Тепловое моделирование и оптимизация топологии GaN интегральной схемы полумоста с драйвером управления и силовыми транзисторами

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.