一种GaN HEMT器件寄生参数的提取方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN HEMT器件寄生参数的提取方法，包括以下步骤：将夹断偏置条件下的测试数据分为低频段、中频段和高频段三个频段，分别在低频段提取寄生电容和本征电容，在高频段提取寄生电感；结合零偏置条件和夹断偏置条件下的测试数据，提取GaN HEMT器件的寄生电阻；在夹断偏置条件下，评估全频段内模型的精度，计算误差大小；执行最优参数搜索的循环程序，搜索全频段内模型误差最小值对应的一组寄生参数值。本发明专利技术属于一种“半直接”的提取方法，具有传统“直接提取法”的优点，即提取方法简单、提取的值可信；同时，该方法由于引入了一个最优参数搜索算法，可以减小参数提取结果受测试不确定性的影响，提取精度较高。

A method for extracting parasitic parameters of GaN HEMT devices

The invention discloses a method for extracting GaN HEMT parameters, which comprises the following steps: pinch off test data bias conditions is divided into low frequency, intermediate frequency and high frequency band three, parasitic capacitance extraction and intrinsic capacitance respectively in the low frequency, extraction of parasitic inductance at high frequency with zero; the bias conditions and test data of pinch off bias conditions, the extraction of parasitic resistance GaN HEMT device; in the pinch off bias conditions, evaluate the whole band model precision, computing error; cycle execution of the program to search for the optimal parameters of a group of parasitic parameter search frequency period corresponds to the value of the minimum error model. The present invention relates to a method of \extracting semi direct\, with traditional advantages of direct extraction method, namely extraction method is simple and credible value extraction; at the same time, the method by introducing an optimal parameter search algorithm can reduce the influence of the parameters extracted from the test uncertainty, high extraction accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法。
技术介绍
GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)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。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器件的外部寄生参数分别为晶体管栅极(Gate)、漏极(Drain)和源极(Source)的寄生电阻和电感，分别表示为Rg、Lg、Rd、Ld、Rs、Ls，以及栅极和漏极的寄生电容(Cpg和Cpd)。寄生参数的提取是建立器件模型的首要步骤，这些寄生参数的提取精度直接影响到器件小信号模型、噪声模型以及非线性模型的精度。小信号等效电路模型的拓扑结构、测试不确定性和提取方法是造成寄生参数提取误差的主要原因。传统的晶体管寄生参数的提取方法主要有“直接提取法”、“优化法”以及两则结合的“混合法”。其中“直接提取法”通常是在器件冷态(cold-FET)偏置条件下，利用器件特定的等效电路拓扑来提取寄生参数，这种提取方法简单直接而且提取的值比较可信，但这种方法的提取精度受测试不确定性的影响较大；“优化法”是采用参数优化调谐的方法来拟合测试结果，这种方法对参数初值的选取要求较高，否则很容易得到不符合物理意义的解，人为因素影响较大；“混合法”兼具两则的优点，但更为复杂和耗时。另外，在提取GaNHEMT寄生参数时，常常用到栅极正向偏置的测试条件，此时器件栅上有较大的电流流过，很容易造成器件退化甚至烧毁。
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器件寄生参数的提取方法，采用零偏置条件和夹断偏置条件下的测试数据，提取器件的寄生电容、寄生电感和寄生电阻，然后采用最优参数搜索算法，搜索最佳的寄生参数组合。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法，包括以下步骤：S1、将夹断偏置条件下的测试数据分为低频段、中频段和高频段三个频段，分别在低频段提取寄生电容和本征电容，在高频段提取寄生电感；S2、结合零偏置条件和夹断偏置条件下的测试数据，提取GaNHEMT器件的寄生电阻；S3、结合步骤S1和S2的参数提取结果，在夹断偏置条件下，评估全频段内模型的精度，计算误差大小；S4、执行最优参数搜索的循环程序，搜索全频段内模型误差最小值对应的一组寄生参数值。进一步地，步骤S1中，在夹断偏置条件下的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S1包括以下子步骤：S101：在低频段内，忽略小信号等效电路拓扑中的电感和电阻，即仅剩下五个电容Cpg、Cpd、Cgsp、Cgdp和Cdsp，将测试的S参数矩阵转换为导纳Y矩阵，表示为YL；五个电容与YL矩阵参数的关系式如下：其中，YL11、YL12、YL21和YL22为YL矩阵的四个矩阵参数；ω为角频率；S102：在夹断偏置状态下，由GaNHEMT器件的沟道耗尽层物理特性，假设本征栅源和栅漏电容相等，即Cgsp＝Cgdp；然后，令中间变量Cds_t＝Cpd+Cdsp，由上述各式可得到电容参数与YL矩阵参数的关系式：由上式计算得到电容在低频段各测试频点低的值，然后在整个低频段内取算术平均，进一步降低测试不确定性造成的容值提取误差；S103：将Cpd赋初值为0，那么Cdsp＝Cds_t-Cpd，此时等效电路拓扑中的五个电容值均已确定，可继续执行后续的参数提取流程；S104：在高频段内提取寄生电感，Ls、Ld和Lg；先采用微波矩阵理论，将目前已经确定的寄生电容Cpd和Cpg从测试的S参数中剥离，并将剥离后的结果转换为阻抗Z矩阵，表示为ZH；由所述等效电路拓扑，剥离Cpd和Cpg后，寄生电感与ZH矩阵参数以及本征电容的关系式为：其中，ZH11、ZH12、和ZH22为ZH矩阵的四个矩阵参数；S105：由式(7)～(9)可计算得到寄生电感在高频段各测试频点低的值，同样，在整个高频段内取算术平均，可进一步降低测试不确定性造成的电感值提取误差。进一步地，步骤S2中，在零偏置条件下的GaNHEMT器件的小信号等效电路拓扑包括：栅极二极管电容Cg、栅极二极管微分电阻Rdy、器件沟道电阻Rch、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；器件沟道电阻Rch分为两个1/2器件沟道电阻1/2Rch；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、栅极二极管电容Cg、其中一个1/2器件沟道电阻1/2Rch、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld与漏极D连接，栅极二极管电容Cg上并联有栅极二极管微分电阻Rdy；另外一个1/2器件沟道电阻1/2Rch的其中一端与栅极二极管电容Cg和其中一个1/2器件沟道电阻1/2Rch之间的公共连接点连接，另外一个1/2器件沟道电阻1/2Rch的另外一端通过源极寄生电阻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：采用微波矩阵理论，将步骤S1中提取得到的寄生电容Cpd和Cpg从测试的S参数中剥离，并将剥离后的结果转换为阻抗Z矩阵，表示为ZN；等效电路拓扑中的参数与ZN矩阵参数的关系式为：ZN22＝Rs+Rd+Rch+jω(Ls+Ld)(12)其中，ZN11、ZN12、ZN21、ZN22为ZN矩阵的四个矩阵参数；在高频段时，式(11)等式右边第四项约等于那么可以得到在高频段内，取ω2·Re(ZN11)对ω2的斜率，令其为slope，即为了从式(10)、(12)和(14)中提取三个寄生电阻Rs、Rd和Rg，还需要先确定Rch；S202：为提取Rch，需要借助夹断偏置条件下，高频段的ZH矩阵，已在步骤S1中得到，ZH矩阵参数的实部可以表示为Re(ZH12)＝Rs(15)Re(ZH11)＝Rs本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN HEMT器件寄生参数的提取方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将夹断偏置条件下的测试数据分为低频段、中频段和高频段三个频段，分别在低频段提取寄生电容和本征电容，在高频段提取寄生电感；S2、结合零偏置条件和夹断偏置条件下的测试数据，提取GaN HEMT器件的寄生电阻；S3、结合步骤S1和S2的参数提取结果，在夹断偏置条件下，评估全频段内模型的精度，计算误差大小；S4、执行最优参数搜索的循环程序，搜索全频段内模型误差最小值对应的一组寄生参数值。

