案例分析：利用中波红外-拉曼热成像联用技术优化半导体器件的温度控制
2023年7月
背景
Quantum Focus Instruments Corporation (QFI) 公司致力于为半导体行业提供先进的温度测量显微镜系统。QFI的系统可采集确保可靠性和温度管理所需的关键数据，适用于空间、雷达、通信和电能转换等多种应用领域。通过识别半导体器件上的高温区域，设计者能够设计出性能更优、生命周期更久的产品。
使用QFI的红外热成像显微镜，虽然可以针对大面积表面中的高温区域进行高效成像，但却很难对微小的高温区域进行精确分析。雷尼绍Virsa™拉曼分析仪具有更高的空间分辨率，能够分辨器件上微小的峰值温度区域。这项技术被称为“拉曼热成像”。
什么是拉曼热成像？
拉曼热成像技术（或称为“拉曼测温法”）利用半导体器件的拉曼光谱，以亚微米级的横向空间分辨率测定局部温度。当使用拉曼光谱仪对透明的多层半导体器件进行采样时，可以观察到结构中每种材料的特征声子。拉曼热成像技术利用声子频率随温度变化而产生的变化来测量材料的温度。它可以很方便地应用于由硅、氮化镓 (GaN) 和砷化镓 (GaAs) 制造的器件。
中波红外-拉曼热成像联用系统
雷尼绍Virsa拉曼分析仪是一种多功能光纤耦合系统，可轻松与其他分析仪器联用。本例中将Virsa拉曼分析仪与成熟的中波红外 (MWIR) 温度测量显微镜QFI InfraScope™联用。这套联用系统用于精确测定器件结构中各层的温度。图1展示了实际使用的一套中波红外-拉曼热成像联用系统。
本例对一个商业化生产的GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 进行了中波红外-拉曼热成像联用测量。如图2所示，首先对整个器件进行中波红外测量，以识别峰值温度区域。然后，与Virsa拉曼分析仪联用，对突出显示的峰值温度区域进行高分辨率拉曼热成像。
图1 | 研究人员将雷尼绍Virsa拉曼分析仪与QFI InfraScope联用，用于进行半导体器件检测。
图2 | 显示GaN HEMT中温度分布的中波红外热成像图像。黑色矩形标出了峰值温度区域，随后还使用高分辨率拉曼热成像技术对该区域进行分析。
“通过将雷尼绍Virsa探头与InfraScope联用，我们能够进一步测量半导体器件和材料在横向和纵向上高度差异化的温度梯度。”— Paul Hayes，QFI应用经理
图3 | 在不同工作功率下，分别使用中波红外和拉曼热成像技术测得的多指型GaN HEMT器件温度对比图。拉曼热成像测得的温度较高，这是因为其空间分辨率较高，因此能够获得更精确的器件峰值温度读数。
结果
图3比较了在不同工作功率下，分别使用中波红外和拉曼热成像技术对GaN HEMT器件测得的温度。中波红外热成像测得的温度比拉曼热成像测得的温度大约低20%；然而，针对大体积热源，这两种热成像技术测得的温度相同，并未观察到差异。这种差异可以归因于拉曼技术的空间分辨率更高，能够更精确地测量高温区域。因此，拉曼测量结果更能代表器件的峰值温度，能够更精确地表征器件，并模拟其生命周期。
总结
将雷尼绍Virsa拉曼分析仪和QFI InfraScope联用，充分展示了将中波红外热成像的高速度与拉曼热成像的高空间分辨率结合在一起所产生的出色效果。对于GaN HEMT等半导体材料的持续研发和商业化，这可能是非常有价值的工具。
