优化中心源极接触长度以减轻多指AlGaN/GaN HEMT中的温度变化和热串扰：基于可靠性的仿真

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Optimization of central source contact length to mitigate temperature variation and thermal crosstalk in multi-finger AlGaN/GaN HEMTs: Reliability-based simulation

多指AlGaN/GaN HEMTs热耦合效应分析与优化研究，通过调整中心源接触长度至6μm，有效缓解热干扰并改善温度分布均匀性，同时权衡面积效率与器件可靠性，验证了优化结构对DC性能和热稳定性的提升作用。

　　近年来，随着半导体技术的不断发展，硅基器件虽然长期占据主导地位，但宽禁带（WBG）半导体因其在高温、高压和高频性能方面的显著优势，正逐渐成为研究的热点。宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，具有比硅更高的击穿电场和更高的熔点，这使得它们在高功率和高效率的应用中展现出更大的潜力。特别是氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs），因其在高温、高压和高频工作条件下的优异表现，被广泛应用于射频（RF）电路、雷达系统以及通信设备等领域。然而，尽管GaN HEMTs在电气性能上具有诸多优势，其多指结构在实际应用中仍面临一些挑战，尤其是在热管理方面。

多指GaN HEMTs在工作过程中，由于各个指之间的热相互作用，容易产生热串扰（thermal crosstalk）和温度非均匀性（temperature non-uniformity）。这种现象会导致通道晶格温度升高，从而加速器件性能的退化，并提高失效概率。尽管关于GaN HEMTs的自加热效应已有大量研究，但针对多指结构的热串扰问题，尤其是其对直流（DC）特性和热稳定性的具体影响，仍缺乏系统性的探讨。因此，本文旨在通过仿真和实验相结合的方法，深入分析多指GaN HEMTs中的热串扰问题，并提出优化设计方案，以改善器件的热管理和性能表现。

为了实现这一目标，研究人员首先对单指和多指GaN HEMTs的热和电特性进行了系统研究。通过对比不同结构的器件，发现多指设计虽然能够提升整体性能，但也会引入热串扰，进而影响器件的稳定性和寿命。在优化设计方面，研究团队重点探讨了四指结构的热串扰问题，并通过调整中央源极接触长度来改善热分布。实验结果显示，当中央源极接触长度调整为6微米时，能够有效减少第二与第三栅极指之间的热相互作用，从而实现更均匀的温度分布。这种优化设计不仅提升了器件的直流性能，如饱和漏电流（saturation drain current）和跨导（transconductance），还显著改善了通道温度的均匀性，为高功率和高效率的GaN HEMTs设计提供了新的思路。

然而，这种优化设计也带来了一定的权衡。虽然通过增加源极接触长度可以改善热分布，但同时也降低了器件的面积效率（area efficiency）。面积效率的降低意味着在相同芯片面积下，器件的输出功率可能受到一定限制。因此，如何在提升热稳定性和性能的同时，尽可能减少面积效率的损失，成为设计过程中需要重点考虑的问题。本文的研究结果表明，通过优化源极接触长度，可以在一定程度上缓解热串扰问题，从而提高器件的可靠性，但同时也需要权衡其他性能指标，如面积效率和输出功率。这种权衡关系在高功率应用中尤为重要，因为器件的面积效率直接影响其在实际系统中的集成能力。

在多指GaN HEMTs的设计中，热串扰不仅影响电气性能，还可能对器件的长期稳定性产生不利影响。为了深入理解这一问题，研究人员通过热力学仿真分析了不同结构下的热分布情况，并探讨了热串扰对直流特性的影响。仿真结果显示，随着栅极指数量的增加，热串扰现象逐渐加剧，尤其是在中央区域的栅极指之间。这种热串扰会导致通道温度的不均匀分布，从而影响器件的导通电阻（on-resistance）和最大漏电流（maximum drain current）。此外，热串扰还会加速器件的老化过程，降低其使用寿命。

为了应对这一问题，研究团队提出了一种新的四指结构设计，通过调整中央源极接触长度来优化热分布。实验结果表明，当中央源极接触长度设置为6微米时，能够有效减少第二与第三栅极指之间的热相互作用，从而实现更均匀的温度分布。这种优化设计不仅提升了器件的直流性能，还显著改善了热稳定性，为高功率GaN HEMTs的可靠运行提供了保障。然而，这种优化方案在一定程度上牺牲了面积效率，这表明在多指GaN HEMTs的设计中，性能与面积效率之间存在一定的权衡关系。

在实际应用中，多指GaN HEMTs的热管理问题尤为关键。由于GaN材料本身具有较高的热导率和较高的工作温度限制，使得其在高温环境下仍能保持良好的性能。然而，当多个栅极指并行排列时，热串扰问题变得更加复杂。这种热串扰不仅会导致通道温度的升高，还可能影响器件的开关特性，从而降低其整体性能。因此，如何在不牺牲面积效率的前提下，有效减少热串扰，成为多指GaN HEMTs设计中的一个核心挑战。

为了解决这一问题，研究人员采用了一种基于可靠性分析的仿真方法，结合实验数据对多指GaN HEMTs的热特性进行了深入研究。通过调整中央源极接触长度，他们发现这种优化方案能够显著改善热分布，从而降低热串扰的影响。此外，研究人员还分析了不同栅极指数量下的热分布情况，发现随着指数量的增加，热串扰现象更加显著。因此，在设计多指GaN HEMTs时，需要综合考虑热管理、电气性能和面积效率之间的平衡。

在实验验证方面，研究人员对优化后的四指结构进行了详细的测试，以评估其在实际应用中的性能表现。测试结果表明，调整中央源极接触长度至6微米的优化设计，能够有效减少热串扰，从而提高器件的热稳定性和可靠性。同时，这种优化方案还改善了器件的直流性能，如导通电阻和饱和漏电流，表明其在提升性能的同时，也能保持较高的热管理能力。然而，由于面积效率的降低，这种优化方案可能不适用于对面积要求较高的应用场景。

因此，本文的研究结果不仅为多指GaN HEMTs的热管理提供了新的思路，也为高功率和高效率的GaN器件设计提供了重要的参考。通过优化源极接触长度，研究人员成功缓解了热串扰问题，从而提升了器件的热稳定性和可靠性。然而，这种优化方案也揭示了性能与面积效率之间的权衡关系，表明在实际应用中，需要根据具体需求选择最合适的优化策略。

在总结部分，本文强调了热管理在GaN HEMTs设计中的重要性，并指出多指结构虽然能够提升器件性能，但也带来了热串扰和温度非均匀性的问题。通过优化中央源极接触长度，研究人员有效改善了热分布，从而提高了器件的热稳定性和可靠性。这种优化方案不仅为高功率GaN HEMTs的设计提供了新的方向，也为未来的器件开发奠定了基础。尽管这种优化方案在一定程度上降低了面积效率，但其在提升性能和延长寿命方面的优势仍然显著。因此，本文的研究成果为多指GaN HEMTs的可靠运行提供了重要的理论支持和技术指导。

综上所述，本文通过仿真和实验相结合的方法，深入分析了多指GaN HEMTs中的热串扰问题，并提出了优化设计方案。研究结果表明，调整中央源极接触长度至6微米的优化方案能够有效减少热串扰，从而改善器件的热稳定性和可靠性。尽管这种优化方案在一定程度上牺牲了面积效率，但其在提升性能方面的优势仍然显著。因此，本文的研究成果为高功率GaN HEMTs的设计提供了新的思路，并为未来的器件开发奠定了基础。