氮化镓器件的近结热仿真与热设计.pdf

博士生资格考试

氮化镓器件的近结热仿真与

热设计

学生：沈扬

导师：曹炳阳教授

2024年1月

内容提要

研究背景

计划研究内容

已完成工作

未来研究规划

2

研究背景：氮化镓器件的热瓶颈

热问题已成为氮化镓等电子器件发展的瓶颈

理论输出功率

实际输出功率

自热效应引起器件电学性能退化器件寿命随结温指数衰减氮化镓功放实际功率远小于理论值

➢由自热效应引起的器件输出电流退化甚至可达到近50％。

➢器件结温每增加1℃，可靠性就会下降5%。

➢目前氮化镓功率放大器实际功率比理论功率小一个量级。

通过近结热管理降低器件内部热阻对解决器件热问题至关重要！

[1]K.Ranjan,S.Arulkumaran,G.Ng,etal.,“Investigationofself-heatingeffectonDCandRFperformancesinAlGaN/GaNHEMTsonCVD-

diamond,”IEEEJournaloftheElectronDevicesSociety,vol.7,pp.1264–1269,2019

[2]4M.Rosker,C.Bozada,H.Dietrich,etal.,“TheDARPAwidebandgapsemiconductorsforRFapplications(WBGS-RF)program:PhaseII

results,”CSManTech,vol.1,pp.1–4,20093

研究背景：近结非傅里叶热扩展

➢在GaNHEMT中，热量由二维电子气区域的电子-声子相互作用产生，宽

度由百纳米到十几微米不等，将产生显著的扩展热阻

➢此外，器件由多层微纳米薄膜构成，各层厚度和热源尺寸与声子的平均

自由程相当，将会产生显著的声子弹道效应，改变温度分布并提高结温

傅里叶定律和声子蒙特卡洛

热扩展过程无量纲温度分布:(a)有限元(b)声子蒙特卡洛

预测的结温对比

•目前对器件近结非傅里叶热扩展过程的机理认识仍然不足，如器件几何

尺寸、热源分布、声子频谱等的影响

[1]Q.Hao,H.Zhao,andY.Xiao,“Ahybridsimulationtechniqueforelectrothermalstudiesoftwo-dimensionalGaN-on-SiChighelectronmobility

transistors,”JournalofAppliedPhysics,vol.121,no.20,p.204501,2017.

[2]Y.C.Hua,H.L.Li,B.Y.Cao.Thermalspreadingresistanceinballistic-diffusiveregimeinGaNHEMTs.IEEETransactionsonElectron

Devices,2019,66(8):3296-3301