评估GaN晶体管电热性能的两温度原则

单位：清华大学航天航空学院

论文链接：Applied Physics Letters, 2024, 124(4): 042107

自热效应会对同时降低氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的可靠性和电学性能。本工作结合TCAD仿真和声子蒙特卡洛（MC）模拟对GaN HEMT中的自热效应进行了研究。采用最高沟道温度（Tmax）和等效沟道温度（Teq）来分别衡量器件的可靠性及漏极电流退化的强度，定量研究了近结非傅里叶热扩展过程对这两个指标的影响。研究表明，Tmax具有显著的偏置依赖性，同时受到法向弹道效应和由热源尺寸和声子自由程（MFP）相当引起的弹道效应的影响，而Teq几乎没有偏置依赖性，仅受到法向弹道效应的影响。本工作说明，GaN器件的近结热管理方案应考虑Tmax和Teq的差异。

自热效应会威胁GaN HEMTs的可靠性并降低其电学性能，为克服器件热瓶颈以发挥其理论效能，近些年近结热管理和电热协同设计得到了人们的普遍关注。然而，目前对于GaN器件的近结热分析通常仅将最高沟道温度（Tmax）作为衡量器件热性能的主要指标。最近的研究表明，Tmax并不与GaN HEMTs的电学性能退化直接相关，而等效沟道温度（Teq）更适合用作描述器件电学性能退化的指标。然而，目前有关器件电热仿真的工作仍然主要基于傅里叶导热定律。GaN 层的厚度以及热源尺寸与声子的平均自由程（MFP）相当，此时傅里叶定律不再适用。声子弹道输运会显着影响器件内的温度场并提高沟道温度，然而这种非傅里叶效应对器件电学性能的影响尚未得到详细研究。在这项工作中，我们采用TCAD仿真和声子MC模拟系统研究了GaN HEMT 中的自热效应，同时分析了偏置依赖的产热分布和声子弹道效应对Tmax和Teq的影响。此外，这项工作阐释了非傅立叶热扩展效应与器件可靠性和漏极电流退化之间的作用机制。

图1展示了总功耗均为Pdiss = 5 W/mm时，不同偏置电压下MC和有限元（FEM）预测得到的沟道温度分布，MC预测的温度在各偏置电压下都高于采用体材料热导率（kbulk）的FEM仿真结果。在GaN HEMTs的近结热输运过程中，有两种主要的声子弹道输运机制。一种是声子-GaN薄膜边界散射导致的法向弹道效应，其可以均匀地提高整个沟道温度。另一种是热源尺寸和声子MFP相当引起的准弹道输运，这种弹道效应主要提高热源处的温度。尽管自洽地求解电子输运方程以及声子玻尔兹曼方程可以更全面地描述器件内部的电热相互作用，但对于大量偏置电压组合下的模拟计算量仍然偏高，此外耦合模拟也不利于单独分析各种声子弹道输运机制的影响。因此，本工作通过两个等效热导率来在TCAD中考虑声子弹道效应对温度场的影响。其中，法向弹道效应由薄膜等效热导率kfilm = 120 W/mK来反映，热源引起的弹道效应通过在栅极下方靠近漏极一侧的高场区域HS2设置一个较低的等效热导率kHS2 = 8 W/mK来描述。如图1所示，在采用了两个等效热导率之后，FEM的仿真结果在各个偏置电压下都与MC模拟吻合良好。

图 1. 采用MC模拟与FEM预测的不同偏置电压下的沟道温度分布。选取的偏置电压分别为(Vg, Vd) = (-1 V, 6.7 V)和(2 V, 3.8 V)，总功耗均为Pdiss = 5 W/mm

图2展示了分别采用kbulk，仅采用kfilm，以及同时采用kfilm+kHS2进行TCAD电热仿真得到的Tmax和Teq随功耗（Pdiss）的变化。Teq的定义为若在某一均匀热浴下，器件恒温仿真输出的电流与同一偏置电压下考虑自热效应时输出的电流相等，则该热浴温度称为该偏置电压下的等效沟道温度。从图中可以看出，Tmax具有显著的偏置依赖性。相反，Teq几乎没有偏置依赖性，且在相同的功耗下均大幅低于Tmax。对于同时使用两个等效热导率和仅使用薄膜法向等效热导率的情况，得到的Teq几乎一致，均高于采用体材料热导率的情况。这说明自热效应导致的器件输出电流下降主要是由法向弹道效应导致的，而几乎不受由热源引起的弹道效应的影响。

图 2. (a) Tmax与 (b) Teq在不同偏置电压下随Pdiss的变化

图3展示了不同热导率设置下，TCAD仿真得到的沟道处电场、温度、电子迁移率、以及电子速度的分布。在各种情况下电场的分布几乎都保持一致，但在使用了薄膜法向等效热导率之后，整个沟道内的温度都有均匀地提高。此时，由于温度升高导致的电子-声子散射增强，沟道内的电子迁移率和电子速度下降。而当在热源区域设置了局域低热导率之后，高场区域的温度有着明显的提升，而沟道内电子迁移率的分布没有明显的改变。这主要是由于电子迁移率受到温度和电场双重作用的影响。在较低电场下，声子散射主导电子迁移率，导致随着温度的升高电子迁移率明显下降。而在高电场下，由于电场足够强，电子速度发生饱和，其几乎不受温度变化的影响。此外，热源尺寸与声子MFP相当的弹道效应主要限制在高场热源区域，而几乎不影响远离热源的区域。因此，虽然这种准弹道输运可以显著地提高热点温度，但是其对沟道内的电子速度降低以及由此导致的器件漏极电流退化的影响很小。

图 3. Vg=0 V, Vd=10 V时不同热导率设置下仿真得到的沟道 (a)横向电场 (b) 温度 (c) 电子迁移率 (d) 电子速度的分布

上述分析揭示了GaN HEMTs中两个温度指标Tmax和Teq的变化规律及其影响机制。Tmax主要用于衡量器件可靠性，具有显著的偏置依赖性，受到法向弹道效应与由热源宽度和声子自由程相当引起的弹道效应的影响。而Teq主要用于衡量由自热效应导致的器件漏极电流退化，其偏置依赖性较弱，主要受到法向弹道效应的影响，而几乎不受到由热源引起的弹道效应的影响。在GaN器件的近结热管理中，应该根据具体需求同时考虑两个指标的变化。

作者信息：

沈扬，清华大学航天航空学院博士研究生，2021年本科毕业于清华大学航天航空学院，获工学学士学位。目前主要从事氮化镓器件近结电热输运过程的数值模拟研究，发表SCI论文8篇，其中以第一作者在IJHMT、IEEE TED、APL等期刊发表论文5篇。曾获中国航空学会学术会议优秀论文奖，王补宣-过增元青年优秀论文二等奖，国际传热大会最佳论文奖。

联系方式：shen-y17@tsinghua.org.cn

曹炳阳，清华大学航天航空学院教授，院长，国家杰青，亚洲热科学联合会、国际先进材料学会和美国工程科学学会Fellow。曾获得中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、教育部自然科学一等奖、国际先进材料学会IAAM Medal、爱思唯尔高被引学者奖、华为公司星辰奖等荣誉。担任国际传热大会常务理事会理事、国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会理事等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及电子系统热管理，发表SCI学术论文200余篇，担任ES Energy & Environment创刊主编，International Journal of Thermal Sciences副主编和10多个国际期刊编委。