【技术特征摘要】
1.一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将夹断偏置条件下的测试数据分为低频段、中频段和高频段三个频段，分别在低频段提取寄生电容和本征电容，在高频段提取寄生电感；S2、结合零偏置条件和夹断偏置条件下的测试数据，提取GaNHEMT器件的寄生电阻；S3、结合步骤S1和S2的参数提取结果，在夹断偏置条件下，评估全频段内模型的精度，计算误差大小；S4、执行最优参数搜索的循环程序，搜索全频段内模型误差最小值对应的一组寄生参数值。2.根据权利要求1所述的一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法，其特征在于：步骤S1中，在夹断偏置条件下的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。3.根据权利要求2所述的一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法，其特征在于：步骤S1包括以下子步骤：S101：在低频段内，忽略小信号等效电路拓扑中的电感和电阻，即仅剩下五个电容Cpg、Cpd、Cgsp、Cgdp和Cdsp，将测试的S参数矩阵转换为导纳Y矩阵，表示为YL；五个电容与YL矩阵参数的关系式如下：其中，YL11、YL12、YL21和YL22为YL矩阵的四个矩阵参数；ω为角频率；S102：在夹断偏置状态下，由GaNHEMT器件的沟道耗尽层物理特性，假设本征栅源和栅漏电容相等，即Cgsp＝Cgdp；然后，令中间变量Cds_t＝Cpd+Cdsp，由上述各式可得到电容参数与YL矩阵参数的关系式：由上式计算得到电容在低频段各测试频点低的值，然后在整个低频段内取算术平均，进一步降低测试不确定性造成的容值提取误差；S103：将Cpd赋初值为0，那么Cdsp＝Cds_t-Cpd，此时等效电路拓扑中的五个电容值均已确定，可继续执行后续的参数提取流程；S104：在高频段内提取寄生电感，Ls、Ld和Lg；先采用微波矩阵理论，将目前已经确定的寄生电容Cpd和Cpg从测试的S参数中剥离，并将剥离后的结果转换为阻抗Z矩阵，表示为ZH；由所述等效电路拓扑，剥离Cpd和Cpg后，寄生电感与ZH矩阵参数以及本征电容的关系式为：其中，ZH11、ZH12、和ZH22为ZH矩阵的四个矩阵参数；S105：由式(7)～(9)可计算得到寄生电感在高频段各测试频点低的值，同样，在整个高频段内取算术平均，可进一步降低测试不确定性造成的电感值提取误差。4.根据权利要求3所述的一种GaNHEMT器件寄生参数的提取方法，其特征在于：步骤S2中，在零偏置条件下的GaNHEMT器件的小信号等效电路拓扑包括：栅极二极管电容Cg、栅极二极管微分电阻Rdy、器件沟道电阻Rch、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；器件沟道电阻Rch分为两个1/2器件沟道电阻1/2Rch；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、栅极二极管电容Cg、其中一个1/2器件沟道电阻1/2Rch、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld与漏极D连接，栅极二极管电容Cg上并联有栅极二极管微分电阻Rdy；另外一个1/2器件沟道电阻1/2Rch的其中一端与栅极二极管电容Cg和其中一个1/2器件沟道电阻1/2Rch之间的公共连接点连接，另外一个1/2器件...

【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