引言

為了達到所需的性能，通信設備中的高速開關晶體管的柵極特征長度在多指配置中已經減小到只有幾十納米，并且這些晶體管被陣列集成到單片微波集成電路（MMIC）中。因此，這項技術使得對納米級電路的熱特性進行表征變得越來越困難。

我們采用了一種瞬態熱成像技術來表征這類納米級電路的表面溫度。該技術是一種非侵入性和間接的熱反射率方法，使用外部光源照明和CCD成像。由于顯微鏡物鏡的光學性質所限，當特征尺寸小于300納米時，光學和熱圖像會出現模糊。我們提出了一種算法來解決這一問題，即使用高斯近似來模擬衍射函數，以模糊從模型中得到的熱反射率圖，并進一步使用它來重構亞衍射尺寸設備的真實熱分布圖。

測試設備的熱膨脹是另一個挑戰，特別是在高倍顯微成像的情況下。我們使用了一個三維壓電舞臺控制器來逐像素地獲取熱反射率系數。通過這些組合的技術，實現了對寬度約為100納米的導線進行熱成像。

瞬態熱成像技術可以捕捉多個熱點向鄰近電路的熱量擴散情況，為潛在的三維熱結構分析提供了必要的信息，適用于實際芯片上多個納米級熱點的情況。我們將展示這些技術組件的組合，它們共同能夠獲得進行潛在三維熱結構分析所需的必要信息。

關鍵詞

• 熱成像 (Thermal Imaging)
• 瞬態 (Transient)
• 結構函數 (Structural Function)
• 多熱點 (Multiple Hotspots)

符號說明

• A：面積（m2）
• C：熱容（J/K）
• D：距離（m）
• N：物鏡的F數（無量綱）
• R：熱阻（K/W）
• t：時間（s）
• λ：波長（m）
• θ：溫度過升（K）
• τ：時間常數（s）

近年來，寬帶隙半導體的高速開關晶體管被廣泛應用于通信和電力設備。與此同時，芯片設計中的熱考量也日益成為一大關注點，除了熱封裝外。為了充分利用高速開關特性和構建單片微波集成電路（MMIC），晶體管的柵極特征長度已經被減小到只有幾十納米。因此，對每個單獨晶體管的熱特性進行表征變得越來越困難。

我們已經能夠使用基于CCD的熱反射率熱成像方法來表征這類電路的表面溫度。由于顯微鏡物鏡的光學性質所限，當特征尺寸小于300納米時，光學和熱圖像會出現模糊。在先前的研究中，我們定性和定量地探討了衍射極限對亞衍射尺寸設備特征熱圖像的影響。我們提出了一種算法來預測衍射對亞衍射尺寸設備熱反射率成像的影響，該算法考慮了已知形狀和尺寸的設備。通過數值計算和實驗數據驗證了該模型，對于厚度為90納米的金線，模型與實驗結果吻合良好。

除了衍射問題外，測試設備的熱膨脹也可能造成失焦，進而導致熱圖像模糊。這是另一個挑戰，特別是在進行高倍顯微成像時。使用三維壓電舞臺控制器有助于在顯微鏡中穩定聚焦位置。逐像素獲取熱反射率系數使我們能夠精確校準目標位置的光強度與溫度信息。通過這些組合技術，實現了對寬度約為100納米的導線進行熱成像。

MMIC表面的瞬態熱成像包含了設備內部熱結構的信息，特別是對于多個熱點的情況。瞬態熱圖不僅提供了某個時間點的溫度分布，還提供了深度方向上的熱擴散信息，這些信息有助于解決納米尺度設備的復雜三維熱結構問題。討論首先從高速瞬態成像及其分析開始，以一維熱結構（CR模型）為例。隨后，分析了使用高斯近似法實現亞衍射極限空間分辨率的情況。基于這些技術，我們展示了一個多熱點實例的時間域成像，以分析三維熱結構。

瞬態熱成像與建模

隨著特征尺寸的減小，設備的固有瞬態熱響應變得非常快，通常需要亞微秒級的時間分辨率。為了在某一特定時間點精確地獲取熱圖像，設備采用了一種互鎖技術來對齊設備偏置和成像的時間，并精確調整時間延遲以獲取熱響應的時間序列。

圖1展示了單個氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）器件的瞬態熱成像設置示例。在這個設置中，成像傳感器和照明用的LED光源被集成到了顯微鏡中。

圖2展示了正在研究瞬態熱響應的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）設備的光學和熱圖像。該設備由一個多指柵極組成，柵極長度為300納米。左側的光學圖像中的兩條細金屬線顯示了該設備上的金制成的柵極電極。該設備由n-GaN二維電子氣體制成，位于n-AlGaN頂層下方，并放置在SiC襯底上的GaN層上。右側的圖片顯示了溫度輪廓，其中柵極金屬顯示出最大的溫度過升。

圖2展示了p型氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）設備的光學圖像（左）和熱圖像（右）。顏色輪廓用來表示溫度過升的程度。該設備的兩個手指柵極長度各為300納米，柵極金屬是由金制成的。

多點瞬態校準

圖3展示了一個單個芯片安裝在封裝中的散熱器上的例子。熱阻抗（或熱阻）[K/W]是指在施加功率下瞬態溫度過升與施加功率的比值。時間軸顯示了從施加階躍脈沖開始的時間流逝。傳統上，溫度測量是在某一時刻進行穩態測量。由于熱網絡由多個組件組成，沒有單一的時間常數能夠代表整個熱系統。這導致了溫度讀數的誤差。需要注意的是，響應時間的變化范圍非常寬廣。

圖4展示了在不同接觸條件下設備測試的時間響應。很明顯，在短時間內（即小于100微秒），同一芯片的不同接觸條件下的溫度過升匹配得非常好，而穩態溫度則根據接觸方法有所不同。在這種情況下，短時間（小于1毫秒）足以確定芯片上設備的固有熱阻。圖4展示了GaN HEMT手指漏極終端隨時間變化的局部溫度過升。與帶有膏狀材料的冷板接觸相比，真空吸盤的干接觸顯示出更大的熱阻。偏置條件為8V和70mA，LED照明波長為530nm。