半導體器件的建模、仿真與分析：大功率LED器件與半導體壓阻器件的研究.pdf

1、本論文主要研究兩種半導體器件（大功率LED和有機半導體壓阻器件）的仿真和分析技術:第一部分關于大功率LED器件的建模、仿真和熱分析技術的解決方案;第二部分關于有機半導體器件的模型研究和計算仿真。
　　其中第一部分的相關工作圍繞大功率LED器件的結構—模型—散熱問題展開實驗和仿真開展工作，形成系統(tǒng)的器件分析方法和參數(shù)化仿真工具，并對器件散熱問題進行研究。
　　主要研究工作包括:(1)LED體系散熱的理論研究，初步分析影響器件散

2、熱的材料、工藝等因素;(2)基于材料分析實驗方法，分析和研究對大功率LED器件工藝，并且建立了適合跨尺度研究的器件分析和參數(shù)提取方案;(3)針對大功率LED器件的工藝因素—散熱性能關系研究，基于開源軟件開發(fā)了針對LED散熱模型的參數(shù)化有限元仿真工具;(4)基于(3)中建立的數(shù)值仿真工具，分析了大功率LED器件中材料、工藝和缺陷等因素對LED散熱的影響。具體包括對以下四個方面的研究:
　　1.LED器件中散熱問題的理論分析。在文獻調

3、研的基礎上，根據(jù)LED器件封裝的知識，我們對其散熱機制進行了一般性理論分析?；跓嶙杈W(wǎng)絡模型，討論了工藝界面因素在其中的重要影響，分析表明一些鍵合界面構成了LED散熱體系的主要導熱通道，而界面的幾何缺陷可能使整體的熱阻明顯升高。應用正交網(wǎng)格的差分迭代法建立了含缺陷的2D界面的熱傳導模型，計算了缺陷對體系熱阻上升的影響，結果表明熱阻上升主要取決于缺陷的橫向尺度和缺陷鄰接區(qū)域的熱阻。
　　2.結構分析和參數(shù)提取解決方案。利用材料微分析

4、手段，我們建立了一套系統(tǒng)的從無損分析到有損分析，從宏觀（厘米尺度）到微觀（微米尺度）的器件分析流程?；谠撎追椒?，我們對一系列大功率LED器件進行分析，提取了結構參數(shù)、材料參數(shù)等，并且比較了不同產(chǎn)品工藝之間的異同。分析認為大功率LED器件結構中的鍵合界面可能對器件最終的散熱能力有較大影響。實驗中我們觀察到金錫焊料鍵合界面存在的缺陷(Kirkendal缺陷)，可能對器件整體散熱性能有較大的影響。這部分研究中提取了一個典型LED器件的有關參

5、數(shù)，是后續(xù)有限元熱學仿真計算的數(shù)據(jù)基礎。
　　3.參數(shù)化有限元數(shù)值仿真解決方案。在比較了開源軟件和商用軟件的特點和差異后，我們選擇拓展功能較好的開源軟件二次開發(fā)。利用Python文本處理和回調技術實現(xiàn)了對類似LED器件多層（含薄膜）結構進行快速、準確地參數(shù)化建模，并對有限元求解器文檔接口進行了定制，兼容了參數(shù)化計算。通過設計文件接口、控制求解流程，并建立了一套參數(shù)化有限元熱分析解決方案的程序包。我們分析了參數(shù)化方法中的數(shù)值問題（穩(wěn)

6、定性、準確性和收斂性）以及物理參數(shù)對收斂行為的影響，并提出了變步長迭代法改進了LED器件恒流源下瞬態(tài)熱傳導模型的計算效率和數(shù)值穩(wěn)定性的方法，計算結果表明變步長的迭代方法具有數(shù)值穩(wěn)定性、收斂性和較高的計算效率。
　　4.LED器件工藝與散熱問題的仿真研究?；诘谝徊糠值睦碚摲治?、第二部分的實驗研究和第三部分的計算工具，我們對一個具有復雜工藝結構的倒裝型大功率LED器件散熱性能的研究（該器件的參數(shù)源于第二部分的實驗研究）。研究認為(1

7、)金凸點工藝的幾何尺寸對器件整體散熱能力相對有限;(2)研究了器件/外熱沉之間硅脂導熱和金屬焊接方式下，不同散熱鰭片數(shù)量等因素對器件結溫的影響。計算結果表明，兩種界面處理方式下，鰭片從12片到48片都能產(chǎn)生10度左右的結溫降低;而采用金屬焊接鍵合方式比導熱硅脂粘結方式可以使結溫降低10K甚至更多。(3)金錫焊料界面中的缺陷可能在較大輸入功率情況下對結溫的提升有較大影響（4w時結溫提升可達10度以上）。
　　第二部分工作研究了有機半

8、導體壓阻器件的壓阻特性。
　　我們將通過納米壓痕實驗測量和壓阻測試獲取Alq3和MEH-PPV的實驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)壓力增加導致有機半導體材料的電流飽和的現(xiàn)象。我們擴展了Miller-Abrahams模型，建立電流-應變（應力）方程分析了電學和力學等因素的影響。具體工作包括:
　　1.物理建模?；贛iller-Abrahams模型，并在合理界面假設的情況下推廣至界面處的載流子遷移行為，得到了具有電流飽和特性的電流-應變曲

9、線以及相應的物理方程。該方程具有兩種漸進行為，分別代表兩種電流輸運機制主導模式。當壓力增加時，界面電荷注入能力受限，并且影響了附近的載流子分布，限制了電流繼續(xù)增大，最終導致了電流飽和行為。
　　2.薄膜的力學性質表征。即引入薄膜力學表征結果對壓阻數(shù)據(jù)進行轉換。我們利用測得的薄膜力學特性將壓阻實驗測得的電流-應力曲線轉換為電流-應變曲線。分析認為薄膜自身的應力-應變性質的非線性性質不足以產(chǎn)生壓阻薄膜的電流飽和現(xiàn)象。
　　3.數(shù)