文摘

氮化镓是一种第三代宽带半导体材料近年来发展迅速,沃甘/ GanHEMT有广阔的应用前景在高温、高功率,高频率和辐射电阻,等。近年来,基于氮化镓高电子迁移率晶体管已经广泛用于新兴产业,如5 g技术,新能源汽车,无人驾驶飞机和其他领域,由于其高功率和高电压电阻。然而,由于HEMT器件的高功率密度,自动加热效应将导致显著增加设备的结温,这将严重影响性能,设备的可靠性和寿命。在这篇文章中,氮化镓高电子迁移率晶体管的温度特性(GaN HEMTs)进行了研究,以及自动加热的影响影响GaN HEMT器件进行了分析。为了减少设备的温度,提高设备的可靠性,提出了一种新的器件结构。新结构代替了传统的硅和硅3N4高导热钻石和碳化硅衬底和钝化层的设备,促进基质的散热和钝化层。此外,新结构采用混合阻挡层和场板。仿真结果表明,新结构温度的峰值低约30%,输出电流高47%,transconductivity高28%,18.22%高电流崩溃率比传统的结构。

1。介绍

在过去的几十年中,人类社会已经进入了信息时代,和半导体行业已经步入发展的快车道,逐渐成为人们生活不可或缺的一部分。随着科学技术的不断进步,人们已经对半导体器件的性能提出了更高的要求。电源设备基于氮化镓(GaN)材料,如HEMT和MESFET已经广泛用于5 g技术、新能源汽车、无人驾驶飞机和其他新兴产业与广阔的应用前景1,2]。氮化镓是一种第三代半导体材料,具有宽禁带的特点,高临界击穿电场,和高电子饱和速度与第一和第二代半导体材料。可以看出,氮化镓材料的禁带宽度3.39 eV和临界击穿电场3.3 mV /厘米,这非常适合制作大功率高频设备(3,4]。

沃甘/氮化镓垂直第一个出生在1990年代和成功在蓝宝石基板上制备了金属有机化学气相沉积(金属)的一项研究[5]。一年之后,第一个GaN-based HEMT器件是由(6]。近年来,GaN-based HEMT器件已成为研究热点在半导体行业由于5 g技术的兴起。GaN HEMTs的优势来自于两个主要特性:宽3.39 eV禁带和高浓度的二维电子气(2度)积累在异质结界面(7,8]。2度在室温下表现出非常高的电子迁移率(> 2000厘米2/ V - s)在室温下,这给了HEMT设备优良的功率密度和频率。

当大电流流过HEMT设备,自动加热效应导致的结温显著增加设备和损害设备的输出特性。众所周知,电子设备的故障率随温度和更重要的是在更高的温度,这意味着减少设备接点温度可以显著提高设备寿命(9]。传统的包级别散热技术不能有效解决这个问题,和氮化镓的散热能力HEMTs从设备内必须得到改善。如今,碳化硅材料具有高导热系数通常用作GaN HEMTs底物,但对于更高的功率密度HEMT器件,碳化硅基板难以满足快速散热的需求;因此,寻找替代基质材料具有更好的散热能力成为重要的方法之一解决HEMT器件的自动加热问题。

金刚石材料的热导率是最高的在所有已知的天然材料,1000 - 2000 W / m k,取决于晶体结构,增长方法,增长质量和环境温度的钻石。氮化镓外延层结合钻石可以显著提高HEMT器件的散热能力。天然金刚石(SCD)是极其昂贵,很难制造大型电影,在钻石底物和氮化镓(上帝)HEMT设备近年来被广泛报道的进一步发展人造多晶金刚石(PCD)。纤毛结构SCD相同,相似的热导率,大幅降低成本,目前最常用的材料金刚石基板(10]。它已经表明,钻石底物可以增加功率的3.6倍,达到56 W的功率密度/ mm(直流),并显著降低设备相比HEMT器件结温碳化硅基板(11]。然而,传统的衬底材料导热系数较低,和设备不明显散热。此外,它是一个挑战为高频和高功率设备满足需求,这严重限制了氮化镓HEMT设备打开原来的潜力。因此,使用高导热系数材料作为底物或设备散热层可以有效改善自热的效果。解决方案,只有改变材料热效果有限,还必须改变器件结构。研究[12)减轻蓝宝石衬底的自热影响设备使用倒装芯片结构。研究[13]提出的使用和Si3N4材料的双钝化层设备和研究他们的厚度电特性的影响。研究[13]表明,AlN的峰值温度下降了160 K 5纳米的厚度,和最重要的改善当前和transconductivity。

