CN102663200B - 一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，该方法有六大步骤：步骤1：建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路图；步骤2：确定等效电路模型元件与物理结构的关系；步骤3：研究确定模型元件受温度影响的物理机制；步骤4：建立模型元件与温度之间的函数关系；步骤5：GaAs FET等效电路模型在微波EDA软件中的实现；步骤6：模拟GaAs FET关键性能参数随温度的变化关系。本发明能够仿真砷化镓场效应管性能参数与其物理结构之间的关系，能够预测温度对砷化镓场效应管性能参数的影响，方便器件设计人员进行结构设计和工艺参数优化。它在微电子技术领域里具有较好的实用价值和良好的应用前景。

Description

一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法

技术领域

本发明涉及一种砷化镓场效应管(GaAs FET)温度影响模型的建立方法，它是微波功率器件仿真分析领域的一种等效电路模型实现方法，致力于表征GaAs FET关键性能参数的温度影响，评估其在高温环境下的参数退化程度，以降低应用风险，属于微电子技术领域。

背景技术

GaAs FET具有噪声系数低、频带宽、抗辐射能力强和电源附加效率高等优点，广泛应用于构成有源相控阵雷达的T/R组件。GaAs FET的性能受温度影响较大，当温度变化时，其电学特性会相应地发生改变。例如跨导在高温环境下会显著降低，这会对电路的工作性能产生不良影响。器件温度的改变主要源于环境温度(或热沉温度)的变化以及器件的自升温效应。随着GaAsFET输出功率的不断提高，自升温效应将更加显著，器件的工作环境也将变得更加恶劣。

目前，主要通过建立器件经验分析模型的方式来描述GaAs FET的输入输出特性，如Statz模型、TriQuint模型和Angelov模型等。在表征模型参数受温度的影响程度时，这些经验分析模型采用的均是对测量数据进行数值拟合的方法，而没有揭示出温度影响的物理机制，因此在器件被制造和测量之前是不能预测其性能参数以及温度影响的。如果能够在微波EDA软件中建立GaAs FET的物理基等效电路模型，就可以实现GaAs FET性能参数的计算机仿真，进而可以预测温度对其性能参数的影响。这不仅有助于器件设计人员进行结构设计和工艺参数优化，同时也可以为器件的散热设计提供必要的参考。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，该方法可操作性强，能够预测温度对砷化镓场效应管性能参数的影响。

2、技术方案：

本发明一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路图：以GaAs FET的结构组成、材料属性、工艺参数、工作原理等信息为输入，建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路图，等效电路图中包含与偏置有关的本征元件和与偏置无关的寄生元件。

步骤2：确定等效电路模型元件与物理结构的关系：将等效电路模型中的本征元件和寄生元件表征为以器件几何尺寸和材料属性为自变量的函数表达式。

步骤3：研究确定模型元件受温度影响的物理机制：依据模型元件与GaAs FET物理结构、材料属性等之间的关系，分析模型元件受温度影响的物理机制，确定对温度变化敏感的物理参量。

步骤4：建立模型元件与温度之间的函数关系：对于受温度影响明显的物理参量，建立其与温度之间的函数关系，从而将模型元件表征为以器件物理参量和温度值为自变量的函数表达式。

步骤5：GaAs FET等效电路模型在微波EDA软件中的实现：依据建立的GaAs FET等效电路模型，在微波EDA软件中搭建等效电路图，并对电路图中的本征元件和寄生元件进行参数定义，确定可调参量，最后对等效电路模型进行封装。

步骤6：模拟GaAs FET关键性能参数随温度的变化关系：通过微波EDA软件中的直流仿真控制器和S参数仿真控制器分别进行不同温度值下的直流参数扫描和S参数扫描，以表征GaAs FET关键性能参数随温度的变化关系。

其中，步骤1中所述的建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路图可以通过大量公开发表的文献、报告等获得，在实际应用前需结合待分析对象的特点对其进行适当修正，如对寄生元件的合理取舍。

