AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi

Baskaya, Senol; İLHAN, Didem Cansu

doi:10.17341/gazimmfd.540941

AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi

Didem Cansu İLHAN, (TÜBİTAK SAGE, Ankara, Türkiye)

Şenol BAŞKAYA (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

3 0

Yıl: 2020 Cilt: 35 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 2125 - 2134 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.540941 İndeks Tarihi: 14-01-2021

AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi

Öz:

Bu çalışmada AlGaN/GaN yüksek elektron hareketli transistörlerin (High Electron Mobility Transistor,HEMT) SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl analizi sunulmuştur. Kanal sıcaklığı ve sıcaklık dağılımı kararlıve kararsız rejim durumları için 3 boyutlu sonlu elemanlar modeli kullanılarak belirlenmiştir. Alınansimülasyon sonuçları literatürdeki deneysel çalışma sonuçlarıyla uyum içindedir. GaN tabanlı cihazın en iyiısıl performansını sağlayacak parametre aralıklarını bulmak için alt tabaka kalınlığı, kanal uzunluğu, kanalgenişliği, güç atımı ve darbe genişliği gibi parametrelerin performans üzerine etkileri incelenmiştir. Farklıalt tabakalar için ısıl direnç değerleri hesaplanmıştır. Bu değerler tek kanallı Safir alt tabakaya sahip cihazda158℃/W, Si alt tabakaya sahip cihazda 53,5℃/W ve SiC alt tabakaya sahip cihazda 26,3℃/W’tır. Alınansonuçlara göre en iyi ısıl performansa sahip SiC alt tabakalı cihaz için kanal sıcaklığı; gücün, kanaluzunluğunun, kanal genişliğinin ve alt tabaka kalınlığının fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Bunlara ekolarak, mikrometre altı darbe genişliği için kararsız rejimde ısıl preformans incelenmiş ve alt tabaka içinmalzeme performansı karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarıyla ısıl direnç düşürülüp, güvenilirlik vecihaz ömrünü arttırılarak AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin gelişimine katkısağlanabilir.

Anahtar Kelime:

Numerical investigation of thermal behavior of AlGaN/GaN HEMTs on SiC, Si and Sapphire substrates

Öz:

