GaN基高电子迁移率场效应晶体管的热响应研究与模拟

摘要

氮化镓（GaN）材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿电场强度高、介电常数小等优点。以 GaN 为基础制作的AlGaN/GaN HEM工具有较高的二维电子气密度和功率密度，特别适合于高频大功率应用。当HEMT 器件工作于大功率环境时，会产生明显的自热效应，导致器件性能降低，甚至引起功能失效，严重影响到器件的商业化应用。因此，GaN 基 HEMT的热效应研究成为近年来的一个研究热点。建立完善的器件热特性理论模型，全面考察各种因素在改善器件热特性方面的作用，获得器件在各种情况下的温度解析，对器件的设计、生产与产业化具有十分重要的意义。
　　 本文首先概述了 GaN 基 HEMT 器件的基本结构与工作原理，分析了温度对器件性能的影响。基于一种新型两栅极通孔结构 GaN HEMT 器件，考察了材料参数和器件结构对器件热效应的影响。
　　 本文基于 ANSYS 有限元软件平台，参考前人研究成果，建立了器件热效应三维仿真模型。在建模过程中，简化了计算模型，忽略了对温度影响很小的缓冲层 AIN 和有源层 AlGaN，材料的热导率假设是各向同性的，并假设热流只从衬底底部流出，衬底底部保持恒定温度 300K。
　　 利用该模型计算了 GaN 基 HEMT 器件在各种因素下的热效应，获得了器件在不同功率密度，不同衬底材料，不同衬底厚度，不同栅间距以及不同通孔尺寸等情况下的温度分布。对模拟结果的分析显示，材料热导率随温度的变化在高温下将使器件散热性能降低；衬底是热阻的主要来源，对衬底的优化可以得到最大的器件热性能改善；栅间距和通孔尺寸对器件热特性有一定的影响。计算结果为器件的热设计提供了参考依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 GAN基HEMT高温特性及热模拟研究的现状

1．2．1 器件高温特性的研究现状

1．2．2 实验方法研究器件热特性的现状

1．2．3 热模拟的研究进展

1．3 GAN HEMT 热特性研究中存在的问题

1．3．1 温度对器件性能的影响

1．3．2 衬底材料问题

1．3．3 器件结构对热性能的影响

1．3．4 实验和工艺方面的问题

1．4 本文研究的目的、意义和基本内容

第二章 GAN基HEMT的器件结构及其高温特性

2．1 器件热特性研究的重要性

2．2 器件结构与自热效应概述

2．2．1 异质结界面势阱和二维电子气的形成

2．2．2 器件基本结构

2．2．3 自热效应

2．3 高温对器件性能的影响

2．3．1 二维电子气高温特性的影响

2．3．2 外延材料缺陷的影响

2．4 小结

第三章 ANSYS有限元分析概述

3．1 有限元分析法及步骤

3．2 ANSYS软件

3．3 ANSYS热分析概述

3．4 热分析的理论依据

第四章 有限元模型的建立与求解

4．1 热模拟中载荷与边界条件的确定

4．1．1 热源确定

4．1．2 边界条件

4．2 二维与三维模拟的对比

4．3 有限元模型的建立与求解

4．3．1 计算模型的建立

4．3．2 施加载荷与求解

4．3．3 数据处理

第五章 器件热特性在不同情况下的数值模拟结果与分析

5．1 随温度变化的热导率的影响

5．2 衬底的影响

5．2．1 衬底材料的影响

5．2．2 衬底厚度的影响

5．3 栅间距的影响

5．4 通孔的影响

5．4．1 通孔结构和普通结构的比较

5．4．2 通孔长度的影响

5．4．3 通孔深度的影响

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致 谢