卫星通信、军用雷达系统和5G 网络都建立在集成电路的基础上。集成电路的一大瓶颈是自发热，所有的电子设备都会自发热，例如手机。发热会导致设备寿命的缩短，因此测量设备和电路自发热的温度，了解元件的平均故障时间是非常有必要的。
Sukwon Choi 博士 宾夕法尼亚州立大学机械工程助理教授
“故障是一种局部现象，” 宾夕法尼亚州立大学机械工程副教授 Sukwon Choi 博士说道。“就像我们的汽车一样，如果轮胎破了，整辆车就会抛锚。如果在电路中出现薄弱环节且该环节发生故障的话，那么整个系统就会瘫痪。晶体管也同样如此，如果晶体管存在热点，而且故障发生在该局部热点，那么晶体管就无法工作。”然而晶体管的热点长度为亚微米级，传统物理温度计太大，无法测量电路中的局部温度。
此外，下一代设备大多基于微电路进行功率转换和无线通信，在高电压和高电流条件下工作时，出于安全，这些设备都不可触碰。
因此研究人员试图研发一种技术解决这些难题。
“我们希望研发高空间分辨率、非接触和无损热成像或测温技术” Choi博士介绍，“我们可以通过显微拉曼光谱技术实现这一目标，基本上可以说得上是发明光学温度计，我们正在利用拉曼技术实现光学热成像”。
拉曼光谱可以研究声子频率，研究人员通常利用这种能力研究材料的结构。 但值得注意的是，声子振荡与固体中的热传递以及温度也息息相关，Choi 博士强调物质间会以振动波的形式进行固体热传导，这也是Choi 博士及其团队想到利用拉曼光谱技术测量晶体管热点温度的重要原因。
“我们正在利用拉曼光谱仪进行温度测量，而不是像所有其他人那样进行结构表征，因此我们可以了解下一代微电子器件的自加热或过热特征”Choi说道。
下一代微电子器件，目前以超宽带隙半导体材料为主，包括氮化铝镓和氧化镓等材料。
“对于传统电子产品而言，所有消费电子产品内使用的晶体管和二极管都以硅为基础”，Choi 博士说。“但在高功率、高电流、高电压工作的应用要求下，硅在材料性能方面受到其自身限制，比如电子带隙就是其中一项重要限制。”
更大的带隙材料可传递更多能量，从而允许器件在更高的电压条件下工作。更宽的带隙转化为更大的材料临界电场，这意味着具有特定厚度，可以承受更高的电压，不会被烧毁。
Choi 博士表示，这带来的许多有利因素，比如开发更小、更轻、效率更高的系统。“以氮化铝镓、氧化镓等宽带隙半导体为基础的材料，目前在电动汽车或无线通信、卫星通信和军事领域等的应用都取得了巨大成功。但是过热依然是宽带隙和超宽带隙半导体取得商业成功的主要瓶颈。目前我们团队主要关注氮化镓的热问题研究。”
LabRAM HR Evolution Confocal Raman Microscope examines a slicone wafer
Choi 博士及其团队在实验时，利用多种方法来获得尽可能精确的读数。
首先他的团队使用带有超低波数（ULF）滤波器和定制脉冲激光源的 HORIBA LabRAM HR Evolution 共聚焦拉曼显微镜(现已升级为HORIBA LabRAM Odyssey 高速高分辨共焦显微拉曼光谱仪 )，ULF滤波器允许捕捉斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射，帮助研究人员获得更准确的温度读数。
“你可以查看低波数，能看到更多可以用来测量温度和研究子连续谱热传输的波峰，”Choi博士说道，“与其他拉曼系统相比，LabRAM HR Evolution的焦距更长，具有更高的光谱分辨率，进而提供更高的温度分辨率，还具有突出的成像能力。”
此外，拉曼仪器周围用黑色帘布遮挡。这层黑色屏障，可以消除环境光，实现更精确的实验测量。
LabRAM HR Evolution protruding outside of blackout box in Sukwon Choi’s Penn State University lab.
与其他研究人员不同，Choi 博士选择将拉曼光谱作为一种测量温度的手段，来研究微/纳米系统的热问题，并着眼于氮化镓的研究。这种独辟蹊径的探索，不仅让前沿问题有了突破瓶颈的有效方法，有望满足商业需求，还拓展了拉曼光谱的检测功能和应用领域，给仪器制造者以新的启发。相信参与其中的每个人都会从中获得愉悦和满足，这可以说是科研探索之美的一次生动写照吧！
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