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)重點實驗室,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,降低界面熱阻是進一步提高器件熱性能的關(guān)鍵.同時,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[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)計和可靠性評估非常重要.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、提高熱擴散能力的可行性.同時,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理不同,測量結(jié)果會有差異[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提取.測量時激光透過數(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)進行校準(zhǔn).在校準(zhǔn)的過程中使用高精度溫控臺嚴(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.需要強調(diào)的是,拉曼光熱實驗中使用的激光波長(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,圖中的點代表使用拉曼熱測量的實驗值,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)被測器件的實際幾何尺寸以及實驗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),實驗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,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測值的對比,會比GaN與SiC中探測有效區(qū)域的實測平均值略高(3%),這個結(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)溫和器件失效時間的評估.

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,圖中的實線即為模擬值,點則代表實際測量值,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[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)率達到最佳.這是因為雖然石墨本身的熱導(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增加,同時受熱壓燒結(jié)工藝的影響,材料中的空隙也會增多,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)溫會進一步降低2.7%,整體熱阻會相應(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].這是因為熱壁外延技術(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進一步提高器件的熱擴散性能.

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器件熱擴散能力的可行性,同時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)控來實現(xiàn).