- Код статьи
- 10.31857/S0544126924030037-1
- DOI
- 10.31857/S0544126924030037
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том 53 / Номер выпуска 3
- Страницы
- 212-221
- Аннотация
- В работе представлены результаты теплового моделирования кристалла монолитной интегральной схемы (ИС) полумоста с драйвером управления и нормально закрытыми силовыми транзисторами с высокой подвижностью электронов, выполненного на гетероструктуре нитрид галлия — кремний-на-диэлектрике (GaN-on-Si-on-Insulator, GaN-on-SOI). Показано, что основным источником тепла в ИС являются выходные силовые GaN транзисторы, тепло от которых, распространяясь по объему кристалла, приводит к нагреву логического блока ИС, а также увеличению температуры блока драйверов. Нагрев силовых транзисторов приводит к росту сопротивления их канала, что ведет к падению выходного тока ИС. Нагрев блока драйверов уменьшает ток его транзисторов и, как следствие, увеличивает время переключения выходных силовых GaN транзисторов. Нагрев логического блока ИС приводит к росту длительности фронтов формируемых сигналов управления, что ухудшает динамические характеристики ИС. Сравнительный анализ распространения тепла для кристаллов ИС на основе гетероструктур GaN-on-SOI и GaN-on-Si показал, что в направлении к обратной стороне кристалла структура GaN-on-SOI имеет удельное тепловое сопротивление примерно на 40% большее, чем структура GaN-on-Si. При этом удельное тепловое сопротивление в направлении распространения тепла от горячей зоны транзистора к обратной стороне кристалла у структуры GaN-on-SOI почти на два порядка величины больше, чем в направлении его распространения к лицевой стороне кристалла. Полученные результаты были использованы для оптимизации топологии расположения функциональных блоков GaN-on-SOI ИС, а также для введения дополнительных топологических элементов, способствующих распределению и отводу тепла с лицевой поверхности кристалла.
- Ключевые слова
- силовая GaN электроника GaN интегральная схема E-mode GaN-on-SOI HEMT тепловое моделирование топология интегральных схем
- Дата публикации
- 16.09.2025
- Год выхода
- 2025
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 100
Библиография
- 1. Fichtenbaum N., Giandalia M., Sharma S., and Zhang J. Half-bridge GaN power ICs: Performance and application // IEEE Power Electronics Magazine. 2017. V. 4. Р. 33—40.
- 2. Roccaforte F., Fiorenza P., Greco G., Nigro R.L., Giannazzo F., Patti A., and Saggio M. Challenges for energy efficient wide band gap semiconductor power devices // Physical status solidi. 2014. V. 211. Р. 2063—2071.
- 3. Flack T.J., Pushpakaran B.N., and Bayne S.B. GaN technology for power electronic applications: a review // Journal of Electronic Materials. 2016. V. 45. Р. 2673—2682.
- 4. Li X., Van Hove M., Zhao M., Geens K. et al. 200 V enhancement-mode p-GaN HEMTs fabricated on 200 mm GaN-on-SOI with trench isolation for monolithic integration // IEEE Electron Device Letters. 2017. V. 38. Р. 918—921.
- 5. Chen H.Y., Kao Y.Y., Zhang Z.Q. et al. A fully integrated GaN-on-silicon gate driver and GaN switch with temperature-compensated fast turn-on technique for improving reliability // 2021 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). 2021. V. 64. Р. 460—462.
- 6. Integrated Smart GaNs. Дата обращения: 05.05.2023. https://www.st.com/en/power-management/integrated-smart-gans.html
- 7. Jiang Q., Tang Z., Zhou C., Yang S., and Chen K.J. Substrate-coupled cross-talk effects on an AlGaN/GaN-on-Si smart power IC platform // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. V. 61. Р. 3808—3813.
- 8. Jones E.A., de Rooij M. High-power-density GaN-based converters: Thermal management considerations // IEEE Power Electronics Magazine. 2019. V. 6. Р. 22—29.
