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申请/专利权人：南京理工大学

摘要：本发明公开了一种基于时域谱元法的GaNHEMT电热耦合高效模拟方法，结合不同的连续性条件和边界条件，利用时域谱元法推导了漂移扩散方程、泊松方程和热传导方程的具体离散格式，并引入表面电荷密度表征AlGaNGaN异质结上的二维电子气，在固定的偏置电压下，在漏极施加正弦周期信号，通过引入温度缩放因子，实现热累积效应的加速模拟。本发明用来提升电热耦合的仿真效率，温度缩放因子取值为500时，在保证电热模拟精度的前提下，本发明所提出的模拟方法可以获得超过8倍的仿真效率。

主权项：1.一种基于时域谱元法的GaNHEMT电热耦合高效模拟方法，GaNHEMT结构由AlGaN势垒层、GaN沟道层、SiC衬底构成，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用六面体对GaNHEMT结构进行剖分，并针对AlGaN势垒层、GaN沟道层、SiC衬底分别设置不同的材料号，得到GaNHEMT的所有网格信息；步骤二：基于网格信息将电流连续性方程、电流密度方程、泊松方程以及相应的边界条件、连续性条件进行归一化处理，并对电流连续性方程采用后向尤拉方法进行时间离散，归一化、离散后的电流连续性方程、电流密度方程和泊松方程及相应的边界条件、连续性条件组成漂移扩散模型；步骤三：热传导方程中引入缩放因子，采用C-N差分方法对热传导方程进行时间离散，并设计热传导方程的约束条件；步骤四：基于时域谱元法，对步骤二得到的漂移扩散模型的电子准费米势、空穴准费米势、电势求解，对步骤三得到的热传导方程中的温度进行求解，将含有温度的迁移率代入电流密度方程，将功率密度代入热传导方程，随着时间迭代，实现电热耦合过程；所述步骤二中电流密度方程包括电子电流密度方程和空穴电流密度方程，其分别归一化后为： 式中，φn、φp、分别表示电子准费米势、空穴准费米势以及电势，M表示被归一化材料的本征载流子浓度与归一化材料的本征载流子浓度的比值，μn和μp分别为材料的电子迁移率和空穴迁移率，Jn、Jp分别为电子电流密度和空穴电流密度；所述步骤三中，加入缩放因子，并采用C-N差分方法进行时间离散的热传导方程为： α为缩放因子，T为温度，ρm为材料的密度，cm为材料的恒压热容，kt为导热系数，Pd为器件热源的功率密度，为： 所述步骤三中设计热传导方程的约束条件具体包括：在电极与衬底上设置为热对流边界条件，为： 其中h为热对流系数，Text表示GaNHEMT所处的环境温度，而其他边界设置为绝热边界，在异质结边界为保证温度连续，强加以下条件：T1＝T21.18在GaNHEMT的电热耦合仿真中，时间步长Δt和缩放因子α选择应满足： 其中，δ为经验值，根据求解目标的响应速度调整，Δx、Δy、Δz为步骤一中剖分采用的尺寸。

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