單位：清華大學(xué)航天航空學(xué)院

論文鏈接：Applied Physics Letters, 2024, 124(4): 042107

自熱效應(yīng)會(huì)對(duì)同時(shí)降低氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的可靠性和電學(xué)性能。本工作結(jié)合TCAD仿真和聲子蒙特卡洛（MC）模擬對(duì)GaN HEMT中的自熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。采用最高溝道溫度（Tmax）和等效溝道溫度（Teq）來分別衡量器件的可靠性及漏極電流退化的強(qiáng)度，定量研究了近結(jié)非傅里葉熱擴(kuò)展過程對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的影響。研究表明，Tmax具有顯著的偏置依賴性，同時(shí)受到法向彈道效應(yīng)和由熱源尺寸和聲子自由程（MFP）相當(dāng)引起的彈道效應(yīng)的影響，而Teq幾乎沒有偏置依賴性，僅受到法向彈道效應(yīng)的影響。本工作說明，GaN器件的近結(jié)熱管理方案應(yīng)考慮Tmax和Teq的差異。

自熱效應(yīng)會(huì)威脅GaN HEMTs的可靠性并降低其電學(xué)性能，為克服器件熱瓶頸以發(fā)揮其理論效能，近些年近結(jié)熱管理和電熱協(xié)同設(shè)計(jì)得到了人們的普遍關(guān)注。然而，目前對(duì)于GaN器件的近結(jié)熱分析通常僅將最高溝道溫度（Tmax）作為衡量器件熱性能的主要指標(biāo)。最近的研究表明，Tmax并不與GaN HEMTs的電學(xué)性能退化直接相關(guān)，而等效溝道溫度（Teq）更適合用作描述器件電學(xué)性能退化的指標(biāo)。然而，目前有關(guān)器件電熱仿真的工作仍然主要基于傅里葉導(dǎo)熱定律。GaN 層的厚度以及熱源尺寸與聲子的平均自由程（MFP）相當(dāng)，此時(shí)傅里葉定律不再適用。聲子彈道輸運(yùn)會(huì)顯著影響器件內(nèi)的溫度場(chǎng)并提高溝道溫度，然而這種非傅里葉效應(yīng)對(duì)器件電學(xué)性能的影響尚未得到詳細(xì)研究。在這項(xiàng)工作中，我們采用TCAD仿真和聲子MC模擬系統(tǒng)研究了GaN HEMT 中的自熱效應(yīng)，同時(shí)分析了偏置依賴的產(chǎn)熱分布和聲子彈道效應(yīng)對(duì)Tmax和Teq的影響。此外，這項(xiàng)工作闡釋了非傅立葉熱擴(kuò)展效應(yīng)與器件可靠性和漏極電流退化之間的作用機(jī)制。

圖1展示了總功耗均為Pdiss = 5 W/mm時(shí)，不同偏置電壓下MC和有限元（FEM）預(yù)測(cè)得到的溝道溫度分布，MC預(yù)測(cè)的溫度在各偏置電壓下都高于采用體材料熱導(dǎo)率（kbulk）的FEM仿真結(jié)果。在GaN HEMTs的近結(jié)熱輸運(yùn)過程中，有兩種主要的聲子彈道輸運(yùn)機(jī)制。一種是聲子-GaN薄膜邊界散射導(dǎo)致的法向彈道效應(yīng)，其可以均勻地提高整個(gè)溝道溫度。另一種是熱源尺寸和聲子MFP相當(dāng)引起的準(zhǔn)彈道輸運(yùn)，這種彈道效應(yīng)主要提高熱源處的溫度。盡管自洽地求解電子輸運(yùn)方程以及聲子玻爾茲曼方程可以更全面地描述器件內(nèi)部的電熱相互作用，但對(duì)于大量偏置電壓組合下的模擬計(jì)算量仍然偏高，此外耦合模擬也不利于單獨(dú)分析各種聲子彈道輸運(yùn)機(jī)制的影響。因此，本工作通過兩個(gè)等效熱導(dǎo)率來在TCAD中考慮聲子彈道效應(yīng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。其中，法向彈道效應(yīng)由薄膜等效熱導(dǎo)率kfilm = 120 W/mK來反映，熱源引起的彈道效應(yīng)通過在柵極下方靠近漏極一側(cè)的高場(chǎng)區(qū)域HS2設(shè)置一個(gè)較低的等效熱導(dǎo)率kHS2 = 8 W/mK來描述。如圖1所示，在采用了兩個(gè)等效熱導(dǎo)率之后，F(xiàn)EM的仿真結(jié)果在各個(gè)偏置電壓下都與MC模擬吻合良好。

圖 1. 采用MC模擬與FEM預(yù)測(cè)的不同偏置電壓下的溝道溫度分布。選取的偏置電壓分別為(Vg, Vd) = (-1 V, 6.7 V)和(2 V, 3.8 V)，總功耗均為Pdiss = 5 W/mm

