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电动汽车驱动 GaN器件 可靠性分析 ★ 5.0

利用斜极场板调控GaN HEMT中的自加热效应

Modulating Self-Heating Effects in GaN HEMTs Using Slant Field Plate

作者 Zheng-Lai Tang · Yang Shen · Bing-Yang Cao
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 自热效应 氮化镓高电子迁移率晶体管 斜场板 热管理 热点温度
语言:

中文摘要

电子设备中的自热效应会导致局部热点,对其性能和可靠性产生不利影响,在氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)等高功率密度器件中尤为明显。除了增强散热外,通过结构设计减少热量产生可以有效调节自热效应。本研究基于漂移 - 扩散模型,利用电热模拟方法研究了非对称倾斜场板(FP)对GaN HEMTs自热效应的调节作用。此外,采用蒙特卡罗(MC)模拟方法研究了在非傅里叶热传导条件下,倾斜场板对声子弹道输运的影响。结果表明,倾斜场板使电位分布更加平滑,降低了沟道中的最大电场强度,从而降低了最大发热密度。当倾斜角度为6°且场板长度为1200 nm时,最大发热密度降低了50%,热点温度升高幅度降低了16%。通过调整热源的特征尺寸,倾斜场板进一步降低了近结热阻,在非傅里叶热传导条件下使热点温度降低超过30%。本研究旨在加深对HEMT器件自热效应的理解,并探索一种潜在的热管理策略。

English Abstract

The self-heating effect in electronic devices can lead to localized hotspots, adversely affecting their performance and reliability, particularly in high-power-density devices like gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs). In addition to enhancing heat dissipation, reducing heat generation through structural design can effectively modulate self-heating effects. This study investigates the modulation effect of an asymmetric slant field plate (FP) on self-heating in GaN HEMTs, using electro-thermal simulations based on the drift-diffusion model. Additionally, Monte Carlo (MC) simulations are employed to examine the influence of the slant FP on phonon ballistic transport under non-Fourier heat conduction. Results show that the slant FP smooths the potential distribution and reduces the maximum electric field intensity in the channel, thereby decreasing the maximum heat generation density. With a slant angle of 6° and an FP length of 1200 nm, the maximum heat generation density is reduced by 50%, and the hotspot temperature rise is lowered by 16%. By adjusting the characteristic size of the heat source, the slant FP further reduces near-junction thermal resistance, achieving the hotspot temperature reduction of over 30% under non-Fourier heat conduction. This work aims to deepen the understanding of self-heating effects in HEMT devices and explore a potential thermal management strategy.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN HEMT器件自热效应调控的研究具有重要的战略意义。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度的特性,已成为我们新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向。然而,自热效应导致的局部热点一直是制约GaN器件在大功率应用中可靠性的关键瓶颈。

该研究提出的倾斜场板设计通过优化电场分布,从源头降低热量产生,这与传统被动散热方案形成互补。研究数据显示,优化后的结构可使最大热生成密度降低50%,热点温升降低16%,在非傅里叶热传导条件下甚至可实现超过30%的温升抑制。这对我们的产品开发具有直接价值:在光伏逆变器中,更低的工作温度意味着更高的转换效率和更长的使用寿命;在储能系统中,热管理的改善可提升功率密度,降低系统体积和成本。

从技术成熟度评估,该研究仍处于仿真验证阶段,距离工程化应用尚需时日。主要挑战包括:倾斜场板的精密制造工艺控制、量产一致性保障,以及与现有封装散热系统的协同优化。但这也为我们提供了前瞻性布局机遇——建议与GaN器件供应商或研究机构开展联合开发,将此类创新结构纳入定制化功率模块设计中。特别是在我们正在推进的1500V+高压系统和液冷储能方案中,这种主被动结合的热管理策略可能成为突破功率密度瓶颈的关键技术路径,巩固我们在高端新能源装备领域的技术领先地位。