Нитрид-галлиевый гетероструктурный полевой транзистор с системой теплоотвода на основе канавки в слое пассивации, заполненной материалом с высокой теплопроводностью

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.

1. 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.

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: 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. 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. 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.)

8. 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.

9. 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.

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. 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.

12. Chen K. Ultrahigh Thermal Conductivity in Isotope-Enriched Cubic Boron Nitride. Science. 2020;367(6477):555-559. DOI: 10.1126/science.aaz6149.

13. 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.

14. 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.

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