【摘 要】
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GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其大功率、耐高压的特点,近年来被广泛应用于5G技术、新能源汽车、无人机等新兴产业。但是由于HEMT器件功率密度较大,自热效应会导致器件结温大幅升高,从而严重影响器件的性能、可靠性和寿命,将具有超高热导率的金刚石材料与GaN材料结合有助于改善GaN HEMT的热特性。本文用Sentaurus和COMSOL相结合法,研究了金刚石衬底GaN HEMT器件结温及自
【基金项目】
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宽禁带半导体材料教育部重点实验室开放基金项目（编号:Kdxkf2019-01）；
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GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其大功率、耐高压的特点,近年来被广泛应用于5G技术、新能源汽车、无人机等新兴产业。但是由于HEMT器件功率密度较大,自热效应会导致器件结温大幅升高,从而严重影响器件的性能、可靠性和寿命,将具有超高热导率的金刚石材料与GaN材料结合有助于改善GaN HEMT的热特性。本文用Sentaurus和COMSOL相结合法,研究了金刚石衬底GaN HEMT器件结温及自热效应引发的热应力问题,考虑金刚石各向异性热导率,以分布式热源替代集中热源,分析金刚石衬底GaN HEMT的热特性。论文主要研究内容和结果如下:1.对传统单栅GaN HEMT进行电-热仿真,结果表明,自热效应会导致器件输出漏电流降低17%,并在栅极边缘靠近漏侧区域形成389K的峰值温度。提取P=8W/mm下单栅HEMT器件沿沟道的分布式热源,并建立了金刚石衬底多栅GaN HEMT三维热模型。通过计算得出了金刚石衬底的局部热导率随衬底厚度的增大而增大,在10(μm处达到最大值（2060.4W/m.K）。2.引入金刚石作为HEMT器件的衬底,可以有效降低器件结温。对金刚石衬底多栅GaN HEMT的热特性进行研究,结果表明,衬底厚度为100μm的金刚石衬底GaN HEMT,其峰值温度集中在栅指附近,为382.69K,热应力和位移形变主要分布在金刚石/GaN界面处,最大值分别为178MPa和2.32nm。金刚石/GaN界面的边界热阻会限制HEMT器件的散热能力,当金刚石/GaN界面的边界热阻从0增加到80m2·K·G-1·W-1,器件结温增大13%,热应力增大78%。金刚石衬底在较厚的情况下依然可以保持较低的热阻,当金刚石衬底厚度从50μm增大到600μm,器件结温仅增加10.5K,展现出了巨大的散热优势。3.在GaN HEMT顶部淀积NCD散热层,增加了横向散热通道,大幅降低了器件的结温（37.53K）。但是由于金刚石和Si3N4热失配,会在器件顶部产生较大的热应力（182MPa）和位移形变（6.31μm）。
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