sic基hemts器件的沟道温度热仿真

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1、SiC基HEMTs器件的沟道温度热仿真摘要:GaN作为第三代半导体材料，具有大的禁带宽度，高的饱和速度以及非常高的漏电流密度，导致了AlGaN/GaNHEMTs器件在高温，高功率应用方面脱颖而出。本文通过使用有限元法，实现了在稳态条件下对高电子迁移率晶体管(HEMTs)的温度分布，得到了沟道温度随着沟道位置的不同而不同的变化图。通过仿真得到，在中心沟道处的温度最高，以及随着远离沟道中心，沟道温度将会减小的结论。关键词:高电子迁移率晶体管；有限元法；沟道温度1.引言最近几十年里，AlGaN/GaNHEMTs器件引起了国内外的极大关注。Ga

2、N作为第三代半导体材料，具有大的禁带宽度，高的饱和速度以及非常高的漏电流密度[1]，导致了AlGaN/GaNHEMTs器件在高温，高功率应用方面脱颖而出[2-7]。但是随着器件设计师一味的追求器件的高的功率密度，导致了HEMTs器件的自热效应也在增加。在大的偏置条件下，HEMTs器件较高功耗会导致比较高的结温和声子散射，而这些会导致电子迁移率和电子饱和速度的降低，最终会影响到器件输出功率[8]。另外，自热效应会对器件的直流输出特性产生消极的影响，主要是在饱和区将是漏电流随着漏源电压的增加而下降[8-9]。由器件的自热效应所引发的高的沟道

3、温度，不仅仅会对器件的电学性能产生影响，还会加速器件的老化，更为严重的会使器件的栅极电极恶化，并使得连接封装与芯片之间的金属导线烧毁，甚至会导致器件完全失效，并产生一系列的可行性问题[9-10]。鉴于此，本文主要的工作在于，通过多物理场仿真软件，再现了一种HEMTs器件的在一定功耗条件下的沟道温度的分布。并得到了器件内部的热流分布图。2.原理目前有多种方式可以测到半导体器件的沟道温度的分布，主要使用的方法有：红外成像法；拉曼法以及电子温度敏感参数法等等[11]。但是本文的主要目的在于使用仿真软件得到器件的温度分布，为下一步对器件的热管理

4、以及热分布的优化打下基础。本文主要用到的物理原理是热传导。热传导问题研究的是温度在空间的分布和随时间的变化，用T(x,y,z,t)表示。其满足的方程为[12]：（1）其中ρ为密度，Cp为热容，Q为热流密度，k为物质的热传导系数，u为对流项中的外场因变量。在本仿真中，主要研究的是器件在稳态的条件下的温度分布状态，因而（1）式中的第一项温度对时间的偏导数为零。对于器件的边界条件，本文考虑在器件的衬底层的下底面为300K温度，其余所有的侧面为热绝缘条件，而器件的上表面设置为开边界条件。器件的三维结构如图1所示。该器件为6指结构，其中栅长为0.

5、4微米，源漏距离为4微米。考虑到计算速度以及为了尽可能的得到比较精确的结果，本文只考虑器件的四分之一的结构，其余的部分可以通过对称得到。（1）为器件的截面图形（2）器件的三维机构图（3）器件的电极分布图器件的结构图中（1）为器件的截面图形，(2)为器件的三维机构图，(3)为器件的电极分布图。其中最底层为SiC衬底，以此为AlN成核层，GaN层，AlGaN层，栅格电极。其中Al的摩尔浓度为0.28。在本研究中，为了尽可能的简化方程，忽略了器件与空气的对流项，即使得方程的第三项u=0。为了更为精确的得到器件的温度分布，考虑了各种材料热导率随

6、温度的变化。从文献13中可以知道，材料的热导率随温度的变化满足非线性化的关系，如下式所示：（2）其中k0是在参考温度T0=300K时的热导率，T是实际的材料的温度，m是系数。各层材料的热导率以及密度等参数见表1。表1，使用有限元法所需要的材料的参数[14]材料热导率k0[W/(mK)]密度[kg/m3]热容[J/(kgK)]系数mSiC37032006901.49AlN5023306050GaN13061504901.4AlGaN5051856050Ti/Al/Ni/Au200--0Ti/Pt/Au130--0Au30019320128

7、03.模拟结果与讨论按照上述条件，将材料的各种性质参数添加到模型中之后，在本仿真中假设功耗为10W，即热源功率为10W。在仿真是，认为热源主要是集中在了AlGaN层。使用有限元法，先对模型进行网格划分。注意在网格划分的时候在GaN层，AlGaN层以及电极层部分，网格应该尽量的密集一些。仿真结果如图（4、5、6）图所示。(4)器件沟道中心处的温度分布(5)远离沟道中心5微米之后的温度分布(6)远离沟道中心10微米之后的温度分布器件沟道处的温度分布结果中(4)中所示的是器件沟道中心处的温度分布，(5)中表示的是，在远离沟道中心5微米之后的温

8、度分布，(6)中表示的是，在远离沟道中心10微米之后的温度分布图。从图（4）中可以看出，6指结构的饿HEMTs器件，在中心沟道处的温度最高，越是远离中心沟道，沟道温度越低。其中中心沟道的温度在功耗为10W的