A1GaN/GaN HEMT热特性研究

得益于异质结结构,AlGaN/GaN HEMT成为当前最具发展潜力的射频、微波器件之一。因其大电流增益、高截止频率、强驱动能力、低相位噪声以及大功率密度等优点,AlGaN/GaN HEMT在高温、大功率、高频、光电子、抗辐射等商用领域、军事领域的应用不断扩大。但是,当HEMT器件工作于大功率、高温环境时,耗散功率会引起导电沟道区域温度升高,产生显著自加热效应,引起附加功率效率和电流输出能力降低,进而引起器件射频、微波性能的退化,严重自加热效应还会导致器件功能失效。因此,建立起AlGaN/GaN HEMT二维热模型,将有助于深入了解大功率器件的发热、散热机理,更好地对AlGaN/GaN HEMT进行热管理,进而能够有效地指导器件设计及参数优化。 本文的工作重点是基于TCAD软件对AlGaN/GaN HEMT功率器件进行二维建模,并在此基础详细讨论了单指结构和多叉指结构器件的热形貌分布,提出了对大功率器件进行热管理的思想和方法。 首先,本文简要介绍了GaN材料特性,AlGaN/GaN HEMT基本理论和工作原理,着重阐述由极化效应引起的存在于AlGaN/GaN界面的高面密度二维电子气及其对器件性能的影响。 其次,选择适合AlGaN/GaN HEMT的电学、热学物理模型,并对模型进行逐一讨论。在讨论热导率、热阻抗模型的基础上,引入了热管理概念。阐述了热管理对高功率器件的重要性和必要性。 最后,借助商用TCAD软件对AlGaN/GaN HEMT进行数值分析。将仿真结果与已发表文献实验数据作比较,佐证了模型的合理性有效性。分析了器件的交、直流特性,特别是RF特性。并在此基础上,讨论了静态功耗与沟道峰值温度分布、器件整体热形貌分布的关系；材料参数和版图参数对交、直流参数及热形貌分布的影响。