随着电路集成度的不断提高,传统硅基器件会出现较大的寄生电容和漏电流,从而剧烈影响半导体器件的正常工作。与此同时,高密度导致的高温也会影响器件性能,这使得基于硅材料的器件和电路已难以继续遵循传统的摩尔定律。另一方面,氮化镓材料所具有的如击穿电压高、噪声系数优良和振荡频率高等独特优势,为军事、宇航和汽车等多领域的应用提供了选择。无论是传统器件还是新型器件,它们的可靠性对下一代半导体产品的开发已经变得愈发重要。本文涉及的内容主要集中在新型互连线、横向扩散金属氧化物半导体晶体管和氮化镓高电子迁移率晶体管的可靠性。本文主要的工作和创新点总结如下：首先,本文介绍了时域有限元方法,包括其基本原理、数学基础和实现步骤。同时还介绍了本文所涉及与多物理场有关的偏微分方程。然后,对铜-石墨烯异质互连线进行高频电学建模,得出其电学参数随互连线结构和尺寸等参数的变化。在此基础之上,对多层高密度铜-石墨烯异质互连结构进行稳态和瞬态仿真,分析和讨论了互连线阵列中温度分布和最高温度在不同静电脉冲激励下的变化规律,研究了最高温度响应随石墨烯厚度的变化趋势。接下来,本文对横向扩散金属氧化物半导体晶体管进行电-热-力仿真,得到了其最高温度和最大应力在不同形式和幅值组合脉冲作用下的变化规律。最后,本文对氮化镓高电子迁移率晶体管的热-力特性进行了分析,得到了温度和热应力随耗散功率和晶体管指数等参数的变化规律。在此基础上,研究了金刚石散热材料对氮化镓器件热管理能力的改善和对热应力的影响。本文旨在通过模拟仿真为器件的设计、加工提供参考。