半导体器件物理 施敏_功率mosfet
中电芯谷的研究人员使用多物理场仿真技术，对新一代半导体功率器件的散热进行了仿真分析，期望提 升芯片的散热能力来改进大功率器件的性能。
随着半导体技术的高速发展，功率器件的性能需要不断提升，以满足新一代电子产品对高频大功率器件的要求。目前， 多数高功率器件是基于硅（Si）和砷化镓 （GaAs）等材料制成的晶体管，然而受输出功率和散热性能的限制，此类晶体管难以在高频领域满足大功率、高可靠性电子产品日益增长的需求。
与传统半导体器件相比，基于新一代半导体材料氮化镓（GaN）的功率器件具有高频、超宽频及高输出功率等显著优势，在未来的通信领域有着广阔的应用前景。然而器件在大功率工作时会产生热量，随着热量的不断累积，芯片的温度会升高，致使器件的输出功率大幅衰减，无法充分发挥器件的性能。芯片级的高效散热技术因此成为了半导体领域的研究热点。
受 GaN 器件衬底和外延材料导热能 力所限，传统封装级散热技术无法在器件大功率运行时有效提升散热性能，因此需要从器件内部入手改进 GaN 器件的热管理能力。南京中电芯谷高频器件产业技术研究院 （简称中电芯谷）隶属于中国大型电子器件研究机 构南京电子器件研究所。 中电芯谷的研究团队通过深入了解功率器件在工作 时的三维热分布及热传递机理，改进功率器件的设计，提升器件的热管理能力。
功率器件的热特性
当半导体器件在大功率下工作时，器件内部产生的热量会导致结温（半导体芯片中 P-N 结的温度）升高。虽然 GaN 材料相较于传统的 Si 和 GaAs 材料能够承受更高的极限工作温度，然而 GaN 半导体器件的输出功率却会因为结温的升高而下降。温度越高，器件性能的衰减速度就越快，导致 GaN 功率器件无法充分发挥其大功率性能优势。功率器件的散热问题已经 成为限制这一技术应用的瓶颈。
传统的芯片热性能测试实验难以准确评估功率器件芯片区的热特性和散热能力。研究人员通常采用拉曼散射法和红外 热成像法等非接触式温度测量技术进行 器件温度的测量和分析。这些测量技术难以对影响器件散热的因素进行有效分析， 并且无法测量器件内部的结温变化。中电 芯谷的研究人员希望利用多物理场仿真技术，对功率器件的热性能以及影响器件散 热的各种因素进行研究。
多尺度散热的建模分析
在一般的 GaN 功率器件中，功耗集 中区（也称为热源区，图 1 中的红色区域）， 只占整个半导体芯片体积中极小的一部 分。由于散热过程中材料晶格的热效应、 器件热沉的散热，以 及外部空气 对器件 散热的影响涉及不同尺度下的电学、半导体、传热以及流体等多种物理效应，研究人员在进行了多方面的评估后，最终选择了 COMSOL 多物理场仿真仿真软件对器件 的整体散热过程进行模拟分析。
研究团队以实际生产中的 GaN 功率器件为样品，使用 COMSOL 多物理场仿真软件对器件建立了仿真模型，其中包 含器件的各种物理原型结构，包括铝镓氮 （AlGaN）势垒层、GaN 过渡层、GaN/ SiC 热阻界面层及碳化硅（SiC）衬底层， 如图 2（A ）所示。芯片通过焊料焊接在热沉上。对于以 SiC 为衬底的 GaN 器件来 说，器件工作时热源区产生的热量主要通过芯片内部的 GaN 外延层和 SiC 衬底层 传递至芯片封装的热沉上进行耗散。由于半导体结构微观尺度下的复杂性，模型通过在栅结构下添加热源的方式来表征电子气产生的功率热效应，如图 2（B）所示。鉴于热沉和芯片外延层的厚度远大于其他尺寸，其厚度在模拟过程中采用软件中的无限元方法进行处理。
研究团队依据上述物理结构建立三维仿真模型，对不同的模型边界条件、材料晶格热效应、器件结构尺寸，以及自然对流散 热等影响因素进行了理论分析。考虑到模型结构的对称性，在计算时仅需对模型结构的四分之一进行有限元分析。这样可以在保证计算准确性的同时有效减少所需的 计算资源，缩短计算时间。研究人员通过多物理场仿真耦合各种物理现象，快速分析 不同物理量及物理假设对器件散热模型的影响，借此可以对器件进行新技术开发、热设计优化以及热测试等。
深入理解功率器件散热
为了进一步深入理解各部件和外部条件对器件散热的影响，研究人员采用了红外热成像技术对氮化镓芯片[图 3（A）]在 5V~12V 工作电压下的温度进行了实际测 量，并将测量结果与仿真结果[图 3（B）]进 行了对比。结果显示[图 3（C）],在考虑芯片的材料晶格热效应、热沉的温度和尺寸变化，以及空气的自然对流换热等因素后， 在测试范围内的仿真结果和测量结果高度吻合。
基于准确的多物理场仿真模型和对 GaN 器件散热的深入理解，研究团队进 一步分析了功率器件的热分布情况，以了解各结构功能层的传热途径。通过使用 COMSOL 多物理场仿真软件计算芯片的热量传输，得到了 GaN 器件的温度分布和 各功能层的热通量，如图 4 所示。
优化功率器件热管理
通过对热源区域传热形式的研究，研究人员分析了热量的三维梯度分布。通过研究界面热阻对器件散热能力及功能结构的影响，以及衬底厚度对器件散热能力的影响，优化了器件的结构和整体散热能力。 仿真结果显示，优化后功率器件的结温由 133 ℃ 降至 112 ℃。
中电芯谷的研究团队通过构建 GaN 功率器件的三维热仿真模型，深入理解了不同因素对器件散热的影响，为功率器件的热管理优化提供了极大帮助。团队成员郭怀新博士表示：“在解决功率器件热管理这一问题上，COMSOL 多物理场仿真软件中强大的多物理场分析能力具有传统热测试不可比拟的优势，解决了研究过程中所遇到的各类问题。”借助多物理场仿真技术，团队已经可以将集成高热导率材料和微流冷却散热等不同的芯片级热管理技术加入到功率器件的设计中。
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