In this letter, thermal analysis results of AlGaN/GaN HEMTs grown on SiC, Si and Sapphire substrates were presented. Accurate channel temperature determination and temperature distribution were carried out using 3-D finite element model for both steady state and transient cases. Present simulation results are in good agreement with experimental data from the literature. Effect of different device parameters such as substrate thickness, gate length, gate width, dissipated power and pulse width were investigated to determine in which range of these parameters GaN-devices provide the best thermal performance. Resulting thermal resistance values have been extracted for different substrates. For single-finger devices grown on Sapphire, Si and SiC substrates, thermal resistances were calculated as follows; 158℃/W, 53.5℃/W and 26.3℃/W, respectively. According to our results, channel temperature is defined as a function of power, gate length, gate width and substrate thickness, for the device grown on SiC that has the best thermal performance. In addition, transient thermal performance was studied for sub micrometer pulse width, and substrate material performances are compared. It is expected that this study facilitates the improvement of AlGaN/GaN HEMTs design to reduce thermal resistance, and also improves the reliability and life-time of these devices.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Bhunia A., Boutros K., Chen C.-L., High Heat Flux Cooling Solutions for Thermal Management of High Power Density Gallium Nitride HEMT, Inter Society Coonference on Thermal Phenomena, Las VegasAmerika,75-81, 2004.
2. Vitusevich S. A., Kurakin A. M., Klein N., Petrychuk M. V., Naumov A. V., Belyaev A.E., AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor Structures: Self-Heating Effect and Performance Degradation, IEEE Trans. on Device And Materials Reliablity, 8 (3), 543-548, 2008.
3. Kuball M., Pomeroy J. W., Simms R., Riedel G. J., Ji H., Sarua A., Uren M. J., Martin T., Thermal Properties and Reliability of GaN Microelectronics: Sub-Micron Spatial and Nanosecond Time Resolution Thermography, 2007 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuits Symposium, Oregon-Amerika, 1-4, 2007.
4. Simms R. J. T., Pomeroy J. W., Uren M. J., Martin T., Kuball M., Channel Temperature Determination in High Power AlGaN/GaN HFETs Using Electrical Methods and Raman Spectroscopy, IEEE Trans. on Electron Devices, 55 (2), 478-482, 2008.
5. Darwish A. M., Bayba A. J., Hung H. A., Thermal Resistance Calculation of AlGaN-GaN Devices, IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., 52 (11), 2611- 2620, 2004.
6. Freeman J. C., Channel Temperature Model for Microwave AlGaN/GaN Power HEMTs on SiC and Sapphire, 2004 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Texas-Amerika, 2031-2034, 2004.
7. Heller E. R., Crespo A., Electro-Thermal Modeling of Multifinger AlGaN/GaN HEMT Device Operation Including Thermal Substrate Effects, Elsevier, Microelectron. Reliab., 48 (1), 45-50, 2008.
8. Ahamd I., Kasisomayajula V., Holtz M., Berg J. M., Kurtz S. R., Tigges C.P., Allerman A. A., Baca A. G., Self-heating study of an AlGaN/GaN-based heterostructure field-effect transistor using ultraviolet micro-Raman scattering, Appl. Phys. Lett., 86 (17), 173503-173503-3, 2005.
9. Guo, H., Chen, T., & Shi, S., Transient Simulation for the Thermal Design Optimization of Pulse Operated AlGaN / GaN HEMTs of effects, Micromachines, 76 (11), 2020.
10. Brocero, G., Guhel, Y., Eudeline, P., Sipma, J. P., Gaquière, C., & Boudart, B., Measurement of SelfHeating Temperature in AlGaN / GaN HEMTs by Using Cerium Oxide Micro-Raman Thermometers, IEEE Trans. On Electron Devices, 66 (10), 4156–4163, 2019.
11. Dundar, C., & Donmezer, N. (2019). Thermal Characterization of Field Plated AlGaN / GaN HEMTs, 18th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Nevada-Amerika, 755–760, 2019.
12. Joh J., del Alamo J. A., Chowdhury U., Chou T. M., Tserng H. Q., Jimenez J. L., Measurement of Channel Temperature in GaN High-Electron Mobility Transistors, IEEE Trans. On Electron Devices, 56 (12), 2895-2901, 2009.
13. Cutivet, A., Pavlidis, G., Hassan, B., Bouchilaoun, M., Rodriguez, C., Soltani, A., Graham S., Boone F., Maher, H., Scalable Modeling of Transient Self-Heating of GaN High-Electron-Mobility Transistors Based on Experimental Measurements, IEEE Trans. On Electron Devices, 66 (5), 2139–2145, 2019.
14. Wu M., Ma X.-H., Yang L., Zhang M., Zhu Q., Zhang X.-C., Hou B., Zheng X.-F., Hao Y., Investigation of the nanochannel geometry modulation on self-heating in AlGaN / GaN Fin-HEMTs on Si, Appl. Phys. Lett., 115 (8), 083505, 2019.
15. Aubry R., Jacquet J.-C., Weaver J., Durand O., Dobson P., Mills G., Di Forte-Poisson M.-A., Cassette S., Delage S.-L., SThM temperature mapping and nonlinear thermal resistance evolution with bias on AlGaN/GaN HEMT devices, IEEE Trans. Electron Devices, 54 (3), 385-390, 2007.
16. Singhal S., Brown J.D., Borges R., Piner E., Nagy W., Vescan A., Gallium Nitride on Silicon HEMTs for Wireless Infrastructure Applications, Thermal Design and Performance, Gallium Arsenide Applications Symposium, GAAS 2002, Milano-İtalya, 23-22 Eylül, 2002.
17. Oprins H., Das J., Ruythooren W., Vandersmissen R., Vandevelde B., Germain M., Thermal Modeling of Multi-finger ALGaN/GaN HEMT’s, Thermal Investigations of ICS and SystemsWorkshop, Belgirateİtalya, 71–75, 28-30 Eylül, 2005.
18. Prejs A., Wood S., Pengelly R., Pribble W., Thermal analysis and its application to high power GaN HEMT amplifiers, IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium, Baston-Amerika, 917–920, 7-12 Haziran, 2009.
19. Hosch M., Pomeroy J. W., Sarua A., Kuball M., Jung H., Schumacher H., Field Dependent Self-Heating Effects in High Power AlGaN/GaN HEMTs, CS MANTECH Conference, Florida-Amerika, 18-21 Mayıs, 2009.
20. Park J., Shin M. W., Lee C.C., Thermal Modeling and Measurement of GaN-Based HFET Devices, IEEE Electron Device Lett., 24 (7), 424-426, 2003.
21. Riccio M., Pantellini A., Irace A., Breglio G., Nanni A., Lanzieri C., Electro-thermal Characterization of AlGaN/GaN HEMT on Silicon Microstrip Technology, Microelectron. Reliab., 51 (9-11), 1725-1729, 2011.
22. Choi S., Heller E. R., Dorsey D., Vetury R., Graham S., Thermometry of AlGaN/GaN HEMTs Using Multispectral Raman Features, IEEE Transactions on Electron Devices ,60 (6), 1898-1904, 2013.
23. Zhang R., Zhao W. S., Yin W. Y., Investigation on Thermo-Mechanical Responses in High Power MultiFinger AlGaN/GaN HEMTs, Microelectron. Reliab., 54 (3), 575-581, 2014.
24. Russo S., d'Alessandro V., Costagliola M., Sasso G., Rinaldi N., Analysis of the Thermal Behavior of AlGaN/GaN HEMTs, Elsevier, Mater. Sci. Eng., B, 177 (15), 1343-1351, 2012.
25. Darwish A. M., Hung H. A., Ibrahim A. A., AlGaN/GaN HEMT with Distributed Gate for Channel Temperature Reduction, IEEE Trans. on Microwave Theory And Tech., 60 (4), 1038-1043, 2012.
26. Nil M., Öztürk Y., Akgül M.B., Sarı G., Experimental and numerical studies on improvement of heat transfer of OLED TVs, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (4), 2017–2031, 2019.
27. ANSYS-Icepak. http://www.ansys.com/products/electronics/ansysicepak. Erişim tarihi Şubat 25, 2019.
28. Lak A., Çalışır T., Başkaya Ş., Numerical investigation of flow and heat transfer on smooth surface using inclined impinging jet, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (1), 165-176, 2019.
29. Prejs A., Wood S., Pengelly R., Pribble W., Thermal Analysis and Its Application to High Power GaN HEMT Amplifiers, IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Baston-Amerika, Haziran, 2009.
30. Kuball M., Riedel G. J., Pomeroy J. W., Sarua A., Uren M. J., Martin T., Hilton K. P., Maclean J. O., Wallis D. J., Time-Resolved Temperature Measurement of AlGaN/GaN Electronic Devices Using Micro-Raman Spectroscopy, IEEE Electron Device Lett., 28 (2), 86- 89, 2007.

