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

1、本論文主要研究兩種半導(dǎo)體器件（大功率LED和有機(jī)半導(dǎo)體壓阻器件）的仿真和分析技術(shù):第一部分關(guān)于大功率LED器件的建模、仿真和熱分析技術(shù)的解決方案;第二部分關(guān)于有機(jī)半導(dǎo)體器件的模型研究和計(jì)算仿真。
　　其中第一部分的相關(guān)工作圍繞大功率LED器件的結(jié)構(gòu)—模型—散熱問題展開實(shí)驗(yàn)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(duì)器件散熱問題進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法，分析和研究對(duì)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(duì)大功率LED器件的工藝因素—散熱性能關(guān)系研究，基于開源軟件開發(fā)了針對(duì)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(duì)LED散熱的影響。具體包括對(duì)以下四個(gè)方面的研究:
　　1.LED器件中散熱問題的理論分析。在文獻(xiàn)調(diào)

3、研的基礎(chǔ)上，根據(jù)LED器件封裝的知識(shí)，我們對(duì)其散熱機(jī)制進(jìn)行了一般性理論分析。基于熱阻網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成了LED散熱體系的主要導(dǎo)熱通道，而界面的幾何缺陷可能使整體的熱阻明顯升高。應(yīng)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(dǎo)模型，計(jì)算了缺陷對(duì)體系熱阻上升的影響，結(jié)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(jié)構(gòu)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。基于該套方法，我們對(duì)一系列大功率LED器件進(jìn)行分析，提取了結(jié)構(gòu)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(rèn)為大功率LED器件結(jié)構(gòu)中的鍵合界面可能對(duì)器件最終的散熱能力有較大影響。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)典型LED器件的有關(guān)參

5、數(shù)，是后續(xù)有限元熱學(xué)仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　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(diǎn)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(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)類似LED器件多層（含薄膜）結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地參數(shù)化建模，并對(duì)有限元求解器文檔接口進(jìn)行了定制，兼容了參數(shù)化計(jì)算。通過設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性和收斂性）以及物理參數(shù)對(duì)收斂行為的影響，并提出了變步長迭代法改進(jìn)了LED器件恒流源下瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型的計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性的方法，計(jì)算結(jié)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(jì)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(shí)驗(yàn)研究和第三部分的計(jì)算工具，我們對(duì)一個(gè)具有復(fù)雜工藝結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)研究）。研究認(rèn)為(1

7、)金凸點(diǎn)工藝的幾何尺寸對(duì)器件整體散熱能力相對(duì)有限;(2)研究了器件/外熱沉之間硅脂導(dǎo)熱和金屬焊接方式下，不同散熱鰭片數(shù)量等因素對(duì)器件結(jié)溫的影響。計(jì)算結(jié)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(jié)溫降低;而采用金屬焊接鍵合方式比導(dǎo)熱硅脂粘結(jié)方式可以使結(jié)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(duì)結(jié)溫的提升有較大影響（4w時(shí)結(jié)溫提升可達(dá)10度以上）。
　　第二部分工作研究了有機(jī)半

8、導(dǎo)體壓阻器件的壓阻特性。
　　我們將通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)量和壓阻測(cè)試獲取Alq3和MEH-PPV的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓力增加導(dǎo)致有機(jī)半導(dǎo)體材料的電流飽和的現(xiàn)象。我們擴(kuò)展了Miller-Abrahams模型，建立電流-應(yīng)變（應(yīng)力）方程分析了電學(xué)和力學(xué)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(shè)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(yīng)變曲

9、線以及相應(yīng)的物理方程。該方程具有兩種漸進(jìn)行為，分別代表兩種電流輸運(yùn)機(jī)制主導(dǎo)模式。當(dāng)壓力增加時(shí)，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(dǎo)致了電流飽和行為。
　　2.薄膜的力學(xué)性質(zhì)表征。即引入薄膜力學(xué)表征結(jié)果對(duì)壓阻數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我們利用測(cè)得的薄膜力學(xué)特性將壓阻實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流-應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)換為電流-應(yīng)變曲線。分析認(rèn)為薄膜自身的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)的非線性性質(zhì)不足以產(chǎn)生壓阻薄膜的電流飽和現(xiàn)象。
　　3.數(shù)