氮化镓HEMT器件温度特性研究

摘要

氮化镓材料作为第三代半导体材料,具有宽禁带、高热导率以及高电子迁移率等特点,广泛应用于高温、高频和大功率等领域.其中,异质结构的AlGaN/GaN的HEMT器件在微波大功率应用方面以及高温领域应用方面均具有非常明显的优势.目前国内外对AlGaN/GaN HEMT器件在高温大功率领域的应用进行了深入的研究,但是器件的热可靠性问题尚未解决.当器件温度上升时,器件特性(如漏电流,增益,输出功率和设备寿命等)会发生退化,严重甚至发生失效.为了解决此问题,前人提出多种散热方式来改善器件高温稳定性.而金刚石材料得益于其高热导率、高电阻率以及高硬度的特性,被用来作为AlGaN/GaN HEMT器件有效散热的方式之一.在此背景下,本论文对AlGaN/GaN HEMT器件的温度特性进行较为深入的研究.希望通过该研究,改善GaN基HEMT器件的工作温度,提高器件在高压大功率条件下的性能. 本论文选取了三种GaN基HEMT器件结构,分别为常规AlGaN/GaN HEMT器件结构,AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结HEMT器件结构以及AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT器件结构.首先,为验证温度对器件温度特性的影响,获得温度从室温上升到500K时,器件的输出特性和C-V特性曲线的变化.结果表明,随着温度从室温上升到500K,常规AlGaN/GaN HEMT器件的饱和漏电流从0.94A/mm下降到0.70A/mm,下降了25.5%;AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结HEMT器件结构和AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT器件结构的饱和漏电流分别从0.86A/mm和0.76A/mm下降到0.68A/mm和0.61A/mm,分别下降了20.9%和19.7%.该结果表明,温度的升高会导致GaN基HEMT器件特性发生明显退化. 其次,研究了金刚石层对器件沟道温度的影响.为验证金刚石散热层对GaN基HEMT器件的工作温度的影响,系统地研究金刚石散热层对AlGaN/GaN HEMT器件温度分布的影响.通过对器件温度的仿真研究,得到器件的热分布图以及沟道内温度分布曲线.在VDS=20V时,金刚石散热层使器件沟道峰值温度从523K下降到488K,下降35K.结果表明,添加金刚石散热层能有效降低AlGaN/GaN HEMT器件沟道峰值温度.而通过比较不同偏置电压下有无金刚石散热层的AlGaN/GaN HEMT器件的热分布图以及沟道内温度分布曲线,得到金刚石材料对于AlGaN/GaN HEMT器件温度分布的影响,以及不同偏置电压下影响程度的变化.当VDS=5V时,器件温度仅下降4K;当VDS=30V时,器件温度下降52K.结果表明,漏电压越大,金刚石散热层散热效果越明显,这说明金刚石散热层更适合工作在高压下的器件.另外,通过比较不同厚度的金刚石散热层的AlGaN/GaN HEMT器件的热分布图以及沟道内温度分布曲线,得到金刚石材料厚度对AlGaN/GaN HEMT器件的温度分布的影响.结果表明,随着金刚石散热层厚度的增加,其散热效果增大,但并不是线性增加,当厚度tdiamond>8μm时,温度下降程度趋于平缓. 再次,从直流特性、交流特性的角度出发,通过Sentaurus TCAD软件仿真研究金刚石散热层对AlGaN/GaN HEMT器件温度特性的影响.通过软件对AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的仿真研究,得到添加金刚石散热层使得AlGaN/GaN HEMT器件的饱和漏电流增大,栅泄漏电流降低.常规AlGaN/GaN HEMT器件、AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双异质结HEMT器件以及AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT器件的饱和漏电流分别提高了18.1%、18.6%和19.7%.通过对AlGaN/GaN HEMT器件交流特性的仿真,添加金刚石散热层使得AlGaN/GaN HEMT器件的峰值跨导、截止频率和最大振荡频率增大. 最后，根据以上分析研究，获得了全面的金刚石散热层对AlGaN/GaN HEMT器件温度特性的影响。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料的特点简介

1.2 GaN基HEMT器件

1.2.1 GaN基HEMT器件的应用前景和研究进展

1.2.2 GaN基HEMT器件中存在的热问题

1.2.3 GaN基HEMT器件的温度特性的研究概况

1.3 本文的主要工作与安排

第二章 GaN基HEMT器件理论研究

2.1 AlGaN/GaN的材料特性

2.2 AlGaN/GaN异质结的极化效应

2.3 GaN基HEMT器件的工作原理

2.3.1 常规GaN基HEMT器件的工作原理

2.3.2 双异质结GaN基HEMT器件的工作原理

2.4 GaN基HEMT常用结温测量方式

2.5 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT器件温度特性仿真

3.1 仿真软件介绍

3.2 物理模型分析

3.3 仿真流程讲解

3.3.1 AlGaN/GaN HEMT器件结构构建

3.3.2 AlGaN/GaN HEMT器件模型网格划分

3.4 AlGaN/GaN HEMT器件温度特性仿真

3.4.1 与实验测量的对比

3.4.2 AlGaN/GaN HEMT器件温度特性仿真

3.5 金刚石材料对AlGaN/GaN HEMT器件温度特性的影响

3.5.1 金刚石材料对AlGaN/GaN HEMT器件沟道温度的影响

3.5.2 金刚石材料对AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的影响

3.5.3 金刚石材料对AlGaN/GaN HEMT器件交流特性的影响

3.6 本章小结

第四章 双异质结AlGaN/GaN HEMT器件温度特性仿真

4.1 异质结构对AlGaN/GaN HEMT器件特性的影响

4.2 双异质结AlGaN/GaN HEMT器件温度特性仿真

4.3 金刚石材料对双异质结AlGaN/GaN HEMT器件温度特性的影响

4.3.1 金刚石材料对双异质结AlGaN/GaN HEMT器件沟道温度的影响

4.3.2 金刚石材料对双异质结AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的影响

4.3.3 金刚石材料对双异质结AlGaN/GaN HEMT器件交流特性的影响

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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基本情况

教育背景

攻读硕士学位期间的研究成果

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