其中，步骤2中所述的函数自变量具体包括栅极长度、栅极宽度、栅源间距、掺杂浓度、沟道深度、耗尽层厚度、GaAs介电常数、载流子迁移率、肖特基自建势、电子饱和速度等。各个本征元件和寄生元件的取值直接影响了模型的准确程度，模型元件与物理结构之间的关系复杂，因此需要首先对GaAs FET的制作工艺进行充分调研，明确其内部的物理结构，以及各部分的材料属性和几何参数，并通过对其物理结构进行必要的合理简化，最终实现对各个模型元件的表征。模型元件与物理结构间的函数关系可以参照相关的经验公式，如Peter H.Ladbrooke模型可以用来描述本征元件和寄生元件与器件物理结构之间的函数关系。

其中，步骤3中所述模型元件受温度影响的物理机制具体包括肖特基自建势、夹断电压、载流子迁移率、电子饱和速度等诸多物理参量的温度影响规律。

其中，步骤4中所述物理参量与温度之间的函数关系可以通过查阅相关文献获得，也可以通过借助相关的计算机模拟软件(如Silvaco和Medici)实现，最后通过采用数值拟合的手段实现对温度影响机制的准确描述。

其中，步骤5中所述的微波EDA软件可以优先选择Agilent Technologies公司推出的Advanced Design System(ADS)。该软件便于进行直流参数和S参数仿真，且建立的器件模型可以直接用于设计微波功率放大器。

其中，步骤6中所述的直流参数指静态直流电流-电压(I-V)特性曲线，S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂。S参数又称为散射参量，它是微波网络中应用最多的一种参量。S参数是由归一化入射波电压和归一化反射波电压定义的。

3、本发明提供了一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其优点主要有：

(1)能够仿真砷化镓场效应管性能参数与其物理结构之间的关系，方便器件设计人员进行结构设计和工艺参数优化。

(2)能够预测温度对砷化镓场效应管性能参数的影响，可以为器件的散热设计提供必要的参考，以保证散热条件能够更为有效地满足器件的正常工作要求。

(3)建立的器件模型具有较好的可移植性，可直接用于微波功率放大器的设计和T/R的行为级仿真。

附图说明

图1为本发明实施方法流程框图

图2为温度对GaAs电子饱和速度的影响示意图

图3为在微波EDA软件中建立的GaAs FET等效电路模型示意图

图4为不同温度值下的GaAs FET静态直流特性示意图

图5(a)为不同温度值下的GaAs FET散射参量S₁₁示意图

图5(b)为不同温度值下的GaAs FET散射参量S₁₂示意图

图5(c)为不同温度值下的GaAs FET散射参量S₂₁示意图

图5(d)为不同温度值下的GaAs FET散射参量S₂₂示意图

图中和公式中的符号说明见表1。

表1图中和公式中的符号说明

u0	GaAs载流子迁移率	g0	跨导	ls	源极寄生电感
						vsat	电子饱和速度	Vbi	肖特基自建势	Rd	漏极寄生电阻
N	有源层掺杂浓度	Vth	阈值电压	Rg	栅极寄生电阻
						X	耗尽层漏端扩展长度	Vpo	夹断电压	Rs	源极寄生电阻
w	有源层厚度	Ids	漏极电流	Rds	输出电阻
						d	耗尽层厚度	Idss	饱和漏极电流	Ri	本征沟道电阻
ρ	栅极金属电阻率	Lg	栅极长度	Cds	漏极-源极本征电容
						h	栅极金属厚度	Zg	栅极宽度	Cgd	栅极-漏极本征电容
ε	GaAs绝对介电常数	Lgd	栅极-漏极间距	Cgs	栅极-源极本征电容
						μ	真空磁导率	Lgs	栅极-源极间距	Cpd	漏极寄生焊盘PAD电容

q	电子电荷量	ld	漏极寄生电感	Cpg	栅极寄生焊盘PAD电容
						τ	时间延迟	lg	栅极寄生电感	Cpdg	栅极-漏极寄生焊盘PAD电容

具体实施方式

下面结合具体的实施案例，对本发明所述的砷化镓场效应管温度影响模型建立方法进行详细说明。

案例：栅长为1μm的离子注入型GaAs FET，栅源间距为1μm，栅宽为300μm，有源层掺杂浓度为1.0×10¹⁷cm^-3，有源层厚度为0.2μm，栅极金属厚度为0.5μm，栅极金属为Au。

