半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：近日，武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院iGaN實驗室孫海定教授及工業(yè)和信息化部電子第五研究所王宏躍博士，在電力電子領(lǐng)域頂級期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》上發(fā)表題為“Multi-Wavelength Laser-based Transient Thermoreflectance for Channel-Temperature Monitoring of GaN HEMTs”的研究論文，在氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMTs）結(jié)溫高精度測試方面實現(xiàn)新進展，該研究提出的多波長激光瞬態(tài)熱反射（MWL-TTR）技術(shù)，成功實現(xiàn)亞微米級空間分辨、納秒級時間分辨的溝道溫度精準監(jiān)測。
作為新一代高性能功率器件，GaN HEMTs在高壓、高頻、高功率密度工作條件下產(chǎn)生的顯著自熱效應(yīng)，嚴重制約其可靠性與使用壽命。精準監(jiān)測溝道溫度對實現(xiàn)有效的熱管理以及評估器件壽命和穩(wěn)定性至關(guān)重要，然而傳統(tǒng)表征技術(shù)普遍存在缺陷。紅外熱成像與電學(xué)方法的空間分辨能力不足，拉曼熱成像技術(shù)采用帶隙以下探測光源獲取GaN沿深度方向平均溫度，低估溝道溫度。商用熱反射成像（TTI）技術(shù)普遍采用365nm紫外LED表征GaN HEMTs溝道溫度，由于紫外光顯著影響CCD曝光，導(dǎo)致瞬態(tài)測試模式下時間分辨率限制到微秒級，且紫外光引起光電流，其對結(jié)溫測試的影響一直被忽視。此外，實現(xiàn)基于熱反射原理（ΔR/R=Cth×ΔT）的準確溝道溫度測量的關(guān)鍵先決條件是實現(xiàn)準確的熱反射系數(shù)（Cth）校準。熱反射系數(shù)（Cth）傳統(tǒng)校準方法受材料反射率不均勻性、熱膨脹效應(yīng)及焦點偏移等因素影響，導(dǎo)致測溫精度受限。
團隊研發(fā)了基于多波長激光的瞬態(tài)熱反射（MWL-TTR）技術(shù)，采用不同波長檢測不同區(qū)域（金屬觸點、溝道等）溫度。相比商業(yè)化TTI方法，使用更短波長(320 nm)監(jiān)測溝道，使得探測位置更接近溝道表面自發(fā)熱區(qū)域，測試誤差優(yōu)于±10％。測試空間分辨率達到亞微米級，瞬態(tài)測試時間分辨率達到納秒級。對320 nm激光誘導(dǎo)的光電流進行了定量研究，將光電流干擾減小至<5%。結(jié)合課題組在熱反射機理方面的預(yù)研工作（J. Appl. Phys., 134, 115102, 2023；Materials Today Physics, 42, 101367,2024.），創(chuàng)新應(yīng)用泵浦-探測瞬態(tài)熱反射測試方法實現(xiàn)Cth校準，為溝道溫度表征提供穩(wěn)定可靠的Cth結(jié)果。MWL-TTR技術(shù)最終應(yīng)用于GaN HEMTs不同工作狀態(tài)(瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài))溫度掃描成像測試，且兼具檢測其他類型器件的能力(GaAs、Si、SiC、Ga2O3基器件)。
圖1. MWL-TTR的系統(tǒng)
圖2. (a) 器件掃描測量路線和發(fā)熱區(qū)域示意圖。(b) 路線1中器件（柵極和溝道）的測量和有限元（FE）模型模擬瞬態(tài)溫升(?T)。(c) 路線2和路線3中器件柵極和溝道的?T。(d) 不同脈沖周期下器件的瞬態(tài)溝道?T測量值。
對于微波射頻、電力電子以及激光照明領(lǐng)域，高時空分辨結(jié)溫測試技術(shù)一直未能實現(xiàn)突破，上述領(lǐng)域測試長期依賴國外進口的紅外、拉曼或者熱反射成像(TTI)設(shè)備，面臨被“卡脖子”風(fēng)險。在光、電、熱學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科綜合深入研究基礎(chǔ)上，團隊自主研發(fā)了全新的測試技術(shù)，實現(xiàn)了國際上高時空分辨結(jié)溫測試突破，為相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵熱檢測提供支撐，邁出結(jié)溫測試設(shè)備國產(chǎn)替代重要一步，進一步增強微波射頻、電力電子芯片制造產(chǎn)業(yè)的自給自足能力。
論文詳情：Y. Mao, H. Zhang, Y. Ma, H. Wang, H. Sun and C. Yuan, Multi-Wavelength Laser-based Transient Thermoreflectance for Channel-Temperature Monitoring of GaN HEMTs, IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2025.3539756.
論文第一作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院博士生毛亞莉和中國科大微電子學(xué)院iGaN實驗室博士生張昊宸，通訊作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超研究員，中國科大微電子學(xué)院iGaN實驗室孫海定教授與工業(yè)和信息化部電子第五研究所王宏躍博士。
全文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10878261
袁超團隊簡介
袁超課題組專注于熱反射檢測方法研究，已實現(xiàn)高精度熱物性無損檢測、高時空分辨結(jié)溫檢測等關(guān)鍵技術(shù)突破，長期為國內(nèi)外Top級半導(dǎo)體研究機構(gòu)、企業(yè)提供產(chǎn)品測試和研發(fā)服務(wù)，推動瞬態(tài)熱反射檢測標準制定。
課題組主頁：http://jszy.whu.edu.cn/yuanchao
孫海定教授iGaN實驗室簡介
孫海定博士是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授/博導(dǎo)，iGaN Lab實驗室負責(zé)人。入選國家優(yōu)青，安徽省杰青，中科院海外高層次人才。長期致力于氮化鎵半導(dǎo)體材料外延和器件設(shè)計與制備研究。研究成果被半導(dǎo)體權(quán)威雜志《Compound Semiconductor》、《Semiconductor Today》等多次封面報道10余次。發(fā)表Nature Electronics（2）封面論文，Nature Photonics，Nature Communication, Advanced Materials等SCI論文150余篇和IEDM頂會論文，入選IEEE Photonics Society Graduate Student Scholarship, iCAX Young Scientist Award等國際青年科學(xué)家獎項。以項目負責(zé)人主持國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金，中科院國際合作和省部級項目等。
王宏躍博士簡介
工業(yè)和信息化部電子第五研究所學(xué)術(shù)帶頭人，高級工程師，北京大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)博士, 獲廣東省科技創(chuàng)新青年拔尖人才稱號、入選中國科協(xié)青年人才托舉工程。以第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI論文40余篇（IEEE TED、EDL、JAP等），合著專著1部《集成電路封裝可靠性技術(shù)》,譯著1部《氮化鎵電子器件熱管理》；目前兼任華南理工大學(xué)、西電廣研院、中南大學(xué)碩士博士企業(yè)導(dǎo)師，國際SCI期刊IEEE MWCL、IEEE Sensors Journal、Microelectronics Journal、EI會議PEAC會議等的審稿人。在寬禁帶半導(dǎo)體器件及應(yīng)用可靠性方面開展了深入研究，主持了國家自然科學(xué)基金青年項目，廣東省自然科學(xué)基金面上項目、科工局穩(wěn)定支持、裝發(fā)質(zhì)量攻關(guān)等項目，核心參與國家重點研發(fā)計劃、國家儀器專項、裝發(fā)重點實驗室基金等國家級、省部級課題。