GaN HEMT器件封裝熱特性仿真分析

崔虹云，吳云飛，司有寶，候憲春，張運香，李培瑤，柳 濤

（1.佳木斯大學理學院，黑龍江佳木斯154007；2.佳木斯大學后勤管理處，黑龍江佳木斯154007；3.佳木斯大學商學院，黑龍江佳木斯154007）

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GaN HEMT器件封裝熱特性仿真分析

崔虹云1，吳云飛1，司有寶2，候憲春1，張運香3，李培瑤1，柳 濤1

（1.佳木斯大學理學院，黑龍江佳木斯154007；2.佳木斯大學后勤管理處，黑龍江佳木斯154007；3.佳木斯大學商學院，黑龍江佳木斯154007）

摘 要：主要研究在大功率工作條件下的帶封裝的GaN HEMT器件自加熱效應。當封裝GaN HEMT器件工作在大功率條件下時所產(chǎn)生的自加熱效應會使器件柵指處的有源溝道層溫度升高，同時多柵指之間還會產(chǎn)生互加熱效應，使得器件的有源溝道層的溫度升高，影響器件的工作特性。主要分析具有封裝結(jié)構(gòu)的多柵指結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件在一定功耗條件下的溫度分布情況。多柵指器件的中心柵指處的溫度最高，并且相比于其他柵指，中心柵指在其中心處達到在給定功耗下的最高溫度。在此基礎上，指出在進行器件設計時，要考慮中心柵指的溫度，以免造成器件在實際工作中燒毀。

關(guān)鍵詞：GaN HEMT；自加熱效應；封裝

近年來，隨著4G技術(shù)的快速商用以及5G通信技術(shù)在學術(shù)和商業(yè)上的發(fā)展，在一定程度上促進了固態(tài)器件的快速發(fā)展，毫米波和微波功率放大器再次引起了人們的廣泛關(guān)注，因此，基于新型材料GaN研發(fā)的功率器件及其功率放大器被廣泛地應用于軍事、民用商業(yè)以及消費等領域，特別是對于即將在2020年實現(xiàn)商用的5G技術(shù)而言，GaN功放管必將占據(jù)重要地位。在軍事領域，毫米波和微波功率放大器應用于雷達、通信以及智能武器系統(tǒng)之中，而在商業(yè)領域中，主要將功率放大器用于高速率的通信系統(tǒng)之中以及汽車防撞雷達等［1-3］。

理論表明，GaN HEMT可以工作在高溫高功率條件下，但就目前而言由于器件設計或者工藝問題，GaN HEMT功率器件一直沒有能夠突破其高溫可靠性問題，因而在一定程度上嚴重阻礙了其發(fā)展和普及，因此，有關(guān)GaN HEMT器件的自熱效應的研究成為器件研究工作中的難點和熱點。雖然說目前對GaN HEMT的自熱效應的研究已經(jīng)取得了一定的突破，但是就總體而言GaN HEMT器件的自熱效應研究仍舊存在著問題。研究表明，GaN HEMT處于工作狀態(tài)時，其本身將會產(chǎn)生一定量的功率耗散，而這部分耗散功率將會在器件內(nèi)部產(chǎn)生相應的熱量使得器件的結(jié)溫有一個非常明顯的升高，而結(jié)溫的提升不僅僅會影響器件的直流工作特性［4］以及微波特性，同時對于GaN HEMT器件本身而言，其熱可靠性也是一個較大的隱患。由器件自熱效應引起的結(jié)溫升高將會加速器件的失效。更為嚴重的自熱效應可能會使柵極電極惡化甚至會燒毀芯片與封裝之間的金屬連線［5-6］。當器件的尺寸變得越來越小，或者是器件的電流密度變得越來越大時，自熱效應現(xiàn)象就會越明顯。有報道顯示，對于GaN HEMT器件，當其電流密度達到26W/mm時，溝道溫度可達200℃，并且隨著耗散功率的增加而升高［7-9］。因此，要想使得器件更加可靠，就必須要在設計模擬階段將器件的自熱效應考慮進去。

目前而言，在已經(jīng)發(fā)表的大部分文獻中［10-11］，針對HMET器件的建模，有二維模型和三維模型。不過仿真表明，使用二維模型建模進行仿真，不僅可以大幅度地減少計算時間，同時能在一定程度上獲得非常好的網(wǎng)格質(zhì)量，但是針對二維的HEMT器件熱模型得到的仿真結(jié)果有可能明顯高于實際值，另一方面，三維模型則可以較為準確地預計器件的溫度分布特性。但是目前研究文獻中，大部分還是只關(guān)注于器件本身的一些本征特性，而并不關(guān)注封裝帶來的熱效應，因而本文主要針對GaN HEMT器件的封裝進行熱設計，將多柵指結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件作為管芯，來研究在一定功耗條件下封裝對器件溫度特性的影響。

1　仿真建模與分析

GaN HEMT器件仿真研究的軟件比較多，如TCAD、ADS。其中，TCAD（Technology Computer Aided Design）指半導體工藝模擬以及器件模擬工具。TCAD軟件有3個模塊，最底層是工藝仿真模塊，比如suprem、athene、taurus、FLOOPS-ISE，用來確定標準工藝下材料水平的器件結(jié)構(gòu)，標準工藝包括氧化、擴散、離子注入、干濕法刻蝕、光刻，一些比較新的TCAD也包括CMP以及用于制造SOI襯底的smart cut工藝。仿真主要考慮因素包括雜質(zhì)擴散、注入雜質(zhì)和晶格作用聲學模型，各種thermal budget和機械力下的應力、材料各向異性等等。然后是器件仿真，在前面工藝仿真得到的器件結(jié)構(gòu)基礎上計算電學行為，前面提到的pisces、altas、medici、dessis都是這個功能。最頂層是提參模塊，這是從電學仿真結(jié)果提取符合bsim標準的器件參數(shù)，其中，ADS（Advanced Design System）是一款美國安捷倫公司所生產(chǎn)擁有的電子設計自動化軟件。ADS功能十分強大，是當今國內(nèi)各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。針對時域電路仿真（SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三維電磁仿真、通信系統(tǒng)仿真（Communication System Simulation）和數(shù)字信號處理仿真設計（DSP）；支持射頻和系統(tǒng)設計工程師開發(fā)所有類型的RF設計，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC。