见图1，本发明一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：GaAs FET等效电路图目前有很多种，在此选用了较为成熟的Curtice模型，并在此基础上增加了寄生电感、寄生焊盘PAD电容。

步骤2：在进行直流参数分析时，漏极电流I_ds采用Statz-Pucel模型。饱和漏极电流I_dss与器件物理结构之间的关系参照了S.D′Agostino给出的结果；在非饱和区，I_ds的取值借鉴了Statz模型中tanh函数的近似表达式。具体表达式为：

I_ds(V_ds，V_gs)＝I_p(V_gs)f_CLM(V_ds，V_gs)P(α，V_ds)

当 $0<V_{\mathrm{ds}}<\frac{3}{\mathrm{\&alpha;}}$ 时， $P(\mathrm{\&alpha;},V_{\mathrm{ds}})=1-{(1-\frac{\mathrm{\&alpha;}{V}_{\mathrm{ds}}}{3})}^3$

当 $V_{\mathrm{ds}}\&GreaterEqual;\frac{3}{\mathrm{\&alpha;}}$ 时，P(α，V_ds)＝1

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{V_{\mathrm{po}}+3E_s(L_g-\frac{2a}{\mathrm{\&pi;}}{\sinh }^{-1}(-\frac{\mathrm{\&pi;}{K}_d}{2a{E}_s}))}{E_s{L}_g(1-\sqrt{\frac{E_s{L}_g}{V_{\mathrm{po}}+E_s{L}_g}})(V_{\mathrm{po}}+3E_s{L}_g)}$

I_dss(V_ds，V_gs)＝I_p(V_gs)f_CLM(V_ds，V_gs)

$f_{\mathrm{CLM}}(V_{\mathrm{ds}},V_{\mathrm{gs}})=\frac{V_{\mathrm{po}}+2E_s{L}_g}{V_{\mathrm{po}}+3E_s(L_g-L_s)}$

$I_p\left(V_{\mathrm{gs}}\right)=g_0{V}_{\mathrm{po}}\mathrm{\&xi;}(1-\sqrt{\frac{s^4-s^2-\mathrm{\&xi;}}{s^2-(1+\mathrm{\&xi;})}})$

当0＜V_ds＜V_p(V_gs)时，L_s(V_ds，V_gs)＝0

当V_ds≥V_p(V_gs)时， $L_s(V_{\mathrm{ds}},V_{\mathrm{gs}})=\frac{2w}{\mathrm{\&pi;}}{\sinh }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&pi;}{K}_d}{2a{E}_s}\right[V_{\mathrm{ds}}-V_p\left(V_{\mathrm{gs}}\right)\left]\right)$

式中，

$V_p\left(V_{\mathrm{gs}}\right)=V_{\mathrm{po}}\frac{\mathrm{\&xi;}(1-s)}{\mathrm{\&xi;}+1-s},$ $g_0=\frac{{\mathrm{qNu}}_{0}w{Z}_g}{L_g},$ $E_s=\frac{v_{\mathrm{sat}}}{u_0},$ $\mathrm{\&xi;}=\frac{E_s{L}_g}{V_{\mathrm{po}}},$ $s=\frac{V_{\mathrm{bi}}-V_{\mathrm{gs}}}{V_{\mathrm{po}}},$ $K_d=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;V}+V_{\mathrm{dom}}}$

在进行射频小信号S参数分析时，各本征元件和寄生元件与器件物理结构之间的关系采用了目前应用广泛的Peter H.Ladbrooke模型，输出电阻R_ds的取值参见黄艺等人在文献《一种改进的微波MESFET模拟器》中给出的结果。

$R_d=\frac{L_{\mathrm{gd}}-X}{{\mathrm{qNu}}_0{\mathrm{wZ}}_g-I_{\mathrm{ds}}{\left[\frac{2\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{qN}(-V_{\mathrm{gs}}+V_{\mathrm{bi}})}\right]}^{\frac{1}{2}}}$

