bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80bsuir-2671Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSНитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов с эффективной системой теплоотвода на основе графенаGallium nitride high electron mobility transistor with an effective graphene-based heat removal systemВолчёкВ. С.VolcheckV. S.

Волчёк Владислав Сергеевич - младший научный сотрудник НиЛ 4.4 НиЧ.

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6.

тел. +375 17 293 84 09

Vladislav S. Volcheck - research assistant of the R&D laboratory 4.4 of R&D Department of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

220013, Minsk, P. Brovki str., 6.

tel. + 375 17 293 84 09

vlad.volchek@bsuir.byЛовшенкоИ. Ю.LovshenkoI. Yu.

Заведующий НиЛ 4.4 НиЧ.

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6.

тел. +375 17 293 84 09

Ivan Yu. Lovshenko - Head of the R&D laboratory 4.4 of R&D Department of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

220013, Minsk, P. Brovki str., 6.

tel. + 375 17 293 84 09

ШандаровичВ. Т.ShandarovichV. T.

Младший научный сотрудник НиЛ 4.4 НиЧ.

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6.

тел. +375 17 293 84 09

Veranika T. Shandarovich - research assistant of the R&D laboratory 4.4 of R&D Department of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.

220013, Minsk, P. Brovki str., 6.

tel. + 375 17 293 84 09

ХаДао ДиньHaDao Dinh

Кандидат технических наук, исследователь Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона.

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6.

тел. +375 17 293 84 09

Dao Dinh Ha - PhD, researcher of Le Quy Don Technical University, Hanoi, Vietnam.

220013, Minsk, P. Brovki str., 6.

tel. + 375 17 293 84 09

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2020160520201837280Copyright © Волчёк В.С., Ловшенко И.Ю., Шандарович В.Т., Ха Д.Д., 20202020Волчёк В.С., Ловшенко И.Ю., Шандарович В.Т., Ха Д.Д.Volcheck V.S., Lovshenko I.Y., Shandarovich V.T., Ha D.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/2671

Эффект саморазогрева представляет собой основную проблему для мощных электронных, оптоэлектронных и фотонных приборов на основе нитрида галлия. Среднее увеличение температуры и чрезвычайно неравномерное распределение рассеиваемой мощности в структуре транзистора с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия, следствием чего является образование области с очень высокой температурой в окрестности проводящего канала, приводит к деградации тока стока, выходной мощности, коэффициента усиления и ухудшению надежности прибора. Цель работы -разработка конструкции с помощью численного моделирования и исследование особенностей тепловых процессов, протекающих в структуре транзистора с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия с системой теплоотвода на основе графена. Объектом исследования являются структуры, созданные на подложках сапфира, кремния и карбида кремния. Предметом исследования являются электрические, частотные и тепловые характеристики транзистора с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия с системой теплоотвода на основе графена. Результаты расчетов показывают эффективность внедрения в конструкцию транзистора с высокой подвижностью электронов графенового теплоотводящего элемента, позволяющего уменьшить влияние эффекта саморазогрева и улучшить эксплуатационные характеристики прибора. Преимущество предлагаемой концепции состоит в том, что теплоотводящий элемент на основе графена конструктивно соединен с теплопоглощающим элементом и предназначен для отведения тепла непосредственно от области максимальной температуры. Полученные результаты могут быть использованы предприятиями электронной промышленности Республики Беларусь при создании элементной базы силовой электроники на основе нитрида галлия.

The self-heating effect is a major problem for gallium nitride electronic, optoelectronic and photonic devices. Average temperature increase and non-uniform distribution of dissipated power in the gallium nitride high electron mobility transistor lead to the forming of a hot spot in the vicinity of the conducting channel and to degradation of the drain current, output power and gain, as well as poor reliability. The purpose of this work is to develop the design using numerical simulation and to study the thermal phenomena that occur in the gallium nitride high-electron mobility transistor with a graphene-based heat removal system. The objects of the research are the structures fabricated on sapphire, silicon and silicon carbide substrates. The subject of the research is the electrical, frequency and thermal characteristics of the gallium nitride high-electron mobility transistor with a graphene-based heat removal system. The calculation results show that the integration of a graphene-based heat removal element into the design of the high electron mobility transistor can effectively mitigate the self-heating effect and thus improve the device performance. The advantage of the proposed concept is that the graphene-based heat removal element is structurally connected with a heat sink and aims at removing heat immediately from the maximum temperature region, providing an additional heat escape channel. The obtained results can be used by the electronics industry of the Republic of Belarus for developing the hardware components of gallium nitride power electronics.

