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GaN器件热性能的二阶重构多尺度分析

GaN器件热性能的二阶重构多尺度分析

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作者：鄢远成南昌大学

学位级别：硕士

在现代微电子技术中,氮化镓(GaN)半导体器件因其出色的电气性能和高热稳定性,日益成为高效能电子器件设计的首选。随着这些器件在高功率和高频率中的广泛使用,热管理问题变得尤为重要。高效的热管理策略不仅能够延长器件的使用寿命,还... 详细信息

在现代微电子技术中,氮化镓(GaN)半导体器件因其出色的电气性能和高热稳定性,日益成为高效能电子器件设计的首选。随着这些器件在高功率和高频率中的广泛使用,热管理问题变得尤为重要。高效的热管理策略不仅能够延长器件的使用寿命,还能提高其性能。然而,随着器件尺寸的不断减小,传统的傅里叶导热定律在微纳米尺度下难以适用,这对热分析方法提出了新的挑战。为了克服这些挑战,本研究提出了一种创新的多尺度模拟方法-二阶重构算子有限差分格子玻尔兹曼方法(ROs FDLBM),并探讨了GaN半导体器件在微纳尺度下的热传导机制。利用二阶重构算子精确映射了介观分布函数与宏观物理量之间的关系,本研究成功地将格子玻尔兹曼方法(LBM)与有限差分法(FDM)结合,为多尺度热传递问题提供了精确、高效的数值模拟方案。本文的具体研究工作包括:1)基于二阶重构算子的ROs FDLBM多尺度方法的创新实施:作为本研究的核心创新点,成功地推导并实现了二阶重构算子,显著提升了传统LBM与FDM之间的映射的准确性。这一方法创新不仅解决了传统热分析方法在微纳尺度应用的局限性,还实现了在处理复杂热输运问题时提升了约15%的模拟精度和提高了计算效率约33倍。2)二维GaN器件热分析的深入研究:采用该多尺度方法对二维GaN器件进行了精确的热性能分析,提高了多材料界面耦合精度,揭示了热源布局对器件热性能的显著影响。优化热源尺寸能够有效降低器件的最高温度,显著提升了器件的热稳定性和工作效率。3)三维GaN器件的热传导机制深入探索:对三维GaN器件的全面热分析揭示了层厚度和热源设计参数(如功率及间距)对热性能的显著影响。特别是层厚度的调整和热源尺寸的优化为提升器件性能提供了重要的设计依据,提供了更有效的热管理策略。本研究的成果为半导体器件的热管理问题提供了一种新颖且高效的多尺度数值模拟方法。ROs FDLBM方法的提出和应用展示了其在解决复杂的多尺度热传递问题中的巨大潜力,对微电子行业的发展具有重要的理论和实际价值。

关键词：氮化镓器件多尺度热输运格子玻尔兹曼方法二阶重构算子有限差分法

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