一种AlGaN/GaN HEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法技术

本发明专利技术公开了一种AlGaN/GaN HEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，包括：S1：采用有限元热仿真方法，提取GaN HEMT器件非线性热阻随器件功耗和尺寸的变化关系式；S2：利用冷态夹断偏置条件下的S参数测试数据，提取GaN HEMT器件常温下的寄生参数值；S3：利用不同的环境温度下器件脉冲I‑V的测试数据，提取寄生电阻Rs和Rd随温度的变化关系式，得到不同偏置条件下的Rs和Rd的值；S4：采用各个偏置条件下S参数的测试数据，寄生参数剥离，得到本征网络Y参数，计算器件小信号等效电路本征参数值。本方法引入寄生电阻Rs和Rd随温度的变化关系式，使得提取的本征参数值更可信、更具有物理意义。

【技术实现步骤摘要】
一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法。
技术介绍
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)具有非常高的二维电子气(2-DEG)浓度、高饱和电子迁移速度和高击穿电压等优点，使得GaNHEMT器件在微波功率应用领域具有GaAs器件无法比拟的优势，是目前研究和应用的热点，在通信、雷达、卫星等领域具有广阔的应用前景。晶体管器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，在电路设计和工艺设计之间发挥着桥梁的作用。精确的器件模型显得越来越重要，这不仅会提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。GaNHEMT器件的小信号等效电路模型是在固定的偏置条件下，模拟器件在小信号状态下的响应特性，它将晶体管的电性能对频率的响应特性分别等效为集总的电容、电感、电阻和受控电流源等元件。这种方法将晶体管的物理结构和电特性抽象出来，以便于利用数学方法对其进行运算。GaNHEMT器件的小信号等效电路模型是建立其大信号模型和噪声模型的基础，小信号等效电路模型中任意参数不准确所带来的影响将会在大信号模型和噪声等效电路中被放大。因此小信号等效电路模型的精度决定了大信号模型和噪声模型的精度，在GaN微波单片集成电路(MMIC)设计中具有重要的意义。申请号为CN201010589028.5的专利技术专利公开了一种AlGaN/GaNHEMT小信号模型的参数提取方法，所述参数提取方法是在传统的参数提取方法基础上进行的改进，采取开路去嵌图形进行外围寄生参数的提取，引入栅端肖特基电阻提取寄生电阻和电感，引入漏端延时因子提取内部本征参数，保证所提取的参数都是正值，并且都有物理意义，从而改善了小信号参数的S参数中S11和S22。然而GaNHEMT器件具有的高功率特性(一般是GaAspHEMT器件功率密度的5～10倍)，使得“热效应”成为器件建模过程中必须考虑的问题，给GaNHEMT器件建模带来较大的难度，现有技术并没有对其进行考虑。GaNHEMT器件的源极和漏极寄生电阻(Rs和Rd)是小信号等效电路模型中两个重要的寄生参数。它们分别由两部分组成，第一部分是欧姆接触电阻，一般认为是不随器件沟道温度变化的；另一部分是半导体寄生通道的电阻，由于载流子的迁移率随温度升高而降低，造成这部分电阻的阻值随器件的沟道温度升高而增大。目前提取Rs和Rd的方法通常是在器件冷态(cold-FET)偏置条件下(漏极偏置电压Vds＝0V)，利用器件特定的等效电路拓扑和参数提取方法来提取。由于此时器件的静态功耗几乎为零，因此，得到的Rs和Rd的值是在环境温度下的值(一般为常温25℃)。但器件在实际工作偏置状态下，由于具有静态功耗，器件的沟道温度是高于环境温度的，特别是对于GaNHEMT器件，其静态功耗较大，“热效应”更加明显。如果继续按照传统方法用常温下得到的Rs和Rd的值，通过寄生参数剥离的方法，计算GaNHEMT的小信号等效电路本征参数，将使得提取的本征参数值偏离它们实际物理意义对应的值，给后面大信号模型或噪声模型提供一个有误的输入。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，解决现有技术不考虑“热效应”使得提取到的本征参数偏离实际物理意义的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，包括以下步骤：S1：采用有限元热仿真的方法，提取GaNHEMT器件非线性热阻随器件功耗和尺寸的变化关系式；S2：利用冷态夹断偏置条件下的S参数测试数据，提取GaNHEMT器件常温下的寄生参数值；S3：利用不同的环境温度下器件脉冲I-V的测试数据，提取寄生电阻Rs和Rd随温度的变化关系式，并结合步骤S1和S2的结果，得到不同偏置条件下的Rs和Rd的值；S4：采用各个偏置条件下S参数的测试数据，将步骤S2和步骤S3得到的寄生参数剥离，得到本征网络Y参数，并计算器件小信号等效电路本征参数值。