半导体器件的建模、仿真与分析：大功率LED器件与半导体压阻器件的研究

摘要

本论文主要研究两种半导体器件（大功率LED和有机半导体压阻器件）的仿真和分析技术:第一部分关于大功率LED器件的建模、仿真和热分析技术的解决方案;第二部分关于有机半导体器件的模型研究和计算仿真。
　　其中第一部分的相关工作围绕大功率LED器件的结构—模型—散热问题展开实验和仿真开展工作，形成系统的器件分析方法和参数化仿真工具，并对器件散热问题进行研究。
　　主要研究工作包括:(1)LED体系散热的理论研究，初步分析影响器件散热的材料、工艺等因素;(2)基于材料分析实验方法，分析和研究对大功率LED器件工艺，并且建立了适合跨尺度研究的器件分析和参数提取方案;(3)针对大功率LED器件的工艺因素—散热性能关系研究，基于开源软件开发了针对LED散热模型的参数化有限元仿真工具;(4)基于(3)中建立的数值仿真工具，分析了大功率LED器件中材料、工艺和缺陷等因素对LED散热的影响。具体包括对以下四个方面的研究:
　　1.LED器件中散热问题的理论分析。在文献调研的基础上，根据LED器件封装的知识，我们对其散热机制进行了一般性理论分析。基于热阻网络模型，讨论了工艺界面因素在其中的重要影响，分析表明一些键合界面构成了LED散热体系的主要导热通道，而界面的几何缺陷可能使整体的热阻明显升高。应用正交网格的差分迭代法建立了含缺陷的2D界面的热传导模型，计算了缺陷对体系热阻上升的影响，结果表明热阻上升主要取决于缺陷的横向尺度和缺陷邻接区域的热阻。
　　2.结构分析和参数提取解决方案。利用材料微分析手段，我们建立了一套系统的从无损分析到有损分析，从宏观（厘米尺度）到微观（微米尺度）的器件分析流程。基于该套方法，我们对一系列大功率LED器件进行分析，提取了结构参数、材料参数等，并且比较了不同产品工艺之间的异同。分析认为大功率LED器件结构中的键合界面可能对器件最终的散热能力有较大影响。实验中我们观察到金锡焊料键合界面存在的缺陷(Kirkendal缺陷)，可能对器件整体散热性能有较大的影响。这部分研究中提取了一个典型LED器件的有关参数，是后续有限元热学仿真计算的数据基础。
　　3.参数化有限元数值仿真解决方案。在比较了开源软件和商用软件的特点和差异后，我们选择拓展功能较好的开源软件二次开发。利用Python文本处理和回调技术实现了对类似LED器件多层（含薄膜）结构进行快速、准确地参数化建模，并对有限元求解器文档接口进行了定制，兼容了参数化计算。通过设计文件接口、控制求解流程，并建立了一套参数化有限元热分析解决方案的程序包。我们分析了参数化方法中的数值问题（稳定性、准确性和收敛性）以及物理参数对收敛行为的影响，并提出了变步长迭代法改进了LED器件恒流源下瞬态热传导模型的计算效率和数值稳定性的方法，计算结果表明变步长的迭代方法具有数值稳定性、收敛性和较高的计算效率。
　　4.LED器件工艺与散热问题的仿真研究。基于第一部分的理论分析、第二部分的实验研究和第三部分的计算工具，我们对一个具有复杂工艺结构的倒装型大功率LED器件散热性能的研究（该器件的参数源于第二部分的实验研究）。研究认为(1)金凸点工艺的几何尺寸对器件整体散热能力相对有限;(2)研究了器件/外热沉之间硅脂导热和金属焊接方式下，不同散热鳍片数量等因素对器件结温的影响。计算结果表明，两种界面处理方式下，鳍片从12片到48片都能产生10度左右的结温降低;而采用金属焊接键合方式比导热硅脂粘结方式可以使结温降低10K甚至更多。(3)金锡焊料界面中的缺陷可能在较大输入功率情况下对结温的提升有较大影响（4w时结温提升可达10度以上）。
　　第二部分工作研究了有机半导体压阻器件的压阻特性。
　　我们将通过纳米压痕实验测量和压阻测试获取Alq3和MEH-PPV的实验数据进行分析，发现压力增加导致有机半导体材料的电流饱和的现象。我们扩展了Miller-Abrahams模型，建立电流-应变（应力）方程分析了电学和力学等因素的影响。具体工作包括:
　　1.物理建模。基于Miller-Abrahams模型，并在合理界面假设的情况下推广至界面处的载流子迁移行为，得到了具有电流饱和特性的电流-应变曲线以及相应的物理方程。该方程具有两种渐进行为，分别代表两种电流输运机制主导模式。当压力增加时，界面电荷注入能力受限，并且影响了附近的载流子分布，限制了电流继续增大，最终导致了电流饱和行为。
　　2.薄膜的力学性质表征。即引入薄膜力学表征结果对压阻数据进行转换。我们利用测得的薄膜力学特性将压阻实验测得的电流-应力曲线转换为电流-应变曲线。分析认为薄膜自身的应力-应变性质的非线性性质不足以产生压阻薄膜的电流饱和现象。
　　3.数值仿真。利用Monte Carlo数值仿真方法验证了压阻薄膜的电流-应变曲线。计算表明了在外压较高的情况下，能量不确定性不足以改变对数电流-应变曲线的线性特征。
　　4.参数拟合。应用推导出的电流应变关系对实验数据进行参数拟合，结果表明实验与理论吻合度较好。

