基于有源補(bǔ)償子電路的GaN HEMT大信號模型改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信 號模型的構(gòu)建方法，可用于對GaNHEMT器件的電路設(shè)計(jì)，更加精確地預(yù)測電路在大信號狀 態(tài)下的工作時(shí)性能。 技術(shù)背景
[0002] 隨著當(dāng)今國防建設(shè)、通訊產(chǎn)業(yè)和航空航天技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)備的射頻系統(tǒng)提出了 越來越高的要求：小型化、耐高溫、抗輻射、大功率、超高頻、適合在惡劣環(huán)境下工作等。以 GaN和SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件成為研究的熱點(diǎn)，在未來的通訊和國防中，研 究和開發(fā)出可以工作在更高頻率和具有更大功率的高性能半導(dǎo)體材料和器件具有十分重 要的意義。
[0003] 隨著外延材料質(zhì)量的不斷提高，器件工藝的不斷完善，AlGaN/GaNHEMT器件的發(fā) 展十分迅速。近年來，器件的特性指標(biāo)飛速發(fā)展，尤其是AlGaN/GaNHEMT器件的微波功率 特性，器件的輸出功率和功率密度都得到大幅度的提高。除制造工藝技術(shù)和器件特性外， AlGaN/GaNHEMT的建模工作也一直是人們研究的重點(diǎn)。由于在射頻微波領(lǐng)域的突出應(yīng)用， AlGaN/GaNHEMT器件模型研究一直是器件研究領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。器件模型包括小 信號模型和大信號模型。對于小信號，不論國內(nèi)還是國外，小信號建模的工作都取得了一定 的進(jìn)展，其中S參數(shù)法應(yīng)用得最為廣泛。而大信號建模歷來都是微波功率器件分析的難點(diǎn) 所在。而且AlGaN/GaNHEMT大信號模型絕大部分都是建立在GaAs材料基礎(chǔ)上，并且基本 都是套用MESFET相關(guān)模型，沒有考慮GaN材料與GaAs材料之間的差異，這樣器件模型會(huì)有 一定誤差。
[0004] 常用的GaNHEMT器件模型通?？煞譃榻?jīng)驗(yàn)解析模型和表格基模型兩類。
[0005] -、經(jīng)驗(yàn)解析模型，也叫等效電路模型，即針對實(shí)際工藝制作的不同器件，采用相 應(yīng)的測試和參數(shù)提取技術(shù)，用參數(shù)擬合和優(yōu)化方法得出制作單片電路所需的各種器件模 型，其優(yōu)點(diǎn)是函數(shù)關(guān)系和算法簡單，非常適合于寬帶大信號射頻放大器。但這些模型都需要 提取一定量的擬合參數(shù)，且模型精度越高，所需擬合的參量就越多，因而增加了算法的復(fù)雜 度。
[0006] 二、表格基模型，也稱數(shù)據(jù)基模型，是建立在大量測試基礎(chǔ)上的模型，因?yàn)樗瞧?件電參數(shù)的真實(shí)反映，與工藝線的結(jié)合更加緊密，與實(shí)際的器件特性更加接近。但表格基模 型的靈活性和實(shí)用性要比經(jīng)驗(yàn)解析模型差，對于大柵寬器件需要更多的公式和測量更多的 數(shù)據(jù)，降低了其伸縮性并加大了統(tǒng)計(jì)平均模型的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于有源補(bǔ)償子電路的GaNHEMT器件大信號模型改 進(jìn)方法，以解決上述現(xiàn)有GaNHEMT器件模型的不足，實(shí)現(xiàn)對器件kink效應(yīng)區(qū)域和自熱效應(yīng) 區(qū)域的精確仿真，使得器件在大信號工作模式下靜態(tài)工作點(diǎn)的確定和電路工作效率的預(yù)測 更加準(zhǔn)確。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] (1)對所用器件進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)通過擬合得到高電子迀移率晶體管大信 號模型EEHEMT1的參數(shù)；
[0010] (2)將所用器件測量得到的直流DCI-V輸出曲線寫入到一個(gè)電流源內(nèi)；
[0011] (3)將所述EEHEM1大信號等效電路模型與電流源進(jìn)行并聯(lián)，組成有源補(bǔ)償核，分 別在有源補(bǔ)償核的源極、柵極和漏極三個(gè)電極各串聯(lián)一個(gè)電感，用來阻擋交流信號，同時(shí)在 有源補(bǔ)償核的柵極和漏極各串聯(lián)一個(gè)直流源，用來提供直流功率，構(gòu)成有源補(bǔ)償子電路，該 有源補(bǔ)償子電路的漏源電流Ids_to_hS:
[001 2] Ids-branch(Vds，Vgs) Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(Vds，Vgs) '
[0013] 其中IdsEEHEMT11為有源補(bǔ)償子電路中高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的 源漏電流，Ids__s_dS有源補(bǔ)償子電路中包含直流DCI-V輸出曲線數(shù)據(jù)的電流源的源漏電 流。
[0014] (4)在有源補(bǔ)償子電路的源極串聯(lián)一個(gè)電壓源，形成一個(gè)源極電位可調(diào)的有源補(bǔ) 償子電路，再將該源極電位可調(diào)的有源補(bǔ)償子電路與所述EEHEMT1大信號等效電路模型并 聯(lián)，即將該源極電位可調(diào)的有源補(bǔ)償子電路的源極與所述EEHEMT1模型的漏極相連，將源 極電位可調(diào)的有源補(bǔ)償子電路的漏極與所述EEHEMT1模型的源極相連，得到改進(jìn)后GaN高 電子迀移率晶體管HEMT大信號模型，該改進(jìn)后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模 型源漏電流Ids表示為：
[0015] Ids(Vds，Vgs) -Ids-EEHEMT1-2(Vds，Vgs)_(Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(vds，vgs))，
[0016] 其中，IdsEEHEMT11為有源補(bǔ)償子電路中高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的 源漏電流，Ids__s_d為含有直流DCI-V輸出曲線數(shù)據(jù)的電流源的源漏電流，IdsEEHEMT12為與 源極電位可調(diào)的有源補(bǔ)償子電路相并聯(lián)的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的源 漏電流，Vds為改進(jìn)后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型的源漏電壓，Vgs為改進(jìn) 后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型的柵源電壓。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 1)本發(fā)明將等效電路模型和表格基模型相結(jié)合，建立的GaN高電子迀移率晶體管 HEMT大信號模型，既具有等效電路模型的靈活性與實(shí)用性，又具有表格基模型的真實(shí)性；
