CN104268355A

CN104268355A - GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法

Info

Publication number: CN104268355A
Application number: CN201410534114.4A
Authority: CN
Inventors: 王俊龙; 杨大宝; 邢东; 梁士雄; 张立森; 赵向阳; 冯志红
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104268355B

Abstract

本发明公开了一种GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，涉及二极管建模技术领域。利用基于测量的经验公式描述混频肖特基二极管结的非线性结特性，即利用热电子发射模型对二极管结进行公式描述；通过建立GaAs基混频肖特基二极管的三维电磁模型，利用商用高频结构仿真软件HFSS获得寄生参量在毫米波及太赫兹频段的S参数；最终在电路仿真软件例如ADS中建立GaAs基混频肖特基二极管对应的电路级模型；通过将建立的模型和实际封装测试的二极管S参数进行对比，然后修正其中的二极管结的经验公式，最终获得GaAs基混频肖特基二极管在毫米波及太赫兹频段的精准模型。

Description

GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法

技术领域

本发明涉及二极管建模技术领域。

背景技术

太赫兹（THz）波是指频率在 0.3-3THz范围内的电磁波，其中 1THz=1000GHz。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，太赫兹技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。

目前国内外开展了很多利用GaAs基混频肖特基二极管开展混频相干检测的研究工作，混频模块设计的关键在于肖特基二极管在太赫兹频段的模型，模型是工艺和电路设计的桥梁，模型的正确与否关系到设计的成败，如何建立GaAs基混频肖特基二极管在太赫兹频段的精准模型，成为了一个很重要的课题。

自二十世纪九十年代以来，国内外对二极管精确建模从各个方面开展了大量的工作，并采用了不同的方法对其进行研究，但在太赫兹频段的研究还处于起步阶段。国际上提出的分析方法主要有以下 3 种：

（1）基于测量的行为特性或线性理论的等效电路模型法，特点是基于仪器测量的方式，通过提取的非线性参数来建立器件等效模型，从而完成系统电路的优化设计。基于测量的行为特性的等效电路模型法为非线性器件分析和设计提供了一种快速且有效的方法；根据线性理论得到的等效电路模型，可以通过简单的结构，快速得到器件各参数之间的变化规律。但是这些分析模型的求解依赖于不确定的参数，尤其在太赫兹频段，由于测量仪器和测量方法的限制，很难精确提取器件的非线性参数。这也就使得采用等效电路建模的方式来实现太赫兹频段器件的精确设计不切实际；若采用线性理论的等效电路模型法无法精确地反应器件的行为特性。

（2）闭合经验公式法，其特点是闭合经验公式法是在半导体器件物理学、固体物理学、量子物理学的基础上采用经典公式方法根据器件的物理结构对器件工作时的物理过程进行推导，从而将获得的经验参数转化成非线性模型用于系统电路的优化设计。但是基于传统的半导体器件物理基础推导经验闭合表达式的方程式在8 毫米波频段很常见，这些分析模型在1-50GHz 频段还算准确，但在更高频率它就不能准确的描述整个器件工作过程中的复杂物理现象。尤其是太赫兹频段量子效应贯穿其中，经验公式很不准确。

（3）二极管三维电磁模型分析法：其特点是二极管电磁三维模型建模是最新提出的毫米波、太赫兹非线性器件先进设计方法的重要组成部分。1998 年，维吉尼亚大学J. L. Hesler 在其博士论文中首次提出了基于微探针的二极管三维建模方法，并在此基础上设计了585GHz 混频器，双边带变频损耗达到7.3dB，噪声温度达2380K。2004 年，B. Thomas 在其博士论文中，开展了反向并联二极管三维建模研究，在模型中考虑了寄生参量的影响，并设计了330GHz 分谐波混频器，其最小DSB （载波的幅度调制）转换损耗达到5.7dB。目前J. L. Hesler 所在的VDI实验室和B. Thomas 所在的JPL实验室，均在毫米波/THz 非线性器件研制上处于世界领先地位。虽然二极管电磁三维模型分析方法是目前分析太赫兹频段器件比较准确的一种方法，但是仍不完善。J.L. Hesler 的论文提出的基于微探针的二极管建模方法，解决了二极管非线性结在模型中引入的问题，但模型中寄生参量默认为一定值；B. Thomas 在J.L.Hesler 模型的基础上进行了改进，模型中考虑了寄生参量随频率变化的问题，但是仍然忽略了二极管装配误差、二极管导电胶厚度、腔体加工误差等因素对二极管模型以及整个电路模型的影响。国内加工工艺相对于国外先进水平仍有不少差距，工艺因素的影响不可忽略，需要在模型中加以考虑。但是上述方法均没有在设计之初就对模型进行二次修正，在实际过程中，往往需要几轮实验，才能得到较好的结果。另外，由于毫米波及太赫兹频段很宽，需要分频段建立相关模型，但是分频段建立的模型未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，基于测量的经验公式，并且修正其中的部分参数，结合二极管三维电磁模型法，建立了GaAs基混频肖特基二极管在毫米波及太赫兹频段的模型，模型精准，能够分频段建模，加快开发速度，降低了开发成本。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，包括以下步骤：

