氮化鎵器件的近結(jié)熱仿真與熱設(shè)計

氮化鎵器件的近結(jié)熱仿真與2024年1月2研究背景計劃研究內(nèi)容未來研究規(guī)劃理論輸出功率理論輸出功率實際輸出功率自熱效應(yīng)引起器件電學(xué)性能退化器件壽命隨結(jié)溫指數(shù)衰減氮化鎵功放實際功率遠小于理論值器件結(jié)溫每增加1℃,可靠性就會下降5%。diamond,”IEEEJournaloftheElectronDevicesSociety,vol.7,pp.1264–1269,2019results,”CSManTech,vol.1,pp.1–在GaNHEMT中，熱量由二維電子氣區(qū)域的電子-聲子相互作傅里葉定律和聲子蒙特卡洛預(yù)測的結(jié)溫對比熱擴展過程無量綱溫度分布:(a)有限元(b)傅里葉定律和聲子蒙特卡洛預(yù)測的結(jié)溫對比[1]Q.Hao,H.Zhao,andY.Xiao,“Ahybridsitransistors,”JournalofAppliedPhysics,vol.121,no.20,4Devices,2019,66(8):345[1]B.Chatterjee,C.DundaJournalofAppliedPhysics,vol.127,no.4,p.67近結(jié)聲子熱輸運機理電熱耦合輸運器件跨尺度熱設(shè)計8分析近結(jié)非傅里葉熱擴展的特點探究器件近結(jié)電熱耦合輸運的規(guī)律開展實際三維器件的跨尺度熱仿真與熱設(shè)計9近結(jié)熱擴展過程的聲子蒙特卡洛模擬研究氮化鎵器件的電熱耦合模擬研究4.非傅里葉熱擴展對器件電學(xué)性能退化的影響研究5.氮化鎵器件跨尺度熱仿真平臺開發(fā)熱擴展過程示意圖聲子模型預(yù)測的熱導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系與實驗值對比模擬結(jié)果表明基于傅里葉定律的預(yù)測相比，GaN的無量綱總熱阻隨w/t的變化wg/w=0.01，t分別為0.2和4μm模型預(yù)測的不同寬禁帶半導(dǎo)體的無量綱總熱焦耳熱分布具有強烈的偏置電壓依賴性，在相同HS1:表征當(dāng)vd<vdsat器件處于線性區(qū)時，整個溝道內(nèi)部的均勻產(chǎn)熱.HS2:表征當(dāng)vd>vdsat器件處于飽和區(qū)時，柵極下方靠近漏極一側(cè)的集中產(chǎn)熱.針對不同幾何尺寸的HEMT器件，不同偏置4.非傅里葉熱擴展對器件電學(xué)性能影響研究4.非傅里葉熱擴展對器件電學(xué)性能影響研究Tmax（最高溝道溫度衡量器件可靠性，受到法向彈道效應(yīng)和由熱Teq（等效溝道溫度衡量器件電學(xué)性能下降，僅受到法向彈道效(b)4504003503000kalm十KHS2kflmkbulk51015pdiss(w/mm)Tmax和Teq在不同偏置電壓下隨功耗的變化Tmax和Teq的行為顯著不同，在實際器件熱設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)同時考慮兩個指標(biāo)！氮化鎵層溫度場分布沿?zé)嵩粗芯€水平溫度分布最內(nèi)側(cè)熱源中心處垂直溫度分布分析了聲子頻譜對寬禁帶半導(dǎo)體器件近結(jié)熱擴展的影響，基于半經(jīng)驗的熱阻模型發(fā)展了可以考慮聲子頻譜的等效熱導(dǎo)率模型；開展了基于第一性原理的穩(wěn)態(tài)全帶聲子蒙特卡洛模擬，比較了文獻中常用的考慮聲子彈道輸運的模型的可靠性，強調(diào)了直接使用第一性原理計算的聲子屬性的模擬。定量證明了偏置依賴性對于擴展熱阻及聲子彈道效應(yīng)具有顯著影響，并發(fā)展了可用于快速估計器件溫升的雙等效熱導(dǎo)率模型；分析了聲子彈道輸運對器件電學(xué)性能退化的影響，表明器件性能完成了通用性的跨尺度耦合熱仿真平臺架構(gòu)設(shè)計，對實際三維多柵HEMT器件進行了跨尺度耦合模擬，在擴散輸運機制?進一步發(fā)展跨尺度熱仿真與熱設(shè)計平臺，實現(xiàn)第一性原理/分子動力學(xué)/晶格動力學(xué)/聲子蒙特卡洛/有限元的全面跨尺熱成像系統(tǒng)驗證仿真及設(shè)計平臺的可靠性，并以此提高器件線性傳熱過程特性分析、約束熱阻及射線聲子學(xué)、三維晶體1.Y.Shen,Y.C.Hua,H.L.Li,S.L.Sobolev,B.Y.Cao.Spectralthermalspreadingresistanceofwide-bandgapsemiconductorsinballistic-diffusiveregime.IEEETransactionsonElectronDevices,2022,69(6):3047-3054.2.Y.Shen,X.S.Chen,Y.C.Hua,H.L.Li,L.Wei,B.Y.Cao.Biasdependenceofnon-FourierheatspreadinginGaNHEMTs.IEEETransactionsonElectronDevices,2023,70(2):409-417.3.Y.Shen,H.A.Yang,B.Y.Cao.Near-junctionphononthermalspreadinginGaNHEMTs:Acomparativestudyofsimulationtechniquesbyfull-bandphononMonteCarlomethod.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2023,211:124284.4.Y.Shen,andB.Y.Cao.Two-TemperaturePrincipleforEvaluatingElectrothermalPerformanceofGaNHEMTs.AppliedPhysicsLetters,