一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；S3：分别将热‑电耦合、热‑力耦合和力‑电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电‑热‑力多物理场耦合大信号模型。本发明专利技术引入了GaN外延层中应力的影响，从而完整描述器件的电‑热‑力多物理场耦合效应，提升GaN HEMT器件模型精度，并且模型可用于指导新型器件设计和工艺改进。

A multi physical field coupling large signal modeling method for GaN HEMT devices

The invention discloses a method for building a large signal model of GaN HEMT device with multi-physical field coupling, which comprises the following steps: S1: establishing the mapping relations between the thermal parameters, electrical parameters and stress parameters of the device and the physical parameters of the device; S2: deriving the analytical expression of the large signal model kernel based on the large signal model modeling theory of physical basis. Formula 3: Thermoelectric coupling, thermo-mechanical coupling and force-electric coupling are embedded into the kernel of large signal model respectively to get the modified large signal model kernel; S4: The modified large signal model kernel is brought into the model equivalent circuit topology to form a complete electric-thermal-force multi-physical field coupled large signal model. The present invention introduces the effect of stress in GaN epitaxial layer, thus fully describing the coupling effect of electrical, thermal and mechanical fields of GaN HEMT devices, improving the model accuracy of GaN HEMT devices, and the model can be used to guide the design and process improvement of new devices.

【技术实现步骤摘要】
一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法。
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(2DEG)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、电子战等领域得到了越来越广泛的应用。由于GaN自身热导率不高，加上材料特性和工艺限制，很难直接采用同质外延方法（GaN衬底生长GaN外延）来制备性能质量良好的微波功率器件。目前大多采用异质外延的方法，即在异质的衬底材料上直接外延生长或采用剥离转移的技术来形成GaNHEMT器件和电路。常用的GaNHEMT器件衬底材料有碳化硅（SiC）、硅（Si）、蓝宝石、以及目前最新的金刚石等。这些衬底材料与GaN外延的晶格类型、晶格常数和热膨胀系数都有不同程度的失配，特别是Si和金刚石衬底。从而在GaN外延中，由于衬底失配引入的应力无法完全弛豫。因此，在GaNHEMT器件内部微纳尺度环境下，存在电、热和应力三种物理能量的相互激励和耦合，从而产生电-热-力多物理场耦合效应。晶体管器件模型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，对指导器件优化设计、减少迭代次数、缩短研制周期、以及减小开发成本，有非常重要的作用。由于GaNHEMT器件的电性能对热和应力的影响非常敏感，因此，器件的大信号模型必须考虑电-热-力多物理场耦合效应的影响。而传统的GaNHEMT器件大信号模型建模方法，目前只初步实现了热-电耦合的大信号模型，关于电-热-力多物理场耦合效应的GaNHEMT器件大信号模型还未见相关报道。因此，目前精确的GaNHEMT器件模型，已成为器件性能优化和电路设计的瓶颈。而对多物理耦合效应的准确建模，是提升GaNHEMT器件大信号模型精度的关键。
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GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，解决传统的GaNHEMT器件大信号模型对多物理场耦合效应描述不全面，从而导致模型精度较低的问。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。进一步地，所述的热参数包括器件的材料热导率、界面热阻，所述的电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率，所述的应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比，所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。进一步地，步骤S1中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法，分析GaNHEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaNHEMT器件热参数与声子散射的映射关系；S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S121：基于GaNHEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaNHEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；S122：基于MonteCarlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaNHEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaNHEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。进一步地，所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg；所述的推导大信号模型内核的解析表达式的推导过程包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤；所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤：S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度；S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。进一步地，对于步骤S3中的热-电耦合，包括以下子步骤：S311：在步骤S1中建立的电参数与物理参数的映射关系的基础上，进一步加入温度的影响，分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程，分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：S331：在GaNHEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度发生改变；S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系；S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；在步骤S3中，将热-电耦合、热-力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；S3：分别将热‑电耦合、热‑力耦合和力‑电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电‑热‑力多物理场耦合大信号模型。

【技术特征摘要】
1.一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。2.根据权利要求1所述的一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述的热参数包括器件的材料热导率、界面热阻，所述的电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率，所述的应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比，所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。3.根据权利要求2所述的一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：步骤S1中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法，分析GaNHEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaNHEMT器件热参数与声子散射的映射关系；S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S121：基于GaNHEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaNHEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；S122：基于MonteCarlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaNHEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaNHEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。4.根据权利要求3所述的一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg；所述的推导大信号模型内核的解析表达式的推导过程包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤；所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤：S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度；S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。5.根据权利要求4所述的一种GaNHEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其...

【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