YOĞUNLAŞMIŞ ISINMALI VE ELMAS ALTTAŞLI GAN HEMT’LERİN ISI DAĞITMA PERFORMANSI

Elmas yüksek güç ve frekans AlGaN/GaN yüksek elektron mobiliteli transistörler (HEMTs) için son zamanlarda tercih edilen alttaş malzemesidir. Yüksek ısıl iletkenliği ile elmas aygıt güvenirliği için gerekli olan elektron kanalındaki yoğunlaşmış ısının dışarı taşınmasında iyileştirmeler sunar. Önceki SiC ve elmas alttaşlara sahip GaN aygıtların ısıl karşılaştırma çalışmaları deneysel ve modelleme konusundaki sınırlamalar nedeniyle büyük ve tep tip ısı kaynağına sahip aygıtlarla sınırlandırılmıştır. Bu çalışmada sunulan analitik çalışma ile bu sınırlamaların üstesinden gelerek SiC ve elmas alttaşlı ve yoğunlaşmış ısınmalı GaN aygıtların ısıl karşılaştırmalarını daha detaylı bir şekilde gerçekleştrimeye olanak sağlar. Isı dağılımına etki eden katmanlar arası ısıl dirençlerin, GaN katman kalınlıklarının ve çok sayıda parmağa sahip aygıtlardaki parmak sayılarının etkileri bu çalışmada incelenmiştir.

THERMAL SPREADING PERFORMANCE OF GaN-ON-DIAMOND SUBSTRATE HEMTS WITH LOCALIZED JOULE HEATING

Diamond is the new substrate of choice for high power/frequency AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs). Due to its high thermal conductivity, diamond presents improvements in removing concentrated heat from the electron channel, a necessity for reliable performance of these devices. Previous thermal performance comparison studies of GaN-on-SiC and GaN-on-diamond devices are limited to devices with often large and identical heat source regions due to modeling and experimental limitations. Analytical procedure presented in this study overcome these limitations and provide a more comprehensive thermal spreading performance analysis of GaN-on-SiC and GaN-on-diamond HEMTs with localized Joule heating. Important thermal spreading factors such as thermal boundary resistance, GaN buffer layer thickness, and multifinger arrangements are also investigated in this study.

___

  • Anaya J., Sun H., Pomeray J., and Kuball M., 2016, Thermal management of GaN-on-diamond high electron mobility transistors: Effect of the nanostructure in the diamond near nucleation region, Proc. of the 15th InterSociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, Las Vegas, 1558–1565.
  • Angadi M. A., Watanabe T., Bodapati A., Xiao X., Keblinski P., Schelling P. K., and Phillpot S. R., 2006, Thermal transport and grain boundary conductance in ultrananocrystalline diamond thin films, J. of Applied Physics, 99(11).
  • Azarifar M. and Donmezer N., 2017, A multiscale analytical correction technique for two-dimensional thermal models of AlGaN/GaN HEMTs, Microelectronics Reliability, 74.
  • Cho J., Bozorg-Grayeli E., Altman. D. H., Asheghi M., Goodson K., 2012, Low thermal resistances at GaN-SiC interfaces for HEMT technology, IEEE Electron Device Letters, 33(3), 378–380.
  • Cho J., Li Z., Bozorg-Grayeli E., Kodama. T., Francis D., Ejeckham F., Faili F., Asheghi M., and Goodson K., 2012, Thermal characterization of GaN-on-diamond substrates for HEMT applications, Proc. of the 11th InterSociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 435–439.
  • Cho J., Li Z., Bozorg-Grayeli E., Kodama. T., Francis D., Ejeckham F., Faili F., Asheghi M., and Goodson K., Improved thermal interfaces of GaN-Diamond composite substrates for HEMT applications’, IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, 3(1), 79–85.
  • Dumka D.C., Chou T.M., Jimenez J.L., Fanning D.M., Francis D., Faili F., Ejeckam F., Pomeroy J.W, and Kuball M., 2013, Electrical and thermal performance of AlGaN/GaN HEMTs on diamond substrate for RF applications, IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium Technical Digest, Monterey.
  • Dussaigne A., Gonschorek M., Malinverni M., Py M. A., Martin D., Mouti1 A., Stadelmann P., and Grandjean N., 2010, High-mobility AlGaN/GaN two-dimensional electron gas heterostructure grown on (111) single crystal diamond substrate, Japanese J. of Applied Physics, 49, 0610011–0610014.
  • Ejeckam F., Francis D., Faili F., Dodson J., Twitchen D. J., Bolliger B., Babic D., 2014, Diamond for enhanced GaN device performance, Proc. of the 13th InterSociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, Orlando, 1206–1209.
  • Felbinger J.G., Sun Y., Eastman L. F., Wasserbauer J., Faili F., Babic D., Francis D., and Ejeckham F., 2007, Comparison of GaN HEMTs on diamond and SiC substrates, IEEE Electron Device Letters, 28(11), 948–950.
  • Francis D., Faili F., Babića D., Ejeckam F., Nurmikko A., Maris H., 2010, Formation and characterization of 4-inch GaN-on-diamond substrates, Diamond and Related Materials, 19(2–3), 229–233.
  • Guo H., Kong, Y. and Chen, T., 2017, Thermal simulation of high power GaN-on-diamond substrates for HEMT applications’, Diamond and Related Materials, 73, 260–266.
  • Hirama K., Kasu M. and Taniyasu Y., 2012, RF high-power operation of AlGaN/GaN HEMTs epitaxially grown on diamond, IEEE Electron Device Letters, 33(4), 513–515.
  • Jessen G.H., Gillespie J.K., Via G.D., Crespo A., Langley D., Wasserbauer J., Faili F., Francis D., Babic D., Ejeckam F., Guo S., and Eliashevich I., 2006, AlGaN/GaN HEMT on diamond technology demonstration, IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium Technical Digest, 271–274.
  • Killat N., Pomeroy J.W., Jimenez J.L., and Kuball M., 2014, Thermal properties of AlGaN/GaN high electron mobility transistors on 4H and 6H SiC substrates, Physica Status Solidi(a), 211(12), 2844–2847.
  • Lidow A., 2013, GaN transistors - The best emerging technology for power conversion from DC through RF, IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium Technical Digest, Monterey.
  • Manoi A., Pomeroy J.W., Killat N., and Kuball M., 2010, Benchmarking of thermal boundary resistance in AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates: Implications of the nucleation layer microstructure, IEEE Electron Device Letters, 31(12), 1395–1397.
  • Muzychka Y.S., 2006, Influence coefficient method for calculating discrete heat source temperature on finite convectively cooled substrates, IEEE Trans. on Components and Packaging Technologies, 29(3), 636–643.
  • Muzychka Y.S., Bagnall K.R. and Wang, E.N., 2013, Thermal spreading resistance and heat source temperature in compound orthotropic systems with interfacial resistance, IEEE Trans. on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 3(11), 1826–1841.
  • Pomeroy J.W., Bernardoni M., Dumka D.C., Fanning D.M., and Kuball M., 2014, Low thermal resistance GaN-on-diamond transistors characterized by three-dimensional Raman thermography mapping, Applied Physics Letters, 104(8).
  • Pomeroy J.W., Uren M.J., Lambert B., and Kuball M., 2015, Operating channel temperature in GaN HEMTs: DC versus RF accelerated life testing, Microelectronics Reliability, 2505–2510. 119
  • Rajasingam S., Pomeroy J.W., Kuball M., Uren M., Martin T., Herbert D.C. , Hilton K.P., and Balmer R.S., 2004, Micro-Raman temperature measurements for electric field assessment in active AlGaN-GaN HFETs, IEEE Electron Device Letters, 25(7), 456–458.
  • Sun H., Simon R.B., Pomeroy J.W., Francis D., Faili F., Twitchen D.J., and Kuball M., 2015, Reducing GaN-on-diamond interfacial thermal resistance for high power transistor applications, Applied Physics Letters, 106(11).
  • Venkatachalam A., James W.T., and Graham, S., 2011, Electro-thermo-mechanical modeling of GaN-based HFETs and MOSHFETs, Semiconductor
Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi-Cover
  • ISSN: 1300-3615
  • Yayın Aralığı: Yılda 2 Sayı
  • Başlangıç: 1977
  • Yayıncı: TÜRK ISI BİLİMİ VE TEKNİĞİ DERNEĞİ
Sayıdaki Diğer Makaleler

