W/(m·K).在法蘭和SiC襯底之間有 12 μm的AuSn合金黏附層.被測器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示.器件單指柵寬300 μm,總柵寬19.2 mm,柵極間距為38 μm和82 μm交替排列.雖然不同測試方法的測量機(jī)理不同,測量結(jié)果會(huì)有差異[17].但GaN電子器件的焦耳自生熱主要產(chǎn)生在柵極腳下靠近漏極一側(cè)的狹小空間內(nèi),通常只有微米尺度.因此在現(xiàn)代GaN電子器件熱阻的表征手段中,具有較高空間分辨率的拉曼熱測量和熱成像技術(shù)是相對較為成熟且準(zhǔn)確性相對較高的方法[17-21].

如圖1(a)所示,由于拉曼熱測量技術(shù)中所使用的532 nm激光可以穿透同為寬禁帶半導(dǎo)體的GaN和SiC,而且拉曼光譜具有材料選擇性,因此被測器件GaN外延層和SiC襯底層的拉曼峰信息可被同時(shí)提取.測量時(shí)激光透過數(shù)值孔徑NA=0.5的物鏡,聚焦在器件柵極腳下靠近漏極的一側(cè)的AlGaN/GaN表面,該區(qū)域電場強(qiáng)度最高,為溝道內(nèi)溫度最高的區(qū)域.拉曼熱測量技術(shù)的原理是利用被測材料的拉曼特征峰具有溫度依賴性,這是晶格常數(shù)隨著溫度變化而改變,而相應(yīng)的聲子振動(dòng)模式的頻率隨之改變產(chǎn)生的.對GaN和SiC來講,這種溫度依賴性在室溫以上是線性的,即GaN和SiC的拉曼特征峰會(huì)隨著溫度的升高呈現(xiàn)線性的偏移[22],通過偏移的波數(shù)值可以得到材料的溫度升高值.圖1(b)為被測器件在50 ℃和300 ℃下的拉曼光譜,包括GaN外延的E2(high)和A1(LO)峰,以及SiC襯底的FTO峰,可以看到GaN和SiC的特征峰隨著溫度升高發(fā)生紅移.

圖1 (a)被測GaN高電子遷移率場效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu)以及拉曼熱測量的示意圖;(b)被測器件在50 ℃和300 ℃的拉曼特征峰:包括GaN外延的E2(high)和A1(LO)峰,以及SiC襯底的FTO峰Fig.1.(a) Schematic structure of the GaN-on-SiC HEMT under test in the Raman optothermal measurement;(b) Raman peaks of the GaN-on-SiC HEMT at 50 ℃ and 300 ℃,including the E2(high) and A1(LO) peaks of the GaN epitaxy and the FTO peak of the SiC substrate.

為準(zhǔn)確表征器件溝道和襯底上表層的溫度,首先對器件中GaN和SiC的溫度系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn).在校準(zhǔn)的過程中使用高精度溫控臺(tái)嚴(yán)格控制器件的溫度,從室溫開始,每升高25 ℃測量1次GaN和SiC的拉曼特征峰,直到300 ℃.圖2(a)和圖2(b)分別顯示了被測器件GaN A1(LO)峰和SiC FTO峰位置隨溫度變化的關(guān)系,通過線性擬合得到GaN A1(LO)峰的溫度系數(shù)為—0.026 cm—1·K—1,SiC FTO峰的溫度系數(shù)為—0.023 cm—1·K—1.

圖2 (a) GaN A1(LO)拉曼峰隨溫度的變化關(guān)系,線性擬合得到的溫度系數(shù)為—0.026 cm—1·K—1;(b) SiC FTO 拉曼峰隨溫度的變化關(guān)系,線性擬合得到的溫度系數(shù)為—0.023 cm—1·K—1Fig.2.(a) Position of the GaN A1(LO) Raman peak as a function of temperature.The temperature coefficient from the linear fit is —0.026 cm—1·K—1;(b) position of the SiC FTO Raman peak as a function of temperature.The temperature coefficient from the linear fit is —0.023 cm—1·K—1.