- 9. Chvála A., Szobolovszky R., Kovac J. et al. Advanced characterization techniques and analysis of thermal properties of AlGaN/GaN multifinger power HEMTs on SiC substrate supported by three-dimensional simulation // Journal of Electronic Packaging. 2019. V. 141. Р. 031007-7.
- 10. Moench S., Reiner R., Waltereit P. et al. A 600 V gan-on-si power ic with integrated gate driver, freewheeling diode, temperature and current sensors and auxiliary devices // CIPS 2020 11th International Conference on Integrated Power Electronics Systems. 2020. Р. 1—6.
- 11. Ma K., Ma K. Electro-thermal model of power semiconductors dedicated for both case and junction temperature estimation // Power electronics for the next generation wind turbine system. 2015. Р. 139—143.
- 12. Попескул А.Н. Теплотехника: методическое пособие, Тирасполь, 2016. 132 с.
- 13. Aygün D., Fossion M., Decoutere S. et al. A Monolithic 200 V GaN Half Bridge IC with Integrated Gate Drivers and Level-shifters Achieving 98.3% Peak Efficiency // 2022 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2022. Р. 2141—2145.
- 14. Magnani A., Cosnier T., Amirifar N. et al. Thermal characterization of GaN lateral power HEMTs on Si, SOI, and poly-AlN substrates // Microelectronics Reliability. 2021. V. 118. Р. 114061—114068. DOI: 10.1016/j.microrel.2021.114061.
- 15. Magnani A., Cosnier T., Amirifar N. et al. Thermal resistance characterization of GaN power HEMTs on Si, SOI, and poly-AlN substrates // 21st International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE). 2020. Р. 1—6. DOI: 10.1109/EuroSimE48426.2020.9152656.
- 16. Бартенев А.И., Кагадей В.А., Коряковцев А.С., Полынцев Е.С., Помазанов А.В., Проказина И.Ю., Шеерман Ф.И. Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии // Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. С. 91—100.
- 17. Polyntsev E.S., Prokazina I.Y., Bartenev A.I., Sogomonyants A.A., and Kagadey V.A. Development of Half-bridge IC with On-chip Drivers and Power e-HEMT Based on GaN-on-SOI Platform // 2022 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2022. Р. 1—4.
- 18. Li X., Van Hove M., Zhao М. et al. Suppression of the backgating effect of enhancement-mode p-GaN HEMTs on 200 mm GaN-on-SOI for monolithic integration // IEEE electron device letters. 2018. V. 39. Р. 999—1002.
- 19. Milanizadeh M., Aguiar D., Melloni A., and Morichetti F. Canceling thermal cross-talk effects in photonic integrated circuits // Journal of Lightwave Technology. 2019. V. 37. Р. 1325—1332.
- 20. Wong K.Y., Chen W., Chen K.J. Integrated voltage reference and comparator circuits for GaN smart power chip technology // 21st International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s. 2009. Р. 57—60.
- 21. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: ЮРАЙТ. 2002. 638 с.
- 22. Górecki K., Zarębski J., Górecki P., and Ptak P. Compact thermal models of semiconductor devices: A Review. International Journal of Electronics and Telecommunications. 2019. V. 65. Р. 151—158.
- 23. Chiu H.C., Peng L.Y., Yang C.W. et al. Analysis of the back-gate effect in normally OFF p-GaN gate high-electron mobility transistor // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. V. 62. Р. 507—511.
- 24. Mocanu M., Unger C., Pfost M., Waltereit P., and Reiner R. Thermal stability and failure mechanism of Schottky gate AlGaN/GaN HEMTs // IEEE Transactions on Electron Devices. 2017. V. 64. Р. 848—855.
- 25. Abdullah M.F., Hussin M.R.M., Ismail M.A., & Sabli S.K.W. Chip-level thermal management in GaN HEMT: Critical review on recent patents and inventions // Microelectronic Engineering. 2023. Р. 111958—111967.
- 26. Li X. Reliability and Integration of GaN Power Devices and Circuits on GaN-on-SOI, 2020.
