Нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов с эффективной системой теплоотвода на основе графена

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Balandin A.A. Thermal Properties of Graphene and Nanostructured Carbon Materials. Nature Materials. 2011;10:569-581. DOI: 10.1038/NMAT3064.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Piprek J. semiconductor optoelectronic Devices: Introduction to Physics and simulation. San Diego, California: Academic Press; 2003.

15. 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.