得到校準(zhǔn)的溫度系數(shù)后,測量器件在不同功率工作狀態(tài)下GaN A1(LO)峰和SiC FTO峰的偏移.由于器件的生熱量隨功率密度成正比例增加,GaN和SiC相應(yīng)位置的溫度也隨功率密度的增加而升高,造成的拉曼峰移隨功率密度的線性關(guān)系的斜率稱為GaN A1(LO)峰和SiC FTO峰的功率系數(shù).我們使用雙通道直流電源分別給GaN器件的柵-源兩極和漏-源兩極之間施加電壓,用萬用表測量漏極電流.從器件關(guān)斷狀態(tài)(柵極負(fù)壓)開始,功率密度大約每增加0.3 W/mm需多次測量GaN A1(LO)峰和SiC FTO峰的峰位.多次測量是為了盡可能的減少測量的不確定性,提高測量準(zhǔn)確度.整個(gè)測量過程中將熱電偶放置在電路板上靠近器件工作區(qū)域的位置,測得的不同功率密度下的板溫作為器件封裝法蘭背板的溫度.圖3(a),(b)分別顯示了被測器件GaN A1(LO)峰、SiC FTO峰隨著功率密度升高的偏移,通過線性擬合得到GaN A1(LO)峰的功率系數(shù)為 —1.86 cm—1·mm/W,SiC FTO 峰的功率系數(shù)為 —1.25 cm—1·mm/W.

圖3 (a) GaN A1(LO)拉曼峰隨器件功率密度的變化關(guān)系,線性擬合得到的功率系數(shù)為—1.86 cm—1·mm/W;(b) SiC FTO拉曼峰隨器件功率密度的變化關(guān)系,線性擬合得到的功率系數(shù)為—1.25 cm—1·mm/W的功率系數(shù)Fig.3.(a) Position of the GaN A1(LO) Raman peak as a function of the device power density.The power density coefficient from the linear fit is —1.86 cm—1·mm/W;(b) position of the SiC FTO Raman peak as a function of the device power density.The power density coefficient from the linear fit is —1.25 cm—1·mm/W.

以特征峰的偏移作為中間變量即可得出不同功率密度下對應(yīng)的器件中GaN外延的溫度和襯底上表層的溫度,結(jié)合由熱電偶測量的封裝法蘭的溫度,可以得到不同功率密度下對應(yīng)的器件中沿縱向延伸不同深度處的溫度.需要強(qiáng)調(diào)的是,拉曼光熱實(shí)驗(yàn)中使用的激光波長(λ=532 nm)和透鏡的數(shù)值孔徑 (NA=0.5)決定了激光聚焦在GaN表面時(shí)景深為8—10 μm[18],所以對透明的GaN來說拉曼探測的有效區(qū)域是整個(gè)GaN外延層厚度,對SiC拉曼探測的有效區(qū)域是SiC襯底上表層(即界面處)的7—9 μm,而通過拉曼峰移得到的溫度是有效區(qū)域的平均溫度.實(shí)際上,1—2 μm GaN外延層厚度的平均溫度同器件結(jié)溫非常接近,詳見第3節(jié)中的結(jié)果與討論.

3 銅/石墨法蘭和銅鉬法蘭封裝器件的測量結(jié)果與討論

圖4(a)顯示了被測銅/石墨法蘭封裝器件GaN層、SiC上表層和封裝法蘭的溫度隨功率密度增加成線性增加的關(guān)系,圖中的點(diǎn)代表使用拉曼熱測量的實(shí)驗(yàn)值,擬合直線的斜率代表每增加1 W/mm功率密度對應(yīng)各部分的溫度升高值,即與環(huán)境溫度間的熱阻.GaN層和SiC上表層的溫度差隨功率密度增加的變化系數(shù)描述了器件中GaN外延層和SiC襯底層之間的熱阻;GaN層和封裝法蘭之間的溫度差隨功率密度增加的變化系數(shù)描述了器件的整體熱阻,如圖4(b)所示.被測銅/石墨法蘭器件中GaN與SiC之間的熱阻為14.7 mm·K/W,器件整體熱阻為42.9 mm·K/W.作為對比,圖4(c)是被測銅鉬法蘭封裝器件GaN層、SiC上表層和封裝法蘭的溫度隨功率密度增加的變化情況;圖4(d)是銅鉬法蘭封裝器件GaN層和SiC上表層的溫度差、GaN層和封裝法蘭之間的溫度差隨功率密度升高的變化.器件中GaN與SiC之間的熱阻為14.4 mm·K/W,而器件整體熱阻為52.8 mm·K/W.如表1所示,兩種銅基法蘭封裝的GaN器件中GaN與SiC間的熱阻幾乎相等,這是材料界面層生長一致性的必然結(jié)果;而銅/石墨法蘭器件的整體熱阻相比銅鉬法蘭器件低18.7%,這是銅/石墨法蘭材料的高熱導(dǎo)率造成的.