本文主要應用ADS仿真軟件，具體仿真封裝多柵指結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件在一定功耗條件下的溫度分布，并研究分度分布在器件設計時會產(chǎn)生什么影響。

器件的完整結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1為器件的法蘭封裝，4為HEMT器件的柵極和漏極，其中1、3、4、5、7所用材料均為金屬Cu，2所用材料為陶瓷。6整體為芯片，芯片的相關(guān)尺寸及所用材料參數(shù)見表1。

圖1　完整的GaN HEMT器件的封裝結(jié)構(gòu)

為簡化芯片模型，減小仿真時間，本文采用SiC材料作為襯底，其厚度為247um，GaN層厚3um，采用16個柵指結(jié)構(gòu)，柵指所用材料為Au/Ni合金。柵長200um，柵寬1um，柵間距為26um，柵厚度為1um。16條柵之間用同樣的Au/Ni合金金屬橋連接。由于在模擬過程中只是以柵作為熱源，所以

此處為簡化模型，省去了源極和漏極，如圖2所示。

表1　仿真過程中所用到的材料參數(shù)

圖2　封裝中的管芯結(jié)構(gòu)（只畫出了柵極結(jié)構(gòu)）

按照文獻［12-15］所示，熱源應該位于溫度最高處，由此可以判定熱源是在柵極偏向漏極一側(cè)，為了仿真方便，假設HEMT器件的功耗主要消耗在柵極正下方的溝道層中，這一假設也是目前文獻中常用的假設。其他的仿真條件分別為除了襯底底面保持在300K之外，其余的邊界條件全部為絕熱條件。

仿真結(jié)果表明，當柵極熱源為16 W的熱功率時，圖3所示的是整個器件的等溫面溫度分布情況。由圖3可知，器件的最高溫度依然集中于功放管的管芯處，并且在管芯的柵極正下方溫度最高，為439K，與環(huán)境溫度相比上升了139K。

圖3　GaN器件封裝熱仿真結(jié)果

為了查看管芯處的溫度，后處理中在器件的柵極正下方有源層中切取1條垂直于柵指的線，該條線上的溫度分布如圖4所示。從圖4可以看到，有源溝道中的中心柵指處的溫度最高，兩側(cè)柵指的溫度逐漸降低。這主要是由于中間柵指除了本身自加熱以外，還存在其他柵指的互加熱所導致的。

為更進一步地獲得功率器件GaN HEMT在圖1所示結(jié)構(gòu)下的溫度分布情況，在軟件中切取有源溝道層，即GaN層和AlGaN層的交界面，在該層處的溫度分布情況如圖5所示。觀察圖5，可以發(fā)現(xiàn)在16個柵指中，中間處的柵指溫度要高于其他柵指的溫度，同時對于同一個柵指結(jié)構(gòu)，其中心處的溫度要明顯高于邊緣處的溫度。另外，在中心柵指的中心處，具有器件的最高溫度，這一點正是在器件設計時要著重考慮的，因為在該點處，器件極易因為工作溫度過高而導致燒毀。

圖4　16柵指器件管芯正中間的溫度

圖5　有源溝道層平面溫度分布情況

2　結(jié)束語

本文初步模擬仿真多柵指GaN HEMT功率器件在一定功耗條件下的器件溫度分布情況，從仿真結(jié)果來看，多柵指器件的中心柵指處的溫度最高。并且相比于其他柵指，中心柵指在其中心處達到了在給定功耗下的最高溫度。在此基礎之上，指出在進行器件設計時，要考慮中心柵指的溫度，以免造成器件在實際工作中燒毀。

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［責任編輯：郝麗英］

The simulation analysis of the packaged GaN HEMT device's thermal characteristic

CUI Hongyun1，WU Yunfei1，SI Youbao2，HOU Xianchun1，ZHANG Yunxiang3，LI Peiyao1，LIU Tao1
（1.College of Science，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China；2.Logistics Management Office，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China；3.College of Business，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Abstract：This paper investigates the self-heating effect of the packaged GaN HEMT devices at high power operating conditions.The self-heating effect produced by GaN HEMT device operating at high power conditions，as well as the inter-heating between the gates，will make the temperature of the active channel layer increase，thus affecting the operating characteristics of the device.This paper，mainly，analyzes the temperature distribution of the multi-finger GaN HEMT packaged device structure under certain conditions.The multi-finger GaN HEMT packaged device structure is hottest in its central regions. Compared to the other finger，the center gate in its central refers to the highest temperature at definite power loss.Based on those results，the temperature of the center finger should be taken into account while being designed in order to protect the device from burnt.

Key words：GaN HEMT；self-heating effects；package.

中圖分類號：O157.5

文獻標識碼：A

文章編號：1671-4679（2016）02-0038-04

收稿日期：2016-01-05

基金項目：2014年黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201410222059）；2012年佳木斯大學青年基金項目（Lq2012-42）

作者簡介：崔虹云（1977-），女，副教授，研究方向：物理及集成電路.