光学干渉非接触温度計測法によるデバイス自己発熱過程のイメージング技術に関する研究

• Project/Area Number: 23K22824
• Project/Area Number (Other): 22H01554 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 東 清一郎 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (30363047)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: semiconductor device / self heating / thermometry / 非接触温度測定 / 半導体デバイス / 信頼性 / 界面熱抵抗 / 自己発熱

Outline of Research at the Start

本研究は光学干渉非接触温度計測法（Optical Interference Contactless Thermometry : OICT）を用いて、シリコンやシリコンカーバイドパワーデバイス動作時の自己発熱温度の計測を試み、どの様な過程を経て劣化や熱暴走に至るのかを明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は可視光レーザーを用いたSiCデバイスの自己発熱過程の観測に加え、赤外レーザーを用いたSiデバイス動作時の自己発熱過程の観測環境を構築した。
波長1310nmのレーザー光をシリコンウエハ裏面より入射し、ウエハ表面に作製したMOSFET動作時の反射光強度分布をハイスピードカメラで取得するシステムを構築した。チャネル幅300um、チャネル長500umのn型MOSFETにドレイン電圧40～120V印加した状態でゲート電極に5V、0.2sのパルスバイアスを印加すると、チャネル部の発熱および冷却にともなう明瞭な干渉縞の分布が観測され、ドレイン電圧の増加に伴って発熱部がドレイン端に集中する様子が観測された。ピンチオフによるドレイン端への電管集中にともなう自己発熱分布を直接的に観測可能であることを実証することができた。
また、パワーデバイスで重要となる放熱の課題に対して、半導体ウエハと有機薄膜の界面における熱抵抗を抽出する研究に取り組んだ。OICTを積層構造へ適用可能なモデルへと発展させ、界面熱抵抗の計測が可能であることを示した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

デバイス発熱過程を直接観測するOICTシステムの構築から、可視光を用いたワイドバンドギャップデバイスと赤外光を用いたシリコンデバイスの自己発熱過程の観測に成功し、当初計画を達成することができた。一方でハイスピードカメラのフレームレートの制約から、可視光観察ではマイクロ秒時間分解能が達成されるのに対して、赤外光観察ではミリ秒の分解能が限界であることが明らかになり、これに対する対策を練る必要性が明らかになった。
更に界面熱抵抗の計測という新たな研究展開を図り、当初計画以上の進展を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

今後はこのシステムを用いて、様々な駆動条件下におけるデバイスの自己発熱過程の詳細な観測や、連続駆動による経時的な発熱過程の変化に着目し、デバイス劣化の要因を明らかにする取り組みを進める。自己発熱とデバイス信頼性向上に必要な設計および駆動上の重要なファクターを明らかにする。時間分解能の制約に関しては、等価時間サンプリングなどの対応を検討する。
デバイス自己発熱と放熱材料との界面熱抵抗の計測技術を組合わせ、デバイスが発生した熱の流れをシステムとして可視化できる研究への展開も進めていく。

Research Products

• [Journal Article] Development of a real-time temperature measurement technique for SiC wafer during ultra-rapid thermal annealing based on optical-interference contactless thermometry (OICT) (2023)
  • Author(s): Jiawen Yu, Hiroaki Hanafusa, and S. Higashi
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1075-SC1075
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb1bb
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Interfacial Thermal Resistance Measurement at Polymer/Semiconductor Interface Using Optical-Interference Contactless Thermometry (OICT) (2023)
  • Author(s): J. Yu, H. Hanafusa, S. Higashi
  • Organizer: 4th China International Youth Conference on Electrical Engineering (CIYCEE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEASUREMENT OF TRANSIENT HEAT TRANSFER ACROSS ORGANIC/SEMICONDUCTOR INTERFACE USING OPTICAL INTERFERENCE CONTACTLESS THERMOMETRY (OICT) (2023)
  • Author(s): J. Yu, R. Goto, H. Hanafusa, S. Higashi
  • Organizer: 33rd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-33)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光学干渉非接触温度測定法(OICT)を基盤としたSU-8/SiCの界面熱抵抗測定技術を開発 (2023)
  • Author(s): Yu Jiawen、後藤 隆之介、花房 宏明、東 清一郎
  • Organizer: 第84回 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Measurement of Heat Dissipation between SiC and Thermal Interface Material in Power Device Packaging Based on Optical-Interference Contactless Thermometry (2023)
  • Author(s): J. Yu, R. Goto, H. Hanafusa, and S. Higashi
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2023),
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of an experimental method for extraction of organic/semiconductor interfacial thermal resistance based on optical-interference contactless thermometry (OICT) (2023)
  • Author(s): Jiawen Yu, 後藤 隆之介, 花房 宏明, 東 清一郎
  • Organizer: 2023年度応用物理・物理系中国四国支部合同学術講演会
• [Presentation] Extraction of Organic/Semiconductor Interfacial Thermal Resisitance based on Optical Interference Contactless Thermometry (OICT) (2023)
  • Author(s): J. Yu, H. Hanafusa, and S. Higashi
  • Organizer: 2023 Asia-Pacific Workshop on Advanced Semiconductor Devices(AWAD2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3-D Imaging of Temperature Variations in 4H-SiC Schottky Barrier Diode under Operation based on Optical Interference Contactless Thermometry (2023)
  • Author(s): S. Higashi, K. Fujimoto, and H. Hanafusa
  • Organizer: 13th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a Real-Time Temperature Measurement Technique for SiC Wafer During Ultra-Rapid Thermal Annealing Based on Optical-Interference Contactless Thermometry (OICT) (2022)
  • Author(s): J. Yu, K. Matsuguchi, T. Sato, H. Hanafusa, S. Higashi
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] OICT による通電加熱時におけるシリコンウェハ内部の３次元温度イメージング技術 (2022)
  • Author(s): 松口 康太郎、Jiawen Yu、花房 宏明、東 清一郎
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会 第9回講演会
• [Presentation] OICT による通電加熱時におけるSi ウェハ内の 過渡的温度分布の３次元イメージング技術 (2022)
  • Author(s): 松口 康太郎、Jiawen Yu、花房 宏明、東 清一郎
  • Organizer: 薄膜材料デバイス研究会 第19回研究集会
• [Presentation] 通電過熱時におけるシリコンウェハ内の過渡的温度分布 の3次元イメージング (2022)
  • Author(s): 松口 康太郎、Yu Jiawen、花房 宏明、佐藤 拓磨、東 清一郎
  • Organizer: 第83回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 光学干渉非接触温度測定法(OICT)によるシリコンウェハ内部の過渡的熱拡散過程の三次元イメージング (2022)
  • Author(s): 松口 康太郎、藤本 渓也、Yu Jiawen、花房 宏明、佐藤 拓磨、東 清一郎
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告 シリコン材料・デバイス研究会