圖4 (a)銅/石墨法蘭封裝器件GaN層、SiC上表層和封裝法蘭的溫度隨功率密度的變化;(b)銅/石墨法蘭封裝器件GaN層和SiC上表層的溫度差、GaN層和封裝法蘭之間的溫度差隨功率密度的變化;(c)銅鉬法蘭封裝器件GaN層、SiC上表層和封裝法蘭的溫度隨功率密度的變化;(d)銅鉬法蘭封裝器件GaN層和SiC上表層的溫度差、GaN層和封裝法蘭之間的溫度差隨功率密度增加的變化Fig.4.(a) Measured temperature of GaN,SiC,and the Cu/graphite flange as a function of the device power density;(b) temperature differences between GaN and SiC,and between GaN and and the Cu/graphite flange as a function of the device power density;(c) measured temperature of GaN,SiC,and the CuMo flange as a function of the device power density;(b) temperature differences between GaN and SiC,and between GaN and and the CuMo flange as a function of the device power density.

表1 兩種銅基法蘭封裝GaN器件的熱阻對比Table 1.Thermal resistance of GaN HEMT with different Cu-based flange materials.

為了更好地理解器件各層的熱阻占比,根據(jù)被測器件的實(shí)際幾何尺寸以及實(shí)驗(yàn)測量的條件使用有限元熱仿真模型模擬器件在對應(yīng)功率密度下各層的溫度,其中使用的各層材料的幾何參數(shù)和熱學(xué)性質(zhì)參數(shù)在表2中列出.GaN,SiC,AuSn等材料的熱導(dǎo)率都是器件常用的文獻(xiàn)值[23,24],法蘭封裝材料的熱導(dǎo)率是供應(yīng)商提供的激光閃射導(dǎo)熱儀的測量值.熱模擬中器件工作的功率密度作為熱源的功率密度控制在0—1.7 W/mm范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)測得的法蘭溫度作為器件的邊界溫度.GaN與SiC之間的等效界面熱阻,包含20 nm厚成核層材料AlN的熱阻以及GaN/AlN與AlN/SiC兩個(gè)界面熱阻,被當(dāng)作變量用于擬合GaN與SiC上表面溫度的測量值.當(dāng)GaN-SiC等效界面熱阻為50 m2·K/GW時(shí),GaN與SiC溫度的模擬值與測量結(jié)果匹配.關(guān)于熱仿真模型的更多細(xì)節(jié)可以參考本課題組的另一篇文章[25].值得注意的是,這里用來擬合的GaN與SiC的溫度為前文所述的拉曼探測有效區(qū)域的溫度平均值,而圖5(a)和圖5(b)分別顯示銅/石墨法蘭和銅鉬法蘭封裝的GaN器件的結(jié)溫(即GaN上表面峰值溫度)和AlN/SiC界面溫度的模擬值和實(shí)測值的對比,會(huì)比GaN與SiC中探測有效區(qū)域的實(shí)測平均值略高(3%),這個(gè)結(jié)果表明拉曼熱測量技術(shù)的結(jié)果在GaN外延厚度不大(1 μm左右)的情況下足夠接近GaN表面的峰值溫度,能較為準(zhǔn)確和可靠地用于GaN器件結(jié)溫和器件失效時(shí)間的評(píng)估.

表2 有限元熱仿真分析中使用的各層材料的尺寸及熱導(dǎo)率Table 2.Dimensions and thermal conductivity of each layer in the GaN-on-SiC HEMT used in the finite element device thermal simulation.