[0019] 2)本發(fā)明通過有源補(bǔ)償子電路對原始GaN高電子迀移率大信號模型的源漏電流 進(jìn)行修正，使得改進(jìn)后模型的直流DCI-V仿真曲線與測試曲線實(shí)現(xiàn)零誤差的擬合，成功解 決了現(xiàn)有模型無法對GaN高電子迀移率晶體管HEMT表現(xiàn)處的kink效應(yīng)和自熱效益同時(shí)精 確擬合的缺點(diǎn)，降低了對原始大信號模型直流DCI-V曲線建模精度的要求，減少了建模時(shí) 優(yōu)化的步驟，節(jié)省了建模所需的時(shí)間，同時(shí)提高了模型仿真的精度；
[0020] 3)本發(fā)明在有源補(bǔ)償子電路的三個(gè)電極串聯(lián)三個(gè)理想電感，隔離了交流信號，因 此有源補(bǔ)償子電路不會(huì)對原始大信號模型的交流性能產(chǎn)生影響；
[0021] 4)使用本發(fā)明建立的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型，在電路設(shè)計(jì)階段 能對器件靜態(tài)工作點(diǎn)和電路的效率能做出更為準(zhǔn)確的預(yù)測，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中更加簡單、 準(zhǔn)確和實(shí)用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為現(xiàn)有的AlGaN/GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明對圖1建模的主流程圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明中提取高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1參數(shù)的子流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明中提取圖1寄生電容的開路結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明中提取圖1寄生電容和寄生電阻的短路結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖6為現(xiàn)有高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的等效原理圖；
[0028] 圖7為本發(fā)明為改進(jìn)電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1而增設(shè)的有源補(bǔ)償子 電路的原理圖；
[0029] 圖8為本發(fā)明改進(jìn)后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1電路原理圖；
[0030] 圖9為圖7有源補(bǔ)償子電路的直流DC I-V曲線圖；
[0031] 圖10為改進(jìn)前、后高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的直流DC I-V仿真 曲線與實(shí)際器件的直流DC I-V測試曲線對比圖；
[0032] 圖11為用本發(fā)明改進(jìn)后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1仿真得到的 轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)曲線與實(shí)際器件測試得到的轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)曲線的對比圖；
[0033]圖12為改進(jìn)前、后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1散射參數(shù)仿真曲線 與實(shí)際器件散射參數(shù)測試曲線對比圖；
[0034] 圖13為在最佳偏置點(diǎn)下改進(jìn)前后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1性 能仿真曲線與實(shí)際器件的性能測試曲線隨輸入信號變化的對比圖。 具體實(shí)施方案
[0035] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0036] 本實(shí)例以AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管HEMT器件為例，建立通過有源補(bǔ)償子電 路改進(jìn)的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型。
[0037] 參照圖1，AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管HEMT器件，其自下而上包括2英寸的 4H_SiC襯底、100nm厚A1N成核層、1. 6um厚的GaN緩沖層、lnm的A1N插入層、20nm厚非摻雜 AlGaN勢皇層、60nmSiN鈍化層、Ti/Al/Ni/Au歐姆源電極和歐姆漏電極、Ni/Au/Ni肖特基 柵，其中柵寬為l〇X125um，，柵長為0· 4um，柵-柵、柵-源、柵-漏間距分別為40um、0. 7um 和 2. 8um〇
[0038]參照圖2，本發(fā)明對圖1建模的主流程圖包括如下步驟：
[0039]步驟1，設(shè)置高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1參數(shù)
[0040] 參照圖6,高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1是一款用于描述器件特性的 模型。在模型的參數(shù)提取過程中，模型方程與參數(shù)提取技術(shù)是同時(shí)進(jìn)行，這是為了保證方程 中的所有參數(shù)都可以通過測試數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。盡管該模型適用于參數(shù)自動(dòng)提取技術(shù)，但是 其中依然包含了一些可以直接通過目測曲線得出的數(shù)據(jù)；與其他常用模型相比，增加了參 數(shù)的個(gè)數(shù)，但是擬合精度也同步得到了提高；由于模型中的表達(dá)式都是非多項(xiàng)式的形式，因 此該模型不存在局限性，可以在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精確描述器件特性；在高電子迀移率晶 體管大信號模型EEHEMT1的等效電路中，Q為柵極寄生電容，C2為漏極寄生電容，C3為柵極 與漏極之間的相互作用形成的寄生電容；1^為柵極引線寄生電感，L2S漏極引線寄生電感，L3為源極引線寄生電