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不同基底上氧化镓场效应晶体管的热分析

期刊:journal of electronic materialsDOI:10.1007/s11664-022-09871-6

氧化镓基场效应晶体管热分析研究学术报告

作者及发表信息

本研究的通讯作者为Pharyanshu Kachhawa(所属机构:印度CSIR中央电子工程研究所、Academy of Scientific and Innovative Research),合作作者包括Vaishali Chaudhary(CSIR中央电子工程研究所、Banasthali Vidyapith)和Nidhi Chaturvedi(CSIR中央电子工程研究所、Academy of Scientific and Innovative Research)。研究成果发表于2022年9月的《Journal of Electronic Materials》(2022年卷51,页码6379–6387),DOI编号10.1007/s11664-022-09871-6。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于宽禁带半导体功率电子器件热管理领域。氧化镓(Ga₂O₃)因其超宽禁带(~4.8 eV)、高临界电场强度(8 MV/cm)以及熔体法晶体生长成本低的优势,被视为下一代功率电子材料。然而,其极低的热导率([010]晶向仅27 W/m·K)导致器件自热效应显著,严重制约可靠性。作者团队旨在建立一种解析模型,精确计算氧化镓基场效应晶体管(FETs)的热阻(thermal resistance)和沟道温度(channel temperature),为器件设计提供热特性预测工具。

科学问题与目标
现有研究多依赖有限元仿真(如COMSOL),缺乏快速计算的解析方法。本研究提出基于拉普拉斯方程(Laplace equation)的闭式表达式模型,可兼容不同衬底(氧化镓、碳化硅、硅、蓝宝石)和几何参数,目标包括:
1. 量化热阻与衬底材料、外延层厚度的关系;
2. 预测沟道温度分布;
3. 通过COMSOL仿真验证模型准确性。

研究流程与方法

1. 模型构建与假设

研究对象
- 器件结构:单指栅(single-finger gate)氧化镓MOSFET,外延层厚度(t₁)300 nm至1 μm,衬底厚度(t₂)200 μm,栅长(Lg)2 μm,栅间距(d)24 μm。
- 衬底类型:同质(Ga₂O₃)与异质(SiC、Si、蓝宝石),其热导率分别为3.7 W/cm·K、1.5 W/cm·K、0.4 W/cm·K。

热阻分区模型
将热传导分为两个区域(图2):
- 区域I(外延层):热流呈长椭球体(prolate spheroid)分布,热阻计算采用圆柱坐标系下的傅里叶定律(Fourier’s law),公式为:
[ \theta1 = \frac{1}{\pi \kappa{\text{epi}} W_g} \ln\left(\frac{d + 2t_1}{L_g + t_1}\right) ]
其中κₑₚᵢ为外延层热导率,Wg为栅宽。
- 区域II(衬底):热流近似为水平扩散的椭圆柱体(elliptical cylinder),热阻公式为:
[ \theta_2 = \frac{t2}{\kappa{\text{sub}} W_g d} ]
总热阻θ_total = θ₁ + θ₂。

关键假设
- 栅区(Lg×Wg)为恒定热源;
- 衬底底部为等温面(300 K);
- 其他边界绝热;
- 忽略界面热阻(interfacial thermal resistance)。

2. 模型验证与仿真

仿真平台与参数
使用COMSOL Multiphysics热传导模块进行有限元分析,输入参数与解析模型一致。通过Silvaco Atlas计算热功率密度(1.78×10¹⁶ W/m³)作为COMSOL的热源边界条件。

验证结果
表I显示解析模型与仿真结果高度吻合(误差2–3%):
- Ga₂O₃/SiC结构热阻:解析模型100.71 K/W vs. COMSOL 97.23 K/W;
- Ga₂O₃/蓝宝石结构:531.86 K/W vs. 526.4 K/W。

3. 沟道温度计算

基于热阻模型推导最高结温公式:
[ T_{\text{max}} = \left[ \theta_1 + \theta2 \right] P{\text{loss}} + T_3 ]
其中Pₗₒₛₛ为功耗(0.25–1 W/mm),T₃为环境温度(300 K)。图6显示:
- 栅宽从100 μm增至500 μm时,Ga₂O₃/SiC结构温度由340 K升至400 K;
- SiC衬底在1 W/mm功耗下沟道温度仅400.17 K,而Ga₂O₃衬底达1637.72 K(表II)。

主要结果与讨论

1. 热阻与材料选择

  • 衬底影响:SiC因高热导率显著降低热阻(Ga₂O₃/SiC比Ga₂O₃同质结构低12倍);
  • 几何参数:热阻随外延层厚度(t₁)增加呈对数增长(图3iii),而衬底厚度(t₂)线性影响区域II热阻(图3ii)。

2. 自热效应缓解

蓝宝石衬底热阻最高(531.86 K/W),导致沟道温度比SiC高431.79 K(图7),证实异质集成(如Ga₂O₃/SiC)是优化热管理的有效途径。

3. 模型优势

  • 计算效率:解析模型仅需输入几何参数与材料属性,无需耗时仿真;
  • 普适性:适用于多种衬底和器件尺寸,为工程师提供快速设计工具。

结论与价值

本研究提出了一种基于椭球/圆柱坐标系的氧化镓FETs热阻解析模型,首次实现热特性闭式表达。其科学价值在于:
1. 揭示了热阻与衬底材料、几何参数的定量关系;
2. 为功率器件设计提供热优化准则(如优先选择SiC衬底);
3. 模型开源公式可直接集成至EDA工具链。

应用层面,该模型可加速高可靠性氧化镓功率器件(如电动汽车逆变器、高压整流器)的开发,弥补材料固有热缺陷带来的设计挑战。

研究亮点

  1. 方法创新:首次将拉普拉斯方程应用于氧化镓器件热建模,简化了传统有限元分析的复杂性;
  2. 跨学科验证:结合解析推导(理论物理)与COMSOL仿真(工程计算),结果互为印证;
  3. 设计指导:明确SiC衬底在降低沟道温度中的优势,为异质集成提供实验依据。

其他贡献

作者团队公开了模型参数(如Ga₂O₃热导率温度依赖公式:κ(t)=0.234(t/300)⁻¹·²⁷ W/cm·K),未来可扩展至β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃合金器件研究。

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