【摘 要】
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氮化镓材料作为第三代宽禁带半导体的代表材料之一,具有高热导率、高击穿场强、高电子迁移率等优秀的特性,GaN HEMT器件被广泛应用于高温、高压和大功率领域,比如雷达和5G通信。但是在大功率下,因为自热效应,器件的温升也十分明显,导致器件退化、失效与寿命减短。为了克服GaN HEMT器件的热不稳定所带来的问题,国内外学者深入研究了GaN HEMT器件的热学问题,研究发现GaN与衬底材料之间的边界热阻
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氮化镓材料作为第三代宽禁带半导体的代表材料之一,具有高热导率、高击穿场强、高电子迁移率等优秀的特性,GaN HEMT器件被广泛应用于高温、高压和大功率领域,比如雷达和5G通信。但是在大功率下,因为自热效应,器件的温升也十分明显,导致器件退化、失效与寿命减短。为了克服GaN HEMT器件的热不稳定所带来的问题,国内外学者深入研究了GaN HEMT器件的热学问题,研究发现GaN与衬底材料之间的边界热阻（Thermal Boundary Resistance,TBR）会显著提升器件的沟道结温。所以,本论文深入研究了不同衬底的边界热阻对AlGaN/GaN HEMT器件的影响,通过该研究了解影响AlGaN/GaN HEMT器件沟道结温的因素,对器件的热设计与热管理提出一定的优化方案。本文首先利用COMSOL软件对AlGaN/GaN HEMT器件进行二维的建模仿真,分析了衬底材料、边界热阻、栅长和栅漏距离对于AlGaN/GaN HEMT器件沟道结温的影响,获取了器件的沟道温度分布和GaN-衬底交界处的纵向温度图,结果发现:金刚石的散热效果最好,SiC较优,Si最差,并且随着功率密度的增大,沟道结温的增长速率会升高;AlGaN/GaN HEMT器件沟道结温的升高与边界热阻的增加成线性相关,并且热导率高的衬底器件受到边界热阻的影响更大,边界热阻主要是通过影响GaN缓冲层即器件有源区的温度分布来影响AlGaN/GaN HEMT器件的整体温度分布和沟道结温;栅长和栅漏距离的增加都会降低沟道结温,使得器件整体的温差比较缓和,提高器件的热可靠性。其次,建立了多栅指AlGaN/GaN HEMT器件的三维有限元仿真模型,并利简化后的热传播模型指导和分析影响器件热分布的因素,并在二维模型的基础上对三维模型进行一些优化,分析了衬底材料、边界热阻和栅指间距对多栅指AlGaN/GaN HEMT器件的热分布影响,获得了器件整体与沟道处详细的温度分布图。结果表明:Si衬底在大功率下的自热效应严重,温升明显,SiC和金刚石在大功率下具有良好的散热性;多栅指器件沟道结温随着边界热阻的增加而增加,但是增加速率有上限,说明大功率器件的散热效果主要靠热沉层;增加栅指距离,会减少栅指间的热耦合效应,有效降低沟道结温。最后,通过对两种AlGaN/GaN HEMT器件结构的仿真分析,提出一些针对AlGaN/GaN HEMT器件热优化的建议:在不影响器件输出特性的前提下,采用高热导性的衬底材料,选用高热导率的成核层以减少GaN-衬底的边界热阻,适当增加栅长,增加栅漏间距与栅指间距来降低AlGaN/GaN HEMT器件的沟道结温,提高器件的热稳定性。
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