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1、SiC基HEMTs器件的溝道溫度熱仿真摘要:GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，具有大的禁帶寬度，高的飽和速度以及非常高的漏電流密度，導(dǎo)致了AlGaN/GaNHEMTs器件在高溫，高功率應(yīng)用方面脫穎而出。本文通過(guò)使用有限元法，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)高電子遷移率晶體管(HEMTs)的溫度分布，得到了溝道溫度隨著溝道位置的不同而不同的變化圖。通過(guò)仿真得到，在中心溝道處的溫度最高，以及隨著遠(yuǎn)離溝道中心，溝道溫度將會(huì)減小的結(jié)論。關(guān)鍵詞:高電子遷移率晶體管；有限元法；溝道溫度1.引言最近幾十年里，AlGaN/GaNHEMTs器件引起了國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。Ga
2、N作為第三代半導(dǎo)體材料，具有大的禁帶寬度，高的飽和速度以及非常高的漏電流密度[1]，導(dǎo)致了AlGaN/GaNHEMTs器件在高溫，高功率應(yīng)用方面脫穎而出[2-7]。但是隨著器件設(shè)計(jì)師一味的追求器件的高的功率密度，導(dǎo)致了HEMTs器件的自熱效應(yīng)也在增加。在大的偏置條件下，HEMTs器件較高功耗會(huì)導(dǎo)致比較高的結(jié)溫和聲子散射，而這些會(huì)導(dǎo)致電子遷移率和電子飽和速度的降低，最終會(huì)影響到器件輸出功率[8]。另外，自熱效應(yīng)會(huì)對(duì)器件的直流輸出特性產(chǎn)生消極的影響，主要是在飽和區(qū)將是漏電流隨著漏源電壓的增加而下降[8-9]。由器件的自熱效應(yīng)所引發(fā)的高的溝道
3、溫度，不僅僅會(huì)對(duì)器件的電學(xué)性能產(chǎn)生影響，還會(huì)加速器件的老化，更為嚴(yán)重的會(huì)使器件的柵極電極惡化，并使得連接封裝與芯片之間的金屬導(dǎo)線燒毀，甚至?xí)?dǎo)致器件完全失效，并產(chǎn)生一系列的可行性問(wèn)題[9-10]。鑒于此，本文主要的工作在于，通過(guò)多物理場(chǎng)仿真軟件，再現(xiàn)了一種HEMTs器件的在一定功耗條件下的溝道溫度的分布。并得到了器件內(nèi)部的熱流分布圖。2.原理目前有多種方式可以測(cè)到半導(dǎo)體器件的溝道溫度的分布，主要使用的方法有：紅外成像法；拉曼法以及電子溫度敏感參數(shù)法等等[11]。但是本文的主要目的在于使用仿真軟件得到器件的溫度分布，為下一步對(duì)器件的熱管理
4、以及熱分布的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。本文主要用到的物理原理是熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)問(wèn)題研究的是溫度在空間的分布和隨時(shí)間的變化，用T(x,y,z,t)表示。其滿足的方程為[12]：（1）其中ρ為密度，Cp為熱容，Q為熱流密度，k為物質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，u為對(duì)流項(xiàng)中的外場(chǎng)因變量。在本仿真中，主要研究的是器件在穩(wěn)態(tài)的條件下的溫度分布狀態(tài)，因而（1）式中的第一項(xiàng)溫度對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)為零。對(duì)于器件的邊界條件，本文考慮在器件的襯底層的下底面為300K溫度，其余所有的側(cè)面為熱絕緣條件，而器件的上表面設(shè)置為開(kāi)邊界條件。器件的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件為6指結(jié)構(gòu)，其中柵長(zhǎng)為0.
5、4微米，源漏距離為4微米。考慮到計(jì)算速度以及為了盡可能的得到比較精確的結(jié)果，本文只考慮器件的四分之一的結(jié)構(gòu)，其余的部分可以通過(guò)對(duì)稱得到。（1）為器件的截面圖形（2）器件的三維機(jī)構(gòu)圖（3）器件的電極分布圖器件的結(jié)構(gòu)圖中（1）為器件的截面圖形，(2)為器件的三維機(jī)構(gòu)圖，(3)為器件的電極分布圖。其中最底層為SiC襯底，以此為AlN成核層，GaN層，AlGaN層，柵格電極。其中Al的摩爾濃度為0.28。在本研究中，為了盡可能的簡(jiǎn)化方程，忽略了器件與空氣的對(duì)流項(xiàng)，即使得方程的第三項(xiàng)u=0。為了更為精確的得到器件的溫度分布，考慮了各種材料熱導(dǎo)率隨
6、溫度的變化。從文獻(xiàn)13中可以知道，材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化滿足非線性化的關(guān)系，如下式所示：（2）其中k0是在參考溫度T0=300K時(shí)的熱導(dǎo)率，T是實(shí)際的材料的溫度，m是系數(shù)。各層材料的熱導(dǎo)率以及密度等參數(shù)見(jiàn)表1。表1，使用有限元法所需要的材料的參數(shù)[14]材料熱導(dǎo)率k0[W/(mK)]密度[kg/m3]熱容[J/(kgK)]系數(shù)mSiC37032006901.49AlN5023306050GaN13061504901.4AlGaN5051856050Ti/Al/Ni/Au200--0Ti/Pt/Au130--0Au30019320128
7、03.模擬結(jié)果與討論按照上述條件，將材料的各種性質(zhì)參數(shù)添加到模型中之后，在本仿真中假設(shè)功耗為10W，即熱源功率為10W。在仿真是，認(rèn)為熱源主要是集中在了AlGaN層。使用有限元法，先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。注意在網(wǎng)格劃分的時(shí)候在GaN層，AlGaN層以及電極層部分，網(wǎng)格應(yīng)該盡量的密集一些。仿真結(jié)果如圖（4、5、6）圖所示。(4)器件溝道中心處的溫度分布(5)遠(yuǎn)離溝道中心5微米之后的溫度分布(6)遠(yuǎn)離溝道中心10微米之后的溫度分布器件溝道處的溫度分布結(jié)果中(4)中所示的是器件溝道中心處的溫度分布，(5)中表示的是，在遠(yuǎn)離溝道中心5微米之后的溫
8、度分布，(6)中表示的是，在遠(yuǎn)離溝道中心10微米之后的溫度分布圖。從圖（4）中可以看出，6指結(jié)構(gòu)的餓HEMTs器件，在中心溝道處的溫度最高，越是遠(yuǎn)離中心溝道，溝道溫度越低。其中中心溝道的溫度在功耗為10W的
