GaN基HEMT器件热学问题研究

作为第三代半导体材料,氮化镓(GaN)由于具备高击穿电压、热导率和电子饱和漂移速度等杰出特点,使得其器件在高温及大功率方面具有很突出的应用前景。随着器件尺寸越来越小,在高温工作条件下的性能退化的问题也越来越显著,在此背景下,本文将针对GaN基HEMT器件的热学问题展开研究。论文首先研究了温度对AlGaN/GaN HEMT器件直流I-V特性、肖特基接触、欧姆接触以及C-V特性的影响,同时对肖特基接触在温度为300K到473K范围内的T-I-V特性进行了研究。基于传统的热电子发射(TE)模型得到的理想因子和势垒高度是与温度相关的函数。采用数值拟合的方法讨论了室温以及473K下肖特基的正向电流输运机制并将串联电阻的影响考虑在内,发现在室温下所测电压范围内隧穿电流占主导地位,而随着温度的升高,热电子发射电流所占比重越来越大。采用McAlister和Kuzmik提出的两种直流电学方法对GaN基HEMT器件沟道温度进行测试。测量中,需要在变温的条件下监控器件的温度敏感参数,如直流漏电流、源电阻及阈值电压等,从而评估器件的沟道温度。电学方法操作简单,且快速,可以用于AlGaN/GaN HEMT器件自热效应的评估,获得的是整个器件有源区的平均温度。利用Silvaco-ATLAS对AlGaN/GaN HEMT器件进行热仿真,表明器件的强场高温点位于器件栅极靠近漏端一侧的亚微米区域。同时,建立AlGaN/GaN HEMT器件的3D有限元热模型,同时模型计入热导率随温度的非线性关系以及器件边界的对流散热系数,得到器件在工作情况下的温度分布细节。之后,将仿真结果与两种直流电学方法进行比较,发现它们具有相同的变化趋势,且偏差比较小。这说明了三维有限元热仿真可以用于GaN基HEMT器件的热管理,提供不同器件之间的定性比较。与两种电学方法相比,三维有限元方法更简单方便。