проектированиевысокочастотный транзисторгетероструктураполупроводникdesignhigh-frequency transistorheterostructuresemiconductorИсследования проводились в рамках проекта «Разработка конструкции нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов с эффективной системой теплоотвода на основе графена» при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (№ Т18М-108). Авторы выражают благодарность Барановой М.С. и Гвоздовскому Д.Ч. за предоставление данных о температурной зависимости теплопроводности нитрида кремния.ReferencesKuzmik J., Bychikhin S., Pichonat E., Gaquiere C., Morvan E., Kohn E., Teyssier J.-P. Pogany D. SelfHeating Phenomena in High-Power III-N Transistors and New Thermal Characterization Methods Developed Within EU Project TARGET. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2009;1(2):153-160. DOI: 10.1017/S1759078709990444.Kuzmik J., Bychikhin S., Pichonat E., Gaquiere C., Morvan E., Kohn E., Teyssier J.-P. Pogany D. SelfHeating Phenomena in High-Power III-N Transistors and New Thermal Characterization Methods Developed Within EU Project TARGET. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2009;1(2):153-160. DOI: 10.1017/S1759078709990444.Sun J., Fatima H., Koudymov A., Chitnis A., Hu X., Wang H.-M., Zhang J., Simin G., Yang J., Asif Khan M. Thermal Management of AlGaN-GaN HFETs on Sapphire Using Flip-Chip Bonding with Epoxy Underfill. IEEE Electron Device Letters. 2003;24(6):375-377. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2003.813362.Sun J., Fatima H., Koudymov A., Chitnis A., Hu X., Wang H.-M., Zhang J., Simin G., Yang J., Asif Khan M. Thermal Management of AlGaN-GaN HFETs on Sapphire Using Flip-Chip Bonding with Epoxy Underfill. IEEE Electron Device Letters. 2003;24(6):375-377. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2003.813362.Felbinger J.G., Chandra M.V.S., Sun Y., Eastman L.F., Wasserbauer J., Faili F., Babic D., Francis D., Ejeckam F. Comparison of GaN HEMTs on Diamond and SiC Substrates. IEEE Electron Device Letters. 2007;28(11):948-950. DOI: 10.1149/2.0441712jss.Felbinger J.G., Chandra M.V.S., Sun Y., Eastman L.F., Wasserbauer J., Faili F., Babic D., Francis D., Ejeckam F. Comparison of GaN HEMTs on Diamond and SiC Substrates. IEEE Electron Device Letters. 2007;28(11):948-950. DOI: 10.1149/2.0441712jss.Hirama K., Taniyasu Y., Kasu M. AlGaN/GaN High-Electron Mobility Transistors with Low Thermal Resistance Grown on Single-Crystal Diamond (111) Substrates by Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy. Applied Physics Letters. 2011;98(16):162112-1-162112-3. DOI: 10.1063/1.3574531.Hirama K., Taniyasu Y., Kasu M. AlGaN/GaN High-Electron Mobility Transistors with Low Thermal Resistance Grown on Single-Crystal Diamond (111) Substrates by Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy. Applied Physics Letters. 2011;98(16):162112-1-162112-3. DOI: 10.1063/1.3574531.Pavlidis G., Kim S.H., Abid I., Zegaoui M., Medjdoub F., Graham S. The Effects of AlN and Copper Back Side Deposition on the Performance of Etched Back GaN/Si HEMTs. IEEE Electron Device Letters. 2019;40(7):1060-1063. DOI: 10.1109/LED.2019.2915984.Pavlidis G., Kim S.H., Abid I., Zegaoui M., Medjdoub F., Graham S. The Effects of AlN and Copper Back Side Deposition on the Performance of Etched Back GaN/Si HEMTs. IEEE Electron Device Letters. 2019;40(7):1060-1063. DOI: 10.1109/LED.2019.2915984.Grishakov K.S., Elesin V.F., Kargin N.I., Ryzhuk R.V., Minnebaev S.V. Effect of a Diamond Heat Spreader on the Characteristics of Gallium-Nitride-Based Transistors. Russian Microelectronics. 2016;45(1):41-53. DOI: 10.1134/S1063739716010054.Grishakov K.S., Elesin V.F., Kargin N.I., Ryzhuk R.V., Minnebaev S.V. Effect of a Diamond Heat Spreader on the Characteristics of Gallium-Nitride-Based Transistors. Russian Microelectronics. 