通過熱仿真還可以得出被測GaN電子器件在垂直器件表面方向上的溫度分布,以及各層材料的熱阻占比,這樣可以更直觀地了解器件內(nèi)部的熱輸運(yùn)過程,如圖5(c)和圖5(d)所示.圖5(c)為功率密度為1.43 W/mm情況下銅/石墨法蘭器件和銅鉬法蘭器件的縱向溫度分布,圖中的實(shí)線即為模擬值,點(diǎn)則代表實(shí)際測量值,擬合得到的GaN與SiC之間的等效界面熱阻為50 m2·K/GW.在功率密度均為1.43 W/mm的情況下,銅/石墨法蘭器件的模擬結(jié)溫128.4 ℃比銅鉬法蘭器件的模擬結(jié)溫151.3 ℃降低15.1 %;兩個(gè)器件唯一的差別就是封裝材料不同,表明器件導(dǎo)熱性能的改良得益于封裝材料熱導(dǎo)率的提高.如表2所示,被測器件的銅/石墨復(fù)合法蘭的熱導(dǎo)率可達(dá)300 W/(m·K),比銅/鉬法蘭的熱導(dǎo)率167 W/(m·K)高79.6 %.此外,從圖4(a)和圖4(c)的對比中可以發(fā)現(xiàn),銅/石墨法蘭封裝的器件中GaN外延、SiC襯底上表層、法蘭背板的溫度隨功率密度升高的變化系數(shù)相比銅鉬法蘭封裝器件的對應(yīng)值分別降低17%,21%,11%,表明在相同的功率密度下,銅/石墨法蘭器件的各層溫度均低于相應(yīng)的銅鉬法蘭器件的各層溫度.圖5(d)直觀地展示了1.43 W/mm功率密度下銅/石墨法蘭器件和銅鉬法蘭器件的各層材料熱阻占比.對于整個(gè)器件來講熱阻占比最大的部分就是封裝法蘭,其中銅/石墨法蘭約占GaN電子器件整體熱阻的40%,銅鉬法蘭約占GaN電子器件整體熱阻的53 %.相較于銅鉬法蘭,銅/石墨法蘭的熱阻占比降低了13%,這個(gè)結(jié)果使器件的整體熱阻降低18.7%.本文所測的銅/石墨法蘭的熱導(dǎo)率為300 W/(m·K),根據(jù)文獻(xiàn)[16]的結(jié)果,該熱導(dǎo)率對應(yīng)的石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似為50%.如果進(jìn)一步提高銅/石墨法蘭的熱導(dǎo)率,比如石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的銅/石墨復(fù)合材料熱導(dǎo)率可達(dá)378 W/(m·K)[16],通過熱仿真模擬的結(jié)果表明可以使器件的整體熱阻降低19.8%.通過調(diào)整銅/石墨復(fù)合材料中石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以使法蘭的熱導(dǎo)率達(dá)到最佳.這是因?yàn)殡m然石墨本身的熱導(dǎo)率高于銅的熱導(dǎo)率,但是隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,銅與石墨的界面也會(huì)增加,同時(shí)受熱壓燒結(jié)工藝的影響,材料中的空隙也會(huì)增多,這些因素均導(dǎo)致材料中的自由電子和聲子散射的增多,從而降低材料的熱導(dǎo)率.對圖5(c)和圖5(d)的分析還可以發(fā)現(xiàn),對于整個(gè)器件來說,熱阻占比較高的除了法蘭之外,還有界面熱阻,其占銅/石墨法蘭器件整體熱阻的22%和占銅鉬法蘭器件整體熱阻的18%.本文中擬合得到的GaN-on-SiC電子器件的界面熱阻約為50 m2·K/GW,與Riedel等[26]采用拉曼熱成像技術(shù)的測量結(jié)果約47 m2·K/GW相近,但是比本課題組采用瞬態(tài)熱反射法測量的另一種工藝生長的SiC基GaN外延片的界面熱阻約25 m2·K/GW高了1倍[27].通過有限元模擬發(fā)現(xiàn),如果器件的界面熱阻降低到25 m2·K/GW,則結(jié)溫會(huì)進(jìn)一步降低2.7%,整體熱阻會(huì)相應(yīng)地降低5.6%.GaN晶片的界面熱阻受外延生長工藝影響,尤其是成核層內(nèi)部或者界面附近的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷會(huì)通過增加聲子散射率、降低聲子的平均自由程來阻礙熱傳遞.研究表明,與常用的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積相比,熱壁外延技術(shù)可以有效地降低GaN外延和SiC襯底之間的界面熱阻[26].這是因?yàn)闊岜谕庋蛹夹g(shù)生長的AlN成核層更趨向于單晶,這導(dǎo)致了較少的缺陷、晶粒和晶界的聲子散射,因此成核層具有更高的熱導(dǎo)率.界面熱阻的降低將會(huì)進(jìn)一步提高器件的熱擴(kuò)散性能.

4 結(jié) 論

利用拉曼熱測量技術(shù)結(jié)合有限元熱仿真模型分析并對比兩種銅基復(fù)合物材料法蘭封裝的GaN高電子遷移率晶體管的熱阻,發(fā)現(xiàn)由銅/石墨法蘭封裝的GaN器件的整體熱阻比由銅鉬法蘭封裝的同種GaN器件的降低了18.7%,在1.43 W/mm功率密度下的結(jié)溫降低15%以上,法蘭的熱阻占比降低約13%.這證明使用銅/石墨法蘭封裝提高GaN器件熱擴(kuò)散能力的可行性,同時(shí)也充分說明了拉曼熱測量技術(shù)與有限元熱仿真模型結(jié)合的方法是對GaN器件結(jié)溫及各層熱阻表征分析的有效工具.此外,從對器件熱阻占比的分析發(fā)現(xiàn),GaN與SiC之間的等效界面熱阻需要大幅減小以進(jìn)一步地降低器件熱阻,這可以通過材料生長過程的調(diào)控來實(shí)現(xiàn).