GaN-HEMT电热模拟的基本参数与验证方法

准备对yangshen blog中的和热仿真有关的文献做一个literature review，主要focus我感兴趣的内容，主要了解的方向有

• 对GaN HEMT建模的简化方式，模型（边界条件等）
• 材料参数，各类典型值
• 实际建模的结果（温度分布）
  以求形成一个有数据和mechanism为基础的overview
  ref：Guidelines for Reduced-Order Thermal Modeling of Multifinger GaN HEMTs

peak channel 和heat influx 可以分别达到1MW/cm2;1KW/cm2, within 2DEG is 40kw/cm2

电热耦合分两类


可靠的电热建模需要包含

• volumetric heat flux distribution,
• interfacialthermal boundary resistance (TBR) between layers,
• temperaturedependent thermal properties,
• and representative boundary conditions.

总结了GaN和SiC的热导率和界面热阻的典型值，GaN在160左右，SiC在350左右，小算一下，要导1KW/cm2的热（1E7w/m2），GaN温度梯度是0.625K/um，1MW对应625K/um

• 常用半导体，金刚石最大可以到2200，
  
• 常用金属的热导率Cu400，Al240，Au315，Ti25，Ni90
  一般衬底的厚度在几微米到几十微米的区间，考虑线性热阻是一定受不了的，这里就体现了扩散热流的重要性

再来关注一下界面热阻
在界面热阻为0.1cm2 K kW-1时，1kW/cm2热流对应0.1K温差，1MW对应100K，界面热阻可以起到“整流作用“

温度升高时，晶格振动加剧，声子自由程变小，导热能力下降，所以热导率下降

GaN的热导率根据工艺的不同区别很大（130-260），需要考虑如何确定device的热导率

当谈及建模时，一个绕不开的问题是“如何确认建模的有效性”，在电热耦合中，这个方法一般为拉曼光谱测温（Raman thermometry）ref：基于拉曼散射的传热测量和分析
当入射光（通常为激光）照射到材料时，大部分会发生瑞利散射（无能量损失），但一小部分会发生非弹性散射（拉曼散射），这时光子与材料的声子发生能量交换，产生stockes和anti-stockes峰，峰值满足公式
$$\frac{I_{\text{Stocks}}}{I_{\text{Anti-Stocks}}} = \frac{\alpha_i + \alpha_{\text{AS}}}{\alpha_i + \alpha_S} \left( \frac{\omega_i - \omega_l}{\omega_i + \omega_l} \right)^4 \exp\left( \frac{\hbar \omega_l}{kT} \right)$$

通过查表拟合，就能得到温度。拉曼频率，半峰宽也可以用来测温，三种方法中拉曼频率测温最常用。
根据拉曼法的原理也可知

• 分辨率取决于激光光斑大小（现在可以做到1微米）
• 得到的温度是“近表面等效温度”
  
  在本文中，4W/mm 52kW/cm2下拉曼法测到了最大温差为215K

对于封装的仿真如下The numerical model consisted of volumes representing the packaged device and the
experimental setup including: the device die (a 60-finger GaN HEMT grown on a 6H-SiC substrate), 80Au20Sn solder (L1 TIM), 15Cu85W shim, Artic Silver 5 (L2 TIM), and C101 equipment，后面有单独讨论封装的文章

文章省略了热点以上的结构（钝化层和金属pad）The silicon nitride (SiN) passivation and surface metallization of the source, drain, and gate ohmic contacts were neglected based on their small impact on spreading heat flux in-plane甚至把AlGaN层也省略了Similarly, the presence of the thin AlGaN layer was omitted, as the typically thickness is of two orders of magnitude thinner than the GaN layer with low thermal conductivity (<30)

这篇文章同样使用Synopsys Sentaurus算2D电学[1]，再导入cosmol算3D传热的方式[2]，具体我去看看它的参考文献；以及电热特性的参考，待会整理。注意傅里叶定律只能解稳态的热分布，瞬态的会更麻烦。

• sentaurus算出分布过后直接当热源作用在GaN表面，四周边界条件为绝热。
• 为了计算方便，设置了镜像面，镜像面附近的网格更密集
• 最佳的组合为二次插值下，栅长方向6个网格，整个横向20个网格

文章接下来讨论了简化热源的仿真结果，将热源简化到了G-D的场板下方

我觉得对解决hybrid FET没什么帮助，因为作为新器件没有简化热源的研究

然后讨论了一下声子散射对热导率的影响啥的

• 学校里的GaN/SiC界面热阻约为0.3-0.6，更高的界面热阻会增加substrate的热导（
• 文章后面重点在讨论不同设置（T-dependent参数）下的constant heat flux对精度的影响，后面确定仿真方案后有需要再看

[1]Sentaurus 2D的ref是官网界面“https://www.synopsys.com/manufacturing/tcad/device-simulation/sentaurus-device.html”
[2]这篇文章中参数设置原文献是review，先不找了