2016;45(1):41-53. DOI: 10.1134/S1063739716010054.Rajan S., Waltereit P., Poblenz C., Heikman S.J., Green D.S., Speck J.S., Mishra U.K. Power Performance of AlGaN-GaN HEMTs Grown on SiC by Plasma-Assisted MBE. IEEE Electron Device Letters. 2004;25(5):247-249. DOI: 10.1109/LED.2004.826977.Rajan S., Waltereit P., Poblenz C., Heikman S.J., Green D.S., Speck J.S., Mishra U.K. Power Performance of AlGaN-GaN HEMTs Grown on SiC by Plasma-Assisted MBE. IEEE Electron Device Letters. 2004;25(5):247-249. DOI: 10.1109/LED.2004.826977.Balandin A.A. Thermal Properties of Graphene and Nanostructured Carbon Materials. Nature Materials. 2011;10:569-581. DOI: 10.1038/NMAT3064.Balandin A.A. Thermal Properties of Graphene and Nanostructured Carbon Materials. Nature Materials. 2011;10:569-581. DOI: 10.1038/NMAT3064.Yan Z., Liu G., Khan J.M., Balandin A.A. Graphene Quilts for Thermal Management of High-Power GaN Transistors. Nature Communications. 2012;3:827:1-8. DOI: 10.1038/ncomms1828.Yan Z., Liu G., Khan J.M., Balandin A.A. Graphene Quilts for Thermal Management of High-Power GaN Transistors. Nature Communications. 2012;3:827:1-8. DOI: 10.1038/ncomms1828.Farahmand M., Garetto C., Bellotti E., Brennan K.F., Goano M., Ghillino E., Ghione G., Albrecht J.D., Ruden P.P. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the III-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binaries and Ternaries. IEEE Transactions on Electron Devices. 2001;48(3):535-542. DOI: 10.1109/16.906448.Farahmand M., Garetto C., Bellotti E., Brennan K.F., Goano M., Ghillino E., Ghione G., Albrecht J.D., Ruden P.P. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the III-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binaries and Ternaries. IEEE Transactions on Electron Devices. 2001;48(3):535-542. DOI: 10.1109/16.906448.Wachutka G.K. Rigorous Thermodynamic Treatment of Heat Generation and Conduction in Semiconductor Device Modeling. IEEE Transactions on Computer-Aided Design. 1990;9(11):1141-1149. DOI: 10.1109/43.62751.Wachutka G.K. Rigorous Thermodynamic Treatment of Heat Generation and Conduction in Semiconductor Device Modeling. IEEE Transactions on Computer-Aided Design. 1990;9(11):1141-1149. DOI: 10.1109/43.62751.Burgemeister E.A., von Muench W., Pettenpaul E. Thermal Conductivity and Electrical Properties of 6H Silicon Carbide. Journal of Applied Physics. 1979;50(9):5790-5794. DOI: 10.1063/1.326720.Burgemeister E.A., von Muench W., Pettenpaul E. Thermal Conductivity and Electrical Properties of 6H Silicon Carbide. Journal of Applied Physics. 1979;50(9):5790-5794. DOI: 10.1063/1.326720.Hofmeister A.M. Thermal Diffusivity and Thermal Conductivity of Single-Crystal MgO and АЕОэ and Related Compounds as a Function of Temperature. Physics and Chemistry of Minerals. 2014;41:361-371. DOI: 10.1007/s00269-014-0655-3.Hofmeister A.M. Thermal Diffusivity and Thermal Conductivity of Single-Crystal MgO and АЕОэ and Related Compounds as a Function of Temperature. Physics and Chemistry of Minerals. 2014;41:361-371. DOI: 10.1007/s00269-014-0655-3.Piprek J. semiconductor optoelectronic Devices: Introduction to Physics and simulation. San Diego, California: Academic Press; 2003.Piprek J. semiconductor optoelectronic Devices: Introduction to Physics and simulation. San Diego, California: Academic Press; 2003.Fornarini L., Conde J.C., Alvani C., Olevano D., Chiussi S. Experimental Determination of La2O3 Thermal Conductivity and Its Application to the Thermal Analysis of a-Ge/La2O3/c-Si Laser Annealing. Thin solid Films. 2008;516:7400-7405. DOI: 10.1016/j.tsf.2008.02.032.Fornarini L., Conde J.C., Alvani C., Olevano D., Chiussi S. Experimental Determination of La2O3 Thermal Conductivity and Its Application to the Thermal Analysis of a-Ge/La2O3/c-Si Laser Annealing. Thin solid Films. 2008;516:7400-7405. DOI: 10.1016/j.tsf.2008.02.032.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.