进一步地，步骤S1包括以下子步骤：S101：根据GaNHEMT外延和平面结构，利用有限元热仿真软件建立GaNHEMT器件的三维仿真模型，包括设置器件的栅长LG、栅源间距LGS、栅漏间距LGD、外延层结构、热源的GaNHEMT工作的静态功耗Pdiss和分布方式；S102：对不同尺寸的GaNHEMT器件的三维仿真模型在不同的功耗条件下进行热稳态仿真，得到Rth随器件静态功耗和栅宽的变化关系，包括得到在相同尺寸下GaNHEMT器件的热阻Rth和Pdiss的关系、以及在相同静态功耗下热阻Rth和尺寸的关系；S103：采用多项式，对得到的在相同尺寸下GaNHEMT器件的热阻Rth和Pdiss的关系、以及在相同静态功耗下热阻Rth和尺寸的关系进行拟合，得到Rth与器件静态功耗和尺寸的关系式，其中所述的尺寸包括栅指数Ng和单指栅宽Wg；公式如下：式中，kpi和λwj是拟合参数。进一步地，步骤S2中，冷态夹断偏置条件下的GaNHEMT器件的小信号等效电路拓扑包括：栅源本征电容Cgsp、栅漏本征电容Cgdp、漏源本征电容Cdsp、栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg和漏极寄生电容Cpd；GaNHEMT器件的栅极G通过栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaNHEMT器件的漏极D通过漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgdp、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld与漏极D连接；栅源本征电容Cgsp的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgdp的公共连接点连接，漏源本征电容Cdsp的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电容Cgdp的公共连接点连接，栅源本征电容Cgsp的另外一端和漏源本征电容Cdsp的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接。进一步地，步骤S2包括以下子步骤：S201：在冷态夹断偏置条件下，在低频段提取寄生电容，并在高频段提取寄生电感和寄生电阻；S202：在微波电路仿真软件，对冷态夹断偏置条件下的小信号等效电路拓扑网络参数进行调谐优化，提高模型的仿真结果与测试的S参数的相近率。进一步地，步骤S3包括以下子步骤：S301：测量器件在不同的环境温度下的脉冲I-V；S302：从GaNHEMT器件脉冲I-V测试数据的线性区，提取器件的开启电阻RON，得到各个Tamb温度条件下的RON的值；其中，开启电阻RON＝Vdsp/Idsp，Vdsp为漏极脉冲偏置电压，Idsp为测试得到的漏极脉冲电流；S303：将步骤S2中得到的某一温度条件下的Rs和Rd的值，以及器件的结构参数值带入Rs、Rd、Rch与器件结构参数的关系式，得到Rc、Rsh和Rch在该温度条件下的值；其中，所述的器件结构参数包括总栅宽W＝Ng*Wg、栅源间距LGS和栅漏间距LGD；所述的Rs、Rd、Rch与器件结构参数的关系式为：Rs＝(Rc/W)+(Rsh×LGS/W)Rd＝(Rc/W)+(Rsh×L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AlGaN/GaN HEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用有限元热仿真的方法，提取GaN HEMT器件非线性热阻随器件功耗和尺寸的变化关系式；S2：利用冷态夹断偏置条件下的S参数测试数据，提取GaN HEMT器件常温下的寄生参数值；S3：利用不同的环境温度下器件脉冲I‑V的测试数据，提取寄生电阻Rs和Rd随温度的变化关系式，并结合步骤S1和S2的结果，得到不同偏置条件下的Rs和Rd的值；S4：采用各个偏置条件下S参数的测试数据，将步骤S2和步骤S3得到的寄生参数剥离，得到本征网络Y参数，并计算器件小信号等效电路本征参数值。

【技术特征摘要】