减少自动加热效果,设备的材料和结构发生改变,使用和钻石和导热系数较高的碳化硅衬底和钝化层的设备,以及混合阻挡层和场板装置适合运行在高功率和高温度。

2。设备结构和模型

在本文中,沃甘/氮化镓设备模拟使用Silvaco TCAD软件,和被引用的设备结构如图1。Si衬底材料的厚度为2.45μ甘米,缓冲层厚度为2.25μm,势垒层0.26遗传算法0.74N的厚度23海里。GaN泡沫层下面的门的厚度是4海里,n型掺杂类型和浓度是1 20厘米3。钝化层硅的厚度3N4是2.47μm。源和排水的长度是0.5μm,门的长度是0.25μm。gate-source间距是0.77μ米,gate-drain间距是1.32μm。在2019年,这项研究[14]增加了功率密度InGaN HEMT 22.3 W /毫米金刚石薄膜通过增加底部的HEMT器件和减少碳化硅衬底的厚度和改善臀部抛光过程,显著降低界面热阻的SiC / PCD,示意图如图1。此外,门口是一个肖特基接触,而源和漏欧姆接触。减少之间的晶格失配缓冲层氮化镓衬底硅,一个成核层厚度为0.05μm是种植它们之间(9]。


图1
传统的器件结构。

本文主要分为两个步骤,以减少设备的温度。首先,传统GaN HEMT器件的衬底材料如果被替换为钻石,和Si3N4被替换为碳化硅作为钝化层。设备的结构如图2(一个)。使用高导热系数材料的衬底和钝化层垂直增强了设备的散热能力,促进散热基片和钝化层。其次,使用一个混合的阻挡层,和设备的结构如图2 (b)。下的阻挡层门分为两层:上层是一个0.15遗传算法0.85N层的最佳厚度0.5 nm,沃甘和较低的层。此外,该设备使用一个字段板的最佳场板长度为0.3μm和场板厚度35 nm。

(一)金刚石衬底,碳化硅是钝化层
(一)金刚石衬底,碳化硅是钝化层
(b)混合阻挡层和场板
(b)混合阻挡层和场板
图2
设备的结构。

在这篇文章中,各种各样的模型用于模拟。由于二维电子气的存在,GaN HEMT器件具有较高的电子迁移率,所以仿真采用流动模型。

GaN HEMT器件会产生大量的热量在通道操作,这热量通过热传导会扩散到其他位置。因此,晶格传热模型和热生成模型。每层材料的导热系数是不同的在GaN HEMT设备。为了提高仿真精度,介绍了材料的热导率模型。考虑到运营商的生成和重组相关温度、仿真还增加了SRH模型。同时,也用于仿真的极化模型。

3所示。仿真结果和讨论

3.1。自热影响设备性能的影响

为了比较自动加热的效果影响GaN HEMT器件的输出曲线,模拟进行常规设备结构。在模拟过程中,gate-source电压不一从2 0 V,和漏极电压从0 V - 15 V不一。图3(一个)显示输出曲线不考虑自动加热效应,这表明,漏极电流不迅速下降,当漏极电压超过膝盖点电压。图3 (b)显示输出曲线考虑自动加热的效果,可以看出,输出电流显示在大漏电压显著地下降,在较小的栅极电压,自动加热效应对输出电流的影响较小的设备。

(一)自动加热效果不考虑
(一)自动加热效果不考虑
(b)考虑自动加热的效果
(b)考虑自动加热的效果
图3
比较输出曲线。

图4显示设备的温度分布 V。可以看出,温度峰值493 K时的衬底材料设备Si和Si3N4是钝化层。如图4,温度峰值出现在门口,和最大漏电流为1.08 A /毫米。仿真结果表明,该自动加热效应导致设备的退化和降低设备的性能。


图4
温度分布的常规设备结构。
3.2。钻石和碳化硅材料对设备温度的影响

材料的导热系数限制了设备的散热能力,和热导率越高,散热越好。摘要钻石高导热系数材料作为底物,用作钝化层和碳化硅材料。倒装芯片结构也将突出对比,如图5。倒装芯片结构的原始设备结构颠倒;整个装置扣在衬底。倒装芯片的尺寸结构引用相同的设备结构。


图5
倒装芯片结构的常规设备。

数据6和7显示通道温度分布曲线和输出曲线为不同的设备结构,分别。可以看出,倒装芯片结构与AlN衬底通道温度424 K的峰值和最大输出电流1.35 a /μ米,设备结构与金刚石衬底和碳化硅作为钝化层有一个通道温度低至360 K,最高峰值输出电流1.65 a /μm。相比传统的器件结构,设备的温度峰值结构与金刚石衬底和SiC钝化层减少133 K。此外,漏极电流增加了0.57 /μ米,和当前的崩溃也显著改善。图8显示设备的温度分布结构与金刚石衬底和SiC钝化层。由于钻石和碳化硅材料导热系数高,最低温度在衬底和钝化层和附近最高的渠道。因此,温差可以被消耗的热量从衬底和钝化层。此外,英吉利海峡附近的温度分布更加均匀。


