近日，武漢大學工業科學研究院袁超課題組在國際權威期刊《Journal of Applied Physics》上，以“A review of thermoreflectance techniques for characterizing wide bandgap semiconductors‘ thermal properties and devices’ temperatures”為題總結討論了熱反射表征技術(Thermoreflectance techniques)在寬禁帶半導體材料和器件領域的應用進展。
隨著寬禁帶和超寬禁帶半導體器件的功率日益增大，器件散熱問題逐漸成為工業界的巨大挑戰。半導體材料熱物性是反映器件散熱能力最直接的參數，而器件結溫是評估熱可靠性和壽命的關鍵參數，因此，熱物性和結溫檢測成為寬禁帶半導體器件研發和生產中不可缺少的環節。寬禁帶半導體器件普遍由薄膜異質結構組成，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具有納微米級分辨率。傳統的檢測方法如穩態熱板法、瞬態熱線法、激光閃射法等，都不能滿足分辨率的要求。3-omega方法雖然達到了分辨率的要求，但是需要在材料表面進行復雜的微加工，使得測試流程復雜且對材料表面質量要求過高。另一方面，寬禁帶半導體器件溝道尺寸小(亞微米級)且常常在高頻工況下(GHz級)運行，要求結溫測試方法需滿足高空間分辨率和高時間分辨率。
圖1：幾種典型的寬禁帶器件結構：(a) 氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT); (b) 氧化鎵場效應管(β-Ga2O3 FET); 以上典型結構說明器件內存在大量微納結構和異質界面
近幾十年，以熱反射(Thermoreflectance)為測試原理，國際上開發并發展了多種泵浦-探測熱反射技術(Pump-probe thermorefletance), 實現了納微米級分辨率測試能力，廣泛應用于寬禁帶半導體材料的熱物性檢測。基于相同原理，國際上同期開發了一種熱反射成像技術(Transient thermoreflectance imaging)，實現了納秒級時間分辨率和納米級空間分辨率的測溫能力，同樣廣泛應用于寬禁帶半導體器件的穩態和瞬態結溫檢測。本文重點介紹了熱反射現象和原理，在此基礎之上，總結和討論了多種泵浦-探測熱反射技術，包括時域熱反射法(Time-domain thermoreflectance), 頻域熱反射法(Frequency-domain thermoreflectance), 瞬態熱反射法(Transient thermoreflectance)和穩態熱反射法(Steady-state thermoreflectance)。總結了這些方法針對常見寬禁帶半導體材料的檢測應用，包括氮化鎵薄膜異質結構(GaN-based structure)、氧化鎵薄膜異質結構(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，并全面總結了所有材料的熱物性報道值(部分結果見本報道圖2，詳細結果見全文)。
圖2：氮化鎵薄膜的熱導率報道值；全文中還詳細總結了氮化鎵異質結構、氧化鎵異質結構、金剛石薄膜和寬禁帶合金材料的熱物性報道值(熱導率、界面熱阻)
本文還重點比較了不同泵浦-探測熱反射技術的特點。在所有方法中，時域熱反射法發展最早且較為成熟，當前應用較為廣泛；而頻域熱反射法和瞬態熱反射法因具有和時域熱反射法相似的分辨率和測試精度，也逐漸被認可，且已實現了廣泛應用。值得注意的是，瞬態熱反射法(如圖3)，相比時域熱反射法，搭建成本大幅度減低，測試分析速度更快，操作更為簡便，因而具有在半導體產線上的應用潛力。另外，本文也總結討論了熱反射成像技術以及它在寬禁帶器件測溫方面的應用。
圖3：傳統的瞬態熱反射法(TTR)系統示意圖
常規的泵浦-探測熱反射技術和熱反射成像技術需要借助金屬薄膜進行測試。對于泵浦-探測熱反射技術，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；對于熱反射成像技術，溫度檢測區域集中在器件金屬電極，而不是器件溝道處，導致溫度測試結果往往低估真實器件結溫。
本文介紹了近幾年一些學者(包括袁超研究員)對傳統泵浦-探測熱反射技術的改進，發展了免金屬鍍膜的泵浦-探測熱反射技術(Transducer-less thermoreflectance)，以實現在氮化鎵外延、硅等材料的無損測試，為材料研發提供快速反饋，提升研發和生產效率、降低成本，并有望為半導體產線提供實時監測，使“邊生長，邊觀測，邊調控”成為可能。此外，介紹了熱反射溝道結溫直接測試技術以及它在氮化鎵HEMTs器件上的應用。
圖4：免金屬鍍膜的瞬態熱反射法(TTR)系統示意圖
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院的Riley Hanus博士和 美國馬里蘭大學的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體熱表征和熱管理研究工作。曾先后加入英、美知名大學寬禁帶研究團隊從事科學研究。在薄膜尺度熱反射表征方法、聲子熱輸運理論、以及(超)寬禁帶半導體器件設計等領域具有一定的技術優勢和科研特色，并致力于開發半導體無損熱檢測裝備。現承擔多個國家/省部/國際合作級重大戰略需求的縱向科研項目，在高影響力期刊上（包含 Materials Today Physics, Communications Physics，Appl. Phys. Lett.等）發表多篇論文。此外，長期和國內外知名半導體集成電路企業和機構合作。
（來源：DT半導體）
