论文部分内容阅读
由于第三代半导体材料GaN具有多方面的电学优势，GaN基HEMT器件在大功率、高频应用领域显示出卓越的性能。作为雷达、通讯技术中微波功率放大器应用的关键元件，GaN基HEMT器件在军事、国防、通信等领域有着重要的战略意义。同时，器件在工作时的沟道温度直接影响着器件的各项性能，因此对器件的温度特性的研究显得极为重要。本文以CREE公司的GaN基HEMT器件为样品，利用扫描电镜和激光聚焦显微镜对开帽、切片的样品进行测量，得到器件结构与尺寸，采用红外热像仪采集的温度为验证依据，通过数值模拟的手段进行GaN基HEMT器件温度特性研究。 本文主要包括以下几方面的工作: 一、选择CREE公司的GaN基HEMT器件为研究对象，对实际器件进行解剖工作——开帽和切片处理。通过扫描电镜和激光聚焦显微镜对样品进行测量，利用其测量的各项几何参数进行Sentaurus TCAD数值模型建立。为减小服务器工程模拟时间，采用二维有限元模型。同时为保证模型的有效性，采用红外热像仪采集的数据进行校验。其中针对实际红外热像仪采集时空间分辨率为7μm的局限性，设置并计算该模型栅极热源附近7μm范围内平均温度。通过该温度与红外热像仪采集温度进行比较，进一步校验模型的有效性。从而保证了模型的准确性。 二、利用已建立的准确模型，通过改变GaN基HEMT器件的各个参数，研究其对器件热特性的影响。分别讨论了在不同栅极长度、不同栅极间距、不同GaN层厚度、不同衬底宽度以及不同衬底厚度条件下器件热特性的规律，并对模拟结果进行了分析。研究表明:(1)GaN基HEMT器件的峰值温度严重依赖于器件的栅极长度，在为提高器件的高频特性，兼顾器件的热特性，器件的栅极长度应当谨慎设计;(2)对于本研究的例子中，GaN基HEMT器件的热耦合效应受栅极间距的影响大，尤其当器件的栅极间距小于30μm时，器件的峰值温度随栅极间距的减小而迅速增大;(3)在兼顾GaN层的应力和缺陷的同时，还应当考虑不同厚度的GaN层对器件的散热造成的影响;(4)因过分扩大器件衬底宽度，以达到良好的散热特性，其面积利用率（成本）将随之增大，因而需权衡该二者;(5)为了达到更小的衬底热阻，需要减薄衬底厚度，但过薄的衬底厚度，可能在器件生产过程中使得晶圆在转移过程中造成毁灭性的后果。因此该二者也需权衡。 三、通过对模拟加载不同的脉冲信号，分别研究了不同频率:1kHz、5kHz、10kHz以及100kHz和不同占空比:30％、50％、70％条件下器件瞬态热特性。通过分析得出以下结论:(1)器件在不同的频率下达到的稳定温度分布的时间不同，频率越高，达到稳态的时间越短;(2)器件在不同的频率下稳定温度分布时的最高温度点温度不同，频率越高，达到稳态的温度越低;(3)器件加载的信号频率越低，积累的热量越多，导致器件稳态时最高温度点温度越高;(4)对器件施加频率信号的占空比越大，稳态最高温度点温度值越高。