APA	İLHAN D, Baskaya S (2020). AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. , 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
Chicago	İLHAN Didem Cansu,Baskaya Senol AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. (2020): 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
MLA	İLHAN Didem Cansu,Baskaya Senol AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. , 2020, ss.2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
AMA	İLHAN D,Baskaya S AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. . 2020; 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
Vancouver	İLHAN D,Baskaya S AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. . 2020; 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
IEEE	İLHAN D,Baskaya S "AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi." , ss.2125 - 2134, 2020. 10.17341/gazimmfd.540941
ISNAD	İLHAN, Didem Cansu - Baskaya, Senol. "AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi". (2020), 2125-2134. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.540941

APA	İLHAN D, Baskaya S (2020). AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(4), 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
Chicago	İLHAN Didem Cansu,Baskaya Senol AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 35, no.4 (2020): 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
MLA	İLHAN Didem Cansu,Baskaya Senol AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.35, no.4, 2020, ss.2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
AMA	İLHAN D,Baskaya S AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2020; 35(4): 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
Vancouver	İLHAN D,Baskaya S AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2020; 35(4): 2125 - 2134. 10.17341/gazimmfd.540941
IEEE	İLHAN D,Baskaya S "AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35, ss.2125 - 2134, 2020. 10.17341/gazimmfd.540941
ISNAD	İLHAN, Didem Cansu - Baskaya, Senol. "AlGaN/GaN tabanlı yüksek elektron hareketli transistörlerin SiC, Si ve Safir alt tabakalardaki ısıl davranışının sayısal olarak incelenmesi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 35/4 (2020), 2125-2134. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.540941