bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2021-19-6-74-82bsuir-3161Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSНитрид-галлиевый гетероструктурный полевой транзистор с системой теплоотвода на основе канавки в слое пассивации, заполненной материалом с высокой теплопроводностьюGallium nitride heterostructure field-effect transistor with a heat-removal system based on a trench in the passivation layer filled by a high thermal conductivity materialВолчёкВ. С.VolcheckV. S.

Волчёк Владислав Сергеевич, научный сотрудник НИЛ 4.4 НИЧ

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6

Volcheck Vladislav S., Researcher at the R&D Laboratory 4.4 of R&D Department

220013, Minsk, P. Brovki str., 6

vlad.volchek@bsuir.byСтемпицкийВ. Р.StempitskyV. R.

Кандидат технических наук, доцент, начальник НИЧ

Минск

Stempitsky Viktor R., PhD, Associate Professor, Head of R&D Department

Minsk

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2021300920211967482Copyright © Волчёк В.С., Стемпицкий В.Р., 20212021Волчёк В.С., Стемпицкий В.Р.Volcheck V.S., Stempitsky V.R.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/3161

Эффект саморазогрева представляет собой главную проблему для мощных электронных и оптоэлектронных приборов на основе нитрида галлия. Неравномерное распределение рассеиваемой мощности и повышение средней температуры в структуре нитрид-галлиевого гетероструктурного полевого транзистора приводят к появлению области с очень высокой температурой в окрестности проводящего канала, деградации тока стока и выходной мощности, а также ухудшению надежности прибора. Целью данной работы является разработка конструкции гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия с эффективной системой теплоотвода и исследование с помощью численного моделирования особенностей тепловых процессов, протекающих в структуре этого прибора. Объектами исследования служат созданные на сапфировой подложке приборные структуры, отличительными особенностями которых являются теплоотводящий элемент на основе графена, располагающийся на поверхности транзистора, и канавка в слое пассивации, заполненная материалом с высокой теплопроводностью. Предметом исследования являются электрические и тепловые характеристики указанных приборных структур. Результаты моделирования подтверждают эффективность внедрения в конструкцию гетероструктурного полевого транзистора на основе нитрида галлия разработанной системы теплоотвода, позволяющей уменьшить влияние эффекта саморазогрева и улучшить эксплуатационные характеристики прибора. Преимущество предлагаемой концепции состоит в том, что теплоотводящий элемент конструктивно соединен с теплопоглощающим элементом и предназначен для отведения тепла непосредственно от области максимальной температуры через канавку в слое пассивации, в которой осажден слой материала с высокой теплопроводностью. Полученные результаты могут быть использованы предприятиями электронной промышленности Республики Беларусь при создании элементной базы силовой электроники на основе нитрида галлия.

The self-heating effect poses a main problem for high-power electronic and optoelectronic devices based on gallium nitride. A non-uniform distribution of the dissipated power and a rise of the average temperature inside the gallium nitride heterostructure field-effect transistor lead to the formation of a hot spot near the conducting channel and result in the degradation of the drain current, output power and device reliability. The purpose of this work is to develop the design of a gallium nitride heterostructure field-effect transistor with an effective heat-removal system and to study using numerical simulation the thermal phenomena specific to this device. The objects of the research are the device structures formed on sapphire, each of whom features both a graphene heat-eliminating element on its top surface and a trench in the passivation layer filled by a high thermal conductivity material. The subject of the research is the electrical and thermal characteristics of these device structures. The simulation results verify the effectiveness of the integration of the heat-removal system into the gallium nitride heterostructure field-effect transistor that can mitigate the self-heating effect and improve the device performance. The advantage of our concept is that the graphene heat-eliminating element is structurally connected with a heat sink and is designed for removing the heat immediately from the maximum temperature area through the trench in which a high thermal conductivity material is deposited. The results can be used by the electronics industry of the Republic of Belarus for developing the hardware components of gallium nitride power electronics.