圖2展示了分別采用kbulk，僅采用kfilm，以及同時(shí)采用kfilm+kHS2進(jìn)行TCAD電熱仿真得到的Tmax和Teq隨功耗（Pdiss）的變化。Teq的定義為若在某一均勻熱浴下，器件恒溫仿真輸出的電流與同一偏置電壓下考慮自熱效應(yīng)時(shí)輸出的電流相等，則該熱浴溫度稱為該偏置電壓下的等效溝道溫度。從圖中可以看出，Tmax具有顯著的偏置依賴性。相反，Teq幾乎沒有偏置依賴性，且在相同的功耗下均大幅低于Tmax。對(duì)于同時(shí)使用兩個(gè)等效熱導(dǎo)率和僅使用薄膜法向等效熱導(dǎo)率的情況，得到的Teq幾乎一致，均高于采用體材料熱導(dǎo)率的情況。這說明自熱效應(yīng)導(dǎo)致的器件輸出電流下降主要是由法向彈道效應(yīng)導(dǎo)致的，而幾乎不受由熱源引起的彈道效應(yīng)的影響。

圖 2. (a) Tmax與 (b) Teq在不同偏置電壓下隨Pdiss的變化

圖3展示了不同熱導(dǎo)率設(shè)置下，TCAD仿真得到的溝道處電場(chǎng)、溫度、電子遷移率、以及電子速度的分布。在各種情況下電場(chǎng)的分布幾乎都保持一致，但在使用了薄膜法向等效熱導(dǎo)率之后，整個(gè)溝道內(nèi)的溫度都有均勻地提高。此時(shí)，由于溫度升高導(dǎo)致的電子-聲子散射增強(qiáng)，溝道內(nèi)的電子遷移率和電子速度下降。而當(dāng)在熱源區(qū)域設(shè)置了局域低熱導(dǎo)率之后，高場(chǎng)區(qū)域的溫度有著明顯的提升，而溝道內(nèi)電子遷移率的分布沒有明顯的改變。這主要是由于電子遷移率受到溫度和電場(chǎng)雙重作用的影響。在較低電場(chǎng)下，聲子散射主導(dǎo)電子遷移率，導(dǎo)致隨著溫度的升高電子遷移率明顯下降。而在高電場(chǎng)下，由于電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電子速度發(fā)生飽和，其幾乎不受溫度變化的影響。此外，熱源尺寸與聲子MFP相當(dāng)?shù)膹椀佬?yīng)主要限制在高場(chǎng)熱源區(qū)域，而幾乎不影響遠(yuǎn)離熱源的區(qū)域。因此，雖然這種準(zhǔn)彈道輸運(yùn)可以顯著地提高熱點(diǎn)溫度，但是其對(duì)溝道內(nèi)的電子速度降低以及由此導(dǎo)致的器件漏極電流退化的影響很小。

圖 3.?Vg=0 V, Vd=10 V時(shí)不同熱導(dǎo)率設(shè)置下仿真得到的溝道 (a)橫向電場(chǎng) (b) 溫度 (c) 電子遷移率 (d) 電子速度的分布

上述分析揭示了GaN HEMTs中兩個(gè)溫度指標(biāo)Tmax和Teq的變化規(guī)律及其影響機(jī)制。Tmax主要用于衡量器件可靠性，具有顯著的偏置依賴性，受到法向彈道效應(yīng)與由熱源寬度和聲子自由程相當(dāng)引起的彈道效應(yīng)的影響。而Teq主要用于衡量由自熱效應(yīng)導(dǎo)致的器件漏極電流退化，其偏置依賴性較弱，主要受到法向彈道效應(yīng)的影響，而幾乎不受到由熱源引起的彈道效應(yīng)的影響。在GaN器件的近結(jié)熱管理中，應(yīng)該根據(jù)具體需求同時(shí)考慮兩個(gè)指標(biāo)的變化。

作者信息：

沈揚(yáng)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士研究生，2021年本科畢業(yè)于清華大學(xué)航天航空學(xué)院，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。目前主要從事氮化鎵器件近結(jié)電熱輸運(yùn)過程的數(shù)值模擬研究，發(fā)表SCI論文8篇，其中以第一作者在IJHMT、IEEE TED、APL等期刊發(fā)表論文5篇。曾獲中國(guó)航空學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，王補(bǔ)宣-過增元青年優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)，國(guó)際傳熱大會(huì)最佳論文獎(jiǎng)。

聯(lián)系方式：shen-y17@tsinghua.org.cn

曹炳陽(yáng)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授，院長(zhǎng)，國(guó)家杰青，亞洲熱科學(xué)聯(lián)合會(huì)、國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)和美國(guó)工程科學(xué)學(xué)會(huì)Fellow。曾獲得中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)吳仲華優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)IAAM Medal、愛思唯爾高被引學(xué)者獎(jiǎng)、華為公司星辰獎(jiǎng)等榮譽(yù)。擔(dān)任國(guó)際傳熱大會(huì)常務(wù)理事會(huì)理事、國(guó)際傳熱傳質(zhì)中心科學(xué)理事會(huì)理事、亞洲熱科學(xué)與工程聯(lián)合會(huì)秘書長(zhǎng)、中國(guó)航空教育學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)導(dǎo)熱復(fù)合材料專業(yè)委員會(huì)副主任、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)理事等學(xué)術(shù)職務(wù)。主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒓{尺度傳熱、熱功能材料及電子系統(tǒng)熱管理，發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文200余篇，擔(dān)任ES Energy & Environment創(chuàng)刊主編，International Journal of Thermal Sciences副主編和10多個(gè)國(guó)際期刊編委。