图6
比较通道温度。

图7
比较输出曲线。

图8
设备的温度分布结构与金刚石衬底和碳化硅作为钝化层。
3.3。影响混合层和现场板的设备温度

是有限度的减少设备的温度通过改变材料。进一步降低温度的设备,设备的结构也必须改变。首先,提出了一种新的混合潜在的结构层。下的阻挡层门分为两层:上层是一个0.15遗传算法0.85N,较低的层是沃甘。图9显示的影响InGaN在势垒层厚度的峰值温度和最大输出电流。从图可以看出,温度峰值和最大漏电流降低随着InGaN的厚度增加。InGaN是5纳米的厚度时,通道温度峰值为353 K,和最大漏电流/ 1.60毫米。这是在峰值通道温度下降最多,和当前滴。当InGaN的厚度大于5 nm,温度峰值下降缓慢,而最大的漏极电流急剧下降。InGaN形成的异质结,沃甘诱发极化负电荷,这降低了电子二维电子气的浓度,导致降低漏电流。因此,设备的温度可以降低。总之,InGaN是5 nm的最佳厚度。图10显示的通道温度比较InGaN厚度5海里,与峰值7 K下降通道温度和更均匀的通道温度分布的结构与混合比的阻挡层结构而不混合的阻挡层。


图9
InGaN厚度对温度和峰值的影响最大的漏极电流。

图10
比较通道温度和混合阻挡层。

其次,添加了场板在大门口附近的下水道,和场板的长度也会影响设备的性能。图(11日)显示字段的长度的影响板通道温度。随着场板长度的增加,温度的峰值逐渐减小,温度小的方式向外传播。通道的另一个高峰GaN HEMT器件的温度时场板的长度大于0.3μm。与此同时,不利于降低设备的通道温度。图11 (b)显示了场板长度对最大输出电流的影响和峰值温度。没有新的高峰通道温度,输出电流是附近最大当通道长度是0.3μm。尽管场板的使用降低了温度,它还减少了电子迁移率和减少GaN HEMT的最大输出电流。从图可以看出,最大输出电流降低,然后增加,然后降低场板长度增加。因此,结合图11,它可以得出最优场板长度是0.3μ综合考虑温度和输出电流。此外,介电层的厚度的板是35 nm。如图12,设备的最终温度345 K通过材料和结构变化,实现温度明显降低。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
(一)对通道温度场板长度的影响。(b)场板长度对温度和峰值的影响最大输出电流。

图12
最终设备的温度分布结构。
3.4。其他电特性的分析

GaN HEMT大功率设备,饱和漏电流的大小一直是一个至关重要的输出特性的特征。图13显示之间的漏极电流的比较传统的设备结构和新结构。传统的器件结构的饱和漏电流是1.08 /μ米,而新结构的最大饱和漏电流为1.586 A /μ米,约有47%的改善。电流密度增加由于其电子迁移率和电场之间的关系。设备的温度降低时,晶格散射效应减少,和电子迁移率增加,进而增加了电流密度。当前的崩溃也对设备的可靠性至关重要。应用线性近似的饱和区域部分输出特性曲线,当前的常规设备崩溃率是22.5%。新结构使用钻石和碳化硅材料,以及混合阻挡层和现场板,以减少设备温度,提高渠道的电子迁移率,减少温度对装置输出特性的影响。当前崩溃率只有4.28%,和改进的比率是18.22%,达到显著改善当前崩溃的影响。


图13
比较传统和新结构的输出曲线。

传统的转移曲线和新结构如图(14日)。可以从图获得,传统结构的阈值电压为-5.01 V,而新结构的阈值电压为-5.56 V,这意味着该设备可以被关闭在一个较低的电压。跨导表示栅电压的能力来控制漏极电流。跨导越大,越强的栅极电压控制通道。图14 (b)代表了跨导曲线的传统设备结构和新结构,大大提高了跨导相比传统的器件结构。传统设备结构的最大跨导是282 mS /马,而新结构的最大跨导360 mS / mA。相比传统的设备结构的最大跨导,峰值跨导的新结构增加了28%,表明设备的栅电压的控制能力得到了明显改善通道。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
(一)转移曲线的传统和新结构。(b)跨导曲线的传统和新结构。

4所示。结论

GaN HEMT设备广泛应用在高频、大功率等领域。研究氮化镓HEMT设备目前已经取得了很大的进步,但随着大功率nonapplication,通道的增加设备的自热引起的温度效应使热可靠性问题越来越严重。本文在高偏压GaN HEMT器件的温度降低了通过改变材料和结构。参考器件结构的最高温度为493 K。新结构使用钻石和原文如此高的热导率随着衬底和钝化层提高设备散热在垂直方向。仿真结果表明,新结构降低温度约30%,增加47%的输出电流,提高了transconductivity 28%相比,传统的结构。此外,当前崩溃的改进可以达到18.22%。因此,该新结构适合在高温度和高功率,改善氮化镓HEMT器件的可靠性。未来的主要目标是开发一个多重物理量场3 d electric-thermal-force耦合模型,将提取设备接点温度和热应力更准确。缺乏,本文具体的实验步骤及相关仿真数据获得基于理想情况下,在实际工作中需要进一步核实情况。 In the future, the process of GaN epitaxial layer preparation on diamond substrate can be improved to optimize the thermal characteristics of the device.

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称,关于这项工作他们没有利益冲突。