目录

摘要

1 前言

1．1 大功率LED器件简介

1．1．1 LED简史

1．1．2 LED器件的发光原理与制造工艺

1．1．3 大功率LED器件热分析研究进展

1．1．4 器件分析技术和数值计算方法

1．1．5 界面问题

1．2 有机半导体压阻器件

1．2．1 背景和简介

1．2．2 影响有机半导体电荷输运和压阻灵敏度的界面因素

1．2．3 有机半导体压阻器件的研究方法

1．3 研究内容和论文结构

参考文献

2 LED器件散热的理论分析

2．1 热分析理论和物理模型

2．2 热传导问题的一般方程

2．3 影响LED结温的因素的理论分析

2．3．1 结构因素

2．3．2 非结构因素

2．3．3 界面因素

2．3．4 外部散热因素

2．4 含缺陷界面的二维模型

2．4．1 计算原理、方法和工具

2．4．2 计算结果和讨论

2．5 结论

参考文献

3 器件结构分析和参数提取解决方案

3．1 材料表征技术简介

3．2 大功率LED器件分析流程设计

3．3 实验与分析

3．3．1 大功率LED器件

3．3．2 半导体激光二极管

3．3．3 其他LED器件

3．4 结论

参考文献

4 参数化有限元仿真解决方案

4．1 有限元法简介

4．1．1 有限元法基本思想和计算流程

4．1．2 有限元软件

4．1．3 有限元法求解热传导问题

4．1．4 其他研究工具

4．2 功能模块的设计与实现

4．3 解决方案的整体设计

4．3．1 计算环境的搭建

4．3．2 建模器的参数化

4．3．3 任务调度、程序接口以及解决方案的其他功能的设计

4．4 数值特性的验证与分析

4．4．1 收敛性验证

4．4．2 迭代算法的影响

4．4．3 变步长迭代对结果的影响

4．5 LED器件参数化仿真中的计算问题

4．5．1 材料参数的影响

4．5．2 局部网格尺度差异的影响

4．6 结论

4．6．1 解决方案的软件优势和不足

4．6．2 解决方案的数值特性

4．6．3 解决方案的改进空间

参考文献

5 大功率LED器件有限元热分析

5．1 大功率LED器件的热仿真分析研究进展

5．2 实验与仿真计算方法

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 原始参数仿真与实测结果的比较

5．3．2 网格收敛性验证

5．3．3 核心功率的影响

5．3．4 外部热沉的鳍片数量和外部键合方式的影响

5．3．5 金凸点工艺的影响

5．3．6 金锡焊料界面的影响

5．3．7 金锡焊料层界面中缺陷的影响

5．4 总结

参考文献

6 有机半导体的压阻特性的建模与仿真

6．1 研究背景

6．2 器件结构和制备

6．3 理论研究和计算方法

6．3．1 Miller-Abrahams模型

6．3．2 随机载流子仿真的Monte Carlo方法

6．3．3 力学-电学耦合模型与界面注入限制

6．4 器件的力学性质(纳米压痕实验)

6．5 结果和讨论

6．5．1 能量无序度对压阻特性的影响

6．5．2 压阻器件的电流饱和效应

6．6 结论

参考文献

7 总结和展望

8 后记

附录

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