第一步，根据GaAs基混频肖特基二极管的设计版图中的阳极尺寸，并测试实际流片过程中的阳极尺寸，以扫描电镜测试的阳极尺寸为准，结合经验公式计算GaAs基混频肖特基二极管的结电容；

第二步，对加工完成的GaAs基混频肖特基二极管进行直流测试，根据测得的电流、电压数据，计算GaAs基混频肖特基二极管的串联电阻Rs，饱和电流Is，以及理想因子n，结合结电容，在ADS中建立起肖特基二极管的非线性结模型；

第三步，建立肖特基二极管的三维电磁模型，在高频结构仿真软件HFSS中建立GaAs基混频肖特基二极管的高频仿真结构模型；

第四步，将GaAs基混频肖特基二极管倒装焊接在石英电路上，通过矢量网络分析仪测试GaAs基混频肖特基二极管在毫米波及太赫兹频段的S参数；在第三步建立的GaAs基混频肖特基二极管三维电磁模型的基础上，进一步在HFSS中建立包含导电胶模型和外围石英电路的三维电磁模型，并在HFSS中抽取GaAs基混频肖特基二极管寄生参量及外围电路的S参数包；

第五步，修正建立的GaAs基混频肖特基二极管非线性结模型，主要是修正GaAs基混频肖特基二极管在毫米波及太赫兹频段的串联电阻Rs和结电容。

进一步的技术方案，所述第一步中的经验公式为，其中代表零偏结电容，代表GaAs材料的介电常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖特基结的直径，代表耗尽层的宽度。

进一步的技术方案，所述获得GaAs基混频肖特基二极管在直流测试中的电流、电压数据通过半导体参数测试仪4200获得。

进一步的技术方案，所述第四步的石英电路采用共面波导形式。

进一步的技术方案，所述第五步中修正串联电阻Rs和结电容的具体步骤为：将第四步中抽取的GaAs基混频肖特基二极管寄生参量及外围电路的S参数包导入到ADS中，结合第一步建立的肖特基二极管非线性结模型，以直流测试的Rs和结电容为初值，优化串联电阻Rs和结电容，并通过ADS计算S参数，通过调节串联电阻Rs和结电容的大小，使得仿真的S参数和测试得到的S参数相接近，此时的串联电阻Rs和结电容作为实际模型中的串联电阻Rs和结电容。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）模型精准，该模型的高频寄生部分通过高频结构仿真软件获得，可以结合设计版图和工艺，精准描述寄生参量；目前国内对二极管三维电磁模型的建立，多基于扫描电镜反演来建立，这是由于国外器件厂商并不提供其材料结构、流片版图及其制作中的工艺细节，建立的三维电磁模型偏离实际的二极管结构，本发明所提出的建立二极管三维电磁模型的方法，是基于二极管的实际材料结构、流片版图以及结合了实际的工艺误差，对二极管进行精准的三维电磁模型建立；二极管结利用基于测量的经验公式进行描述，同时基于实测的S参数，修正其中的经验公式；同时，考虑了装配误差、导电胶厚度等因素对模型以及整个电路模型的影响，因此模型更加精准；

（2）模型可以分频段建立，由于毫米波及太赫兹频段很宽，因此很有必要分频段建立；可以根据需要设计的混频中心频率，以中心频率为中心，分频段建立GaAs基混频肖特基二极管的模型；

（3）一轮实验即可获得比较好的指标，避免了现有技术中需要2到3轮实验才能得到较好指标的混频器，加快了开发速度，降低了科研成本。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