1.一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用有限元热仿真的方法，提取GaNHEMT器件非线性热阻随器件功耗和尺寸的变化关系式；S2：利用冷态夹断偏置条件下的S参数测试数据，提取GaNHEMT器件常温下的寄生参数值；S3：利用不同的环境温度下器件脉冲I-V的测试数据，提取寄生电阻Rs和Rd随温度的变化关系式，并结合步骤S1和S2的结果，得到不同偏置条件下的Rs和Rd的值；S4：采用各个偏置条件下S参数的测试数据，将步骤S2和步骤S3得到的寄生参数剥离，得到本征网络Y参数，并计算器件小信号等效电路本征参数值。2.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：步骤S1包括以下子步骤：S101：根据GaNHEMT外延和平面结构，利用有限元热仿真软件建立GaNHEMT器件的三维仿真模型，包括设置器件的栅长LG、栅源间距LGS、栅漏间距LGD、外延层结构、热源的GaNHEMT工作的静态功耗Pdiss和分布方式；S102：对不同尺寸的GaNHEMT器件的三维仿真模型在不同的功耗条件下进行热稳态仿真，得到Rth随器件静态功耗和栅宽的变化关系，包括得到在相同尺寸下GaNHEMT器件的热阻Rth和Pdiss的关系、以及在相同静态功耗下热阻Rth和尺寸的关系；S103：采用多项式，对得到的在相同尺寸下GaNHEMT器件的热阻Rth和Pdiss的关系、以及在相同静态功耗下热阻Rth和尺寸的关系进行拟合，得到Rth与器件静态功耗和尺寸的关系式，其中所述的尺寸包括栅指数Ng和单指栅宽Wg；公式如下：式中，kpi和λwj是拟合参数。3.根据权利要求2所述的一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：步骤S2中，冷态夹断偏置条件下的GaNHEMT器件的小信号等效电路拓扑包括：栅源本征电容Cgsp、栅漏本征电容Cgdp、漏源本征电容Cdsp、栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg和漏极寄生电容Cpd；GaNHEMT器件的栅极G通过栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaNHEMT器件的漏极D通过漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgdp、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld与漏极D连接；栅源本征电容Cgsp的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgdp的公共连接点连接，漏源本征电容Cdsp的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电容Cgdp的公共连接点连接，栅源本征电容Cgsp的另外一端和漏源本征电容Cdsp的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接。4.根据权利要求3所述的一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：步骤S2包括以下子步骤：S201：在冷态夹断偏置条件下，在低频段提取寄生电容，并在高频段提取寄生电感和寄生电阻；S202：在微波电路仿真软件，对冷态夹断偏置条件下的小信号等效电路拓扑网络参数进行调谐优化。5.根据权利要求4所述的一种AlGaN/GaNHEMT微波功率器件小信号本征参数提取方法，其特征在于：步骤S3包括以下子步骤：S301：测量器件在不同的环境温度下的脉冲I-V；S302：从GaNHEMT器件脉冲I-V测试数据的线性区，提取器件的开启电阻RON，得到各个Tamb温度条件下的RON的值；其中，开启电阻RON＝Vdsp/Idsp，Vdsp为漏极脉冲偏置电压，Idsp为测试得到的漏极脉冲电流；S303：将步骤S2中得到的某一温度条件下的Rs和Rd的值，以及器件的结构参数值带入Rs、Rd、Rch与器件结构参数的关系式，得到Rc、Rsh和Rch在该温度条件下的值；其中，所述的器件结构参数包括总栅宽W＝Ng*Wg、栅源间距LGS和栅漏间距LGD；所述的Rs、Rd、Rch与器件结构参数的关系式为：Rs＝(Rc/W)+(Rsh×LGS/W)Rd＝(Rc/W)+(Rsh×LGD/W)Rch＝Rsh×LG/W式中，Rc和Rsh...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇波，
申请(专利权)人：成都海威华芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51