YOĞUNLAŞMIŞ ISINMALI VE ELMAS ALTTAŞLI GAN HEMT’LERİN ISI DAĞITMA PERFORMANSI

Mohammad AZARIFAR, Doğacan KARA, Nazlı DÖNMEZER

EGZOS SİSTEMLERİNDE DEPOZİT TESTLERİ VE DEPOZİT DOZLAMA HARİTASININ ÇIKARILMASI

İsmail SAVCI, Hande BEZCİ

EKSENEL KOMPRESÖRLER İÇİN OTOMATİK TASARIM VE ANALİZ ARACI GELİŞTİRİLMESİ

Necmettin Anıl Kündeş KÜNDEŞ, Mehmet AKSEL, Özgür BARAN

DOĞRUSAL OLMAYAN SINIR KOŞULLARINA SAHİP ISI TRANSFERİ PROBLEMLERİNİN SINIR ELEMAN YÖNTEMİ İLE ANALİZİNE YÖNELİK YENİ BİR FORMÜLASYON

Besim BARANOĞLU

SPREY KONİ AÇISININ DİREKT ENJEKSİYONLU MOTORDA KEROSEN İÇİN YANMA VE PERFORMANS KARAKTERİSTİKLERİNE ETKİLERİ

Ahmet YONTAR

PİN FİN ŞEKLİ VE BÜYÜKLÜĞÜNÜN TÜRBİN KANADI FİRAR KENARINDAKİ AKIŞ VE ISI TRANSFERİNE ETKİLERİ

Tuğba TUNÇEL, Harika KAHVECİ

SİNTERLİ VE OLUKLU FİTİL YAPILARINA SAHİP TİCARİ ISI BORULARININ DOĞAL TAŞINIM ALTINDA PERFORMANSLARININ SINANMASI

Atakan ATAY, Büşra SARIARSLAN, Yiğit KUŞÇU, Samet SAYGAN, Yiğit AKKUŞ, Türker GÜRER, Barbaros ÇETİN, Zafer DURSUNKAYA

ISI GERİ KAZANIM EŞANJÖRLÜ ORGANİK RANKİNE ÇEVRİMİNİN PARAMETRİK ANALİZİ VE İSTATİKSEL DEĞERLENDİRMESİ

Ali BADEMLİOĞLU, Ahmet CANBOLAT, Nurettin YAMANKARADENİZ, Ömer KAYNAKLI

DIŞ GEÇİŞ AKIŞI REJİMİNDE KARE, SİLİNDİR VE PLAKA ISI KUYULARI İÇİN ISI TRANSFER PERFORMANSI ÜZERİNE DENEYSEL VE SAYISAL ÇALIŞMA

Aykut BARIŞ, Özgür BAYER

KARBON BAZLI NANOKANALLARDA SUYUN HİDRODİNAMİK KAYMA MESAFESİNIN MOLEKÜLER DİNAMİK YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ

Alper CELEBI, Jafar GHORBANIAN, Ali BESKOK