小尺寸下GaN基HEMT器件热特性的研究

发布时间：2020-04-15 12:46

【摘要】：近年来,AlGaN/GaN HEMT器件因其优异的性能,在高频和高功率等领域得到了广泛的发展。但是随着器件工艺的进步,HEMT器件的特征尺寸越来越小,由此带来结温不断上升,电学性能退化,热失效率增加等问题。研究表明,接近55%的电子器件失效与器件的温度有关,50%的集成电路失效与热应力有关。因此,研究HEMT器件的温升对于HEMT器件的热评估以及热设计具有重要的参考价值。虽然对HEMT器件的稳态温升已有诸多研究,但是对器件热阻的变化机理以及瞬态热特性的研究仍不够深入。在该背景下,本文主要通过实验和仿真的手段对HEMT器件热阻的变化机理和瞬态热特性进行了研究。主要工作如下:1)对目前HEMT器件常用的结温测试手段—红外测温法、电学测温法和拉曼测温法,以及用于结温理论分析的热传播方程进行了详细介绍;讲解了在Sentaurus TCAD仿真工具中针对HEMT器件模拟时所选用的物理模型。2)以CREE公司生产的AlGaN/GaN HEMT器件为主要研究对象,利用空间分辨率为7um的红外热像仪测量该HEMT器件工作在V_(ds)=28V,I_(ds)=500mA的偏置条件下,平台温度分别为60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃时器件的稳态温升,然后用这组红外实验结果优化Sentaurus TCAD的仿真模型。3)以优化后的仿真模型为基础,模拟HEMT器件在不同栅长、栅宽、衬底厚度下工作在V_(ds)=28V,I_(ds)=500mA时的稳态温度分布,以及HEMT器件工作在不同的源漏电压、源漏电流下所对应的热分布。利用热传导方程,建立GaN HEMT器件的热传播模型,推导器件的热阻公式。分析器件的热阻随栅长、栅宽、衬底厚度、源漏电压以及电流的变化机理,并且提出改善器件热阻的有效措施。4)将HEMT器件工作在脉冲条件下时,热源温度的升高-降低-升高过程类比为电容的充电-放电-充电过程,推导出器件的热源温度随器件尺寸参数以及工作条件等的变化规律。利用优化后的仿真模型,模拟HEMT器件在不同栅长、功率、频率以及占空比条件下热源温度的变化,与理论分析做对比,分析这些因素对HEMT器件瞬态热特性的影响机理。最后,基于以上分析,对HEMT器件瞬态安全工作范围提出优化措施。
【图文】：

图 3-1 HEMT 器件的结构图以及局部放大图3-1 The top view and partial enlargement of GaN-based H件容易产生自激振荡，为防止其产生振荡，将防自激电路上，，再将其放置在红外热像仪的恒温自激电路。为实现对壳温的精确控制，在加电恒温平台上几分钟，使壳温达和平台温度保持源表为 GaN HEMT 器件提供 Vds=28V 的漏源电源电流 Ids=500mA，保持 2-3min，使器件的结温捕捉此时的红外热像图。重复以上步骤，分别测90℃、100℃下器件的壳温，在实验的过程中一直螺钉料焊片芯壳管极源螺钉防自激电路

第 3 章 GaN HEMT 器件热阻的影响机理研究中所用的实验装置如下：像仪以及相应的配套装置件及附属的防自激装置压 Vds和 Vgs的 Keithley 2400 数字源表（2 台 GaNHEMT 器件在平台温度为 100℃下的红极附近的温度最高，从温度条上可知最高温温平台下所对应的器件结温。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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本文编号：2628567