$R_g=\frac{\mathrm{\&rho;}{Z}_g}{3h{L}_g},$ $R_s=\frac{L_{\mathrm{gs}}}{{\mathrm{qNu}}_0{\mathrm{wZ}}_g},$ $R_{\mathrm{ds}}=\frac{\mathrm{rX}}{u_0{Z}_g},$ $R_i=\frac{v_{\mathrm{sat}}{L}_g}{u_0{I}_{\mathrm{ds}}}$

$C_{\mathrm{gd}}=\frac{2\mathrm{\&epsiv;}{Z}_g}{1+2X/L_g},$ $C_{\mathrm{gs}}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}{Z}_g{L}_g}{d},$ $C_{\mathrm{ds}}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}{\mathrm{XZ}}_g}{2d}-\frac{2\mathrm{\&epsiv;}{Z}_g}{1+2X/L_g}$

$l_g=\frac{\mathrm{\&mu;}{\mathrm{dZ}}_g}{m^2{L}_g},$ $\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{v_{\mathrm{sat}}}(\frac{X}{2}-\frac{2d}{1+2X/L_g})$

式中，

$X={\left[\frac{2\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{qN}(-V_{\mathrm{gs}}+V_{\mathrm{bi}})}\right]}^{\frac{1}{2}}(V_{\mathrm{dg}}+V_{\mathrm{bi}}),$ $d={\left[\frac{2\mathrm{\&epsiv;}(-V_{\mathrm{gs}}+V_{\mathrm{bi}})}{\mathrm{qN}}\right]}^{\frac{1}{2}},$ r＝3.8×10⁹ΩVs/cm²

m为栅指数目，在此取1。在本案例中，由于场效应管结构的对称性，认为三个寄生电感l_d、l_g、l_s是近似相等的。寄生焊盘PAD电容与焊盘的尺寸、几何形状和隔离设计密切相关，且总的PAD电容值通常不大于总本征电容值的10％，在此将PAD电容值设为0。

步骤3：在此认为模型元件参数受温度影响的物理机制是温度改变了肖特基自建势、夹断电压、载流子迁移率和电子饱和速度。

步骤4：

1)肖特基自建势与温度的关系采用了F.S.Shoucair模型，其函数表达式为：

$V_{\mathrm{bi}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N}{n_i\left(T\right)}\right)-\frac{E_C-E_F}{q}$

其中，n_i(T)为T温度值下的GaAs本征载流子浓度，它的函数表达式参见SemiconductorDevice Fundamentals：

$n_i\left(T\right)=2.510\&times;{10}^{19}{e}^{-E_g\left(T\right)/2\mathrm{kT}}{\left(\frac{T}{300}\right)}^{3/2}{\left(\frac{{m_n}^{*}}{m_0}\frac{{m_p}^{*}}{m_0}\right)}^{3/4}$

式中，

$\frac{{m_n}^{*}}{m_0}=1.028+6.11\&times;{10}^{-4}T-3.09\&times;{10}^{-7}{T}^2$

$\frac{{m_p}^{*}}{m_0}=0.610+7.83\&times;{10}^{-4}T-4.46\&times;{10}^{-7}{T}^2$

$E_g\left(T\right)=1.519-5.405\&times;{10}^{-4}\frac{T^2}{T+204}\left(\mathrm{eV}\right),$ $E_C-E_F=\mathrm{kT}\ln \left(\frac{N_c}{N}\right),$ $N_c=4.7\&times;{10}^{17}{\left(\frac{T}{300}\right)}^{3/2}$

2)夹断电压受温度影响的原因在于温度改变了GaAs的深能级态、掩埋层特性，以及衬底沟道的自建势。在一般情况下，夹断电压与温度之间存在近似的线性关系，在此斜率取值为0.5mV/K，即

V_po(T)＝V₀+5×10^-4×(T-T_u)V/K

式中，T_u为300K，V₀为T_u温度下的夹断电压。

3)为了建立GaAs载流子迁移率与温度之间的函数关系，对载流子迁移率进行了蒙特卡洛模拟，并对结果进行了数值拟合，见下式。

$u_0=4084\&times;{\left(\frac{T_u}{T}\right)}^{0.4038}{\mathrm{cm}}^2/\mathrm{Vs}$