гетероструктурный полевой транзисторграфеннитрид галлиясаморазогревсиловая электроникаслой пассивациитеплоотводтеплопроводностьтемператураheterostructure field-effect transistorgraphemegallium nitrideself-heating simulationpower electronicspassivation layerheat-removal systemthermal conductivitytemperatureИсследования проводятся в рамках выполнения задания 3.1 государственной программы научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций». Авторы выражают благодарность М.С. Барановой и Д.Ч. Гвоздовскому за предоставление данных о температурной зависимости теплопроводности нитридов элементов III группы и нитрида кремния.This work is supported by the grant 3.1 of Belarusian National Scientific Research Program “Photonics and Electronics for Innovations”. The authors would like to express special thanks to Baranova M.S. and Hvazdouski D.C. for providing the data on the temperature dependence of the thermal conductivity of the group III nitrides and silicon nitride.ReferencesYan Z., Liu G., Khan J.M., Balandin A.A. Graphene Quilts for Thermal Management of High-Power GaN Transistors. Nature Communications. 2012;3:827. 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. DOI: 10.1038/ncomms1828.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: 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: 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. 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. 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.Волчёк В.С., Ловшенко И.Ю., Шандарович В.Т., Дао Динь Ха. Нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов с эффективной системой теплоотвода на основе графена. Доклады БГУИР. 2020;18(3):72-80. DOI: 10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80. Volcheck V.S., Lovshenko I.Yu., Shandarovich V.T., Dao Dinh Ha. [Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor with an Effective Graphene-Based Heat Removal System]. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2020;18(3):72-80. DOI: 10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80. (In Russ.)Волчёк В.С., Ловшенко И.Ю., Шандарович В.Т., Дао Динь Ха. Нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов с эффективной системой теплоотвода на основе графена. Доклады БГУИР. 2020;18(3):72-80. DOI: 10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80. Volcheck V.S., Lovshenko I.Yu., Shandarovich V.T., Dao Dinh Ha. [Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor with an Effective Graphene-Based Heat Removal System]. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2020;18(3):72-80. DOI: 10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80. (In Russ.)Pant B.D., Tandon U.S. Etching of Silicon Nitride in CCl2F2, CHF3, SiF4, and SF6 Reactive Plasma: A Comparative Study. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1999;19(4):545-563. DOI: 10.1023/A:1021886511288.Pant B.D., Tandon U.S. Etching of Silicon Nitride in CCl2F2, CHF3, SiF4, and SF6 Reactive Plasma: A Comparative Study. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1999;19(4):545-563. DOI: 10.1023/A:1021886511288.Bland H.A., Thomas E.L.H., Klemencic G.M., Mandal S., Morgan D.J., Papageorgiou A., Jones T.G., Williams O.A. Superconducting Diamond on Silicon Nitride for Device Applications. Scientific Reports. 2019;9:2911. DOI: 10.1038/s41598-019-39707-z.Bland H.A., Thomas E.L.H., Klemencic G.M., Mandal S., Morgan D.J., Papageorgiou A., Jones T.G., Williams O.A. Superconducting Diamond on Silicon Nitride for Device Applications. Scientific Reports. 2019;9:2911. DOI: 10.1038/s41598-019-39707-z.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.Feng T., Lindsay L., Ruan X. Four-Phonon Scattering Significantly Reduces Intrinsic Thermal Conductivity of Solids. Physical Review B. 2017;96:161201(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.96.161201.Feng T., Lindsay L., Ruan X. Four-Phonon Scattering Significantly Reduces Intrinsic Thermal Conductivity of Solids. Physical Review B. 2017;96:161201(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.96.161201.Chen K. Ultrahigh Thermal Conductivity in Isotope-Enriched Cubic Boron Nitride. Science. 2020;367(6477):555-559. DOI: 10.1126/science.aaz6149.Chen K. Ultrahigh Thermal Conductivity in Isotope-Enriched Cubic Boron Nitride. Science. 2020;367(6477):555-559. DOI: 10.1126/science.aaz6149.Hofmeister A.M. Thermal Diffusivity and Thermal Conductivity of Single-Crystal MgO and Al2O3 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 Al2O3 and Related Compounds as a Function of Temperature. Physics and Chemistry of Minerals. 2014;41:361-371. DOI: 10.1007/s00269-014-0655-3.Dao Dinh Ha, Trung Tran Tuan, Volcheck V.S., Stempitsky V.R. Iron-Induced Acceptor Centers in the Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor: Thermal Simulation and Analysis. 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). 2019:308-312. DOI: 10.1109/ATC.2019.8924506.Dao Dinh Ha, Trung Tran Tuan, Volcheck V.S., Stempitsky V.R. Iron-Induced Acceptor Centers in the Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor: Thermal Simulation and Analysis. 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). 2019:308-312. DOI: 10.1109/ATC.2019.8924506.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.

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