式中，T_u为300K。

4)在此采用IC-TCAD(集成电路工艺和器件技术的计算机辅助设计)技术对不同温度下的GaAs电子饱和速度进行仿真，GaAs掺杂浓度为1.0×10¹⁷cm^-3，输出结果如图2所示。

步骤5：在微波EDA软件ADS中建立的器件模型如图3所示，漏极电流I_ds由两个受控电流源表示，分别用于直流参数和S参数扫描，图中各模型元件的取值对应的温度为-35℃。该模型封装之后的符号表示见该图的左下角。

在进行直流参数扫描时，两个隔直电容DC_Block使电压控制电流源VCCS_Z输出为零，静态直流电流由受控电流源I_DC表征；在进行射频小信号S参数扫描时，扼流电感DC_Feed使I_DC输出为零，漏极电流由VCCS_Z表征。

步骤6：通过进行不同温度值下的直流参数扫描和S参数扫描，得到了三个典型温度值(-35℃、25℃、125℃)下的GaAs FET静态直流特性和小信号S参数，分别如图4、图5(a)-图5(d)所示。在进行S参数扫描时，漏源电压V_ds为1V，栅源电压V_gs为0V。

Claims (7)

1.一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤1：建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路模型：以GaAs FET的结构组成、材料属性、工艺参数、工作原理信息为输入，建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路模型，等效电路模型中包含与偏置有关的本征元件和与偏置无关的寄生元件；

步骤2：确定等效电路模型元件与物理结构的关系：将等效电路模型中的本征元件和寄生元件表征为以器件几何尺寸和材料属性为自变量的函数表达式；

步骤3：研究确定模型元件受温度影响的物理机制：依据模型元件与GaAs FET物理结构、材料属性之间的关系，分析模型元件受温度影响的物理机制，确定对温度变化敏感的物理参量；

步骤4：建立模型元件与温度之间的函数关系：对于受温度影响明显的物理参量，建立其与温度之间的函数关系，从而将模型元件表征为以器件物理参量和温度值为自变量的函数表达式；

步骤5：GaAs FET等效电路模型在微波EDA软件中的实现：依据建立的GaAs FET等效电路模型，在微波EDA软件中搭建等效电路模型，并对电路图中的本征元件和寄生元件进行参数定义，确定可调参量，最后对等效电路模型进行封装；

步骤6：模拟GaAs FET关键性能参数随温度的变化关系：通过微波EDA软件中的直流仿真控制器和S参数仿真控制器分别进行不同温度值下的直流参数扫描和S参数扫描，以表征GaAs FET关键性能参数随温度的变化关系。

2.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：

步骤1中所述的建立能够反映GaAs FET物理结构的等效电路模型通过现有技术获得，在实际应用前需结合待分析对象的特点对其进行修正。

3.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：

步骤2中所述的函数自变量具体包括栅极长度、栅极宽度、栅源间距、掺杂浓度、沟道深度、耗尽层厚度、GaAs介电常数、载流子迁移率、肖特基自建势、电子饱和速度；模型元件与物理结构间的函数关系参照相关的经验公式。

4.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：

步骤3中所述模型元件受温度影响的物理机制具体包括肖特基自建势、夹断电压、载流子迁移率、电子饱和速度的温度影响规律。

5.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：

步骤4中所述物理参量与温度之间的函数关系通过现有技术获得，也能借助计算机模拟软件Silvaco和Medici实现，最后通过采用数值拟合的手段实现对温度影响机制的准确描述。

6.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：步骤5中所述的微波EDA软件选择Advanced Design System即ADS，该软件便于进行直流参数和S参数仿真，且建立的器件模型直接用于设计微波功率放大器。

7.根据权利要求1所述的一种砷化镓场效应管温度影响模型的建立方法，其特征在于：

步骤6中所述的直流参数指静态直流电流-电压（I-V）特性曲线；S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂；S₁₁为输入反射系数、S₁₂反向传输系数、S₂₁正向传输系数、S₂₂输出反射系数。

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