在附图中：1、石英衬底，2、共面波导电路， 3、导电胶，4、倒装在导电胶上的GaAs基混频肖特基二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法,具体步骤如下：

第一步，根据设计版图查看GaAs基混频肖特基二极管的阳极直径，同时查看GaAs基混频肖特基二极管在实际流片测试过程中阳极尺寸大小，根据扫描电镜测试的尺寸结果，以及根据经验公式计算肖特基二极管的结电容。具体的计算公式为，其中代表零偏结电容，代表GaAs材料的介电常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖特基结的直径，代表耗尽层的宽度。以肖特基二极管外延层掺杂浓度2e17cm^-3为例，假设阳极直径为1.3μm，其零偏结电容的大小约为3fF。

第二步，对加工完成的GaAs基混频肖特基二极管进行直流测试，可以基于半导体参数测试仪4200来获得GaAs基混频肖特基二极管在直流测试中的电流电压数据。通过直流测试，可以得到GaAs基混频肖特基二极管的串联电阻Rs，饱和电流Is，以及理想因子n，对于GaAs基混频肖特基二极管，由于是反向对管的形式，并不能测得每个管子的反向击穿电压。以肖特基二极管外延层掺杂浓度2e17cm^-3为例，假设阳极直径为1.3微米，其串联电阻的大小Rs一般为5-8Ω，饱和电流Is一般为10-100fA，n值在1.2-1.3之间。根据直流测试，结合结电容的计算，可以在ADS中建立起肖特基二极管的非线性结模型。其中Is和n值，以测试得到的数据为准。而串联电阻Rs和零偏置结电容，只是一个初值，并不是精准模型的最终值。

第三步，结合GaAs基混频肖特基二极管的设计版图和加工工艺，在高频结构仿真软件HFSS中，建立起GaAs基混频肖特基二极管的高频仿真结构模型。建立完成肖特基二极管的三维电磁模型，再加上第二步建立的肖特基二极管非线性结模型，就可以构建一个初步的GaAs基混频肖特基二极管模型。

第四步，将GaAs基混频肖特基二极管倒装焊接在石英电路上，具体如附图1所示，其中石英电路采用共面波导形式，共面波导电路2的材料为金，通过矢量网络分析仪测试其在毫米波及太赫兹频段的S参数。在第三步建立的GaAs基混频肖特基二极管三维电磁模型的基础上，考虑倒装焊接引入的导电胶3以及外围的石英电路，结合实际测试中的情况，进一步在HFSS中建立包含导电胶模型和外围石英电路的三维电磁模型，并在HFSS中抽取GaAs基混频肖特基二极管4寄生参量及外围电路的S参数包。

第五步，修正建立的GaAs基混频肖特基二极管模型。主要是修正GaAs基混频肖特基二极管4在毫米波及太赫兹频段的串联电阻Rs和结电容。将第四步中抽取的GaAs基混频肖特基二极管4寄生参量及外围电路的S参数包导入到ADS中，结合第一步建立的肖特基二极管非线性结模型，以直流测试的串联电阻Rs和结电容为初值，优化串联电阻Rs和结电容，并通过ADS计算S参数，通过调节串联电阻Rs和结电容的大小，使得仿真的S参数和测试得到的S参数相接近，这个时候的Rs和结电容可以作为实际模型中的Rs和。

考虑到毫米波和太赫兹频段范围较宽，本模型的适用频率范围为100GHz到500GHz。其中可以分段建立GaAs基混频肖特基二极管模型，具体可以根据要设计的中心频率进行分段建立。例如可以以100GHz-170GHz建立一个模型；170GHz-220GHz建立一段模型。

Claims

1.一种GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，其特征在于包括以下步骤：

第四步，将GaAs基混频肖特基二极管倒装焊接在石英电路上，通过矢量网络分析仪测试GaAs基混频肖特基二极管在毫米波及太赫兹频段的S参数；在第三步建立的GaAs基混频肖特基二极管三维电磁模型的基础上，在HFSS中建立包含导电胶模型和外围石英电路的三维电磁模型，并在HFSS中抽取GaAs基混频肖特基二极管寄生参量及外围电路的S参数包；

2.根据权利要求1所述的GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，其特征在于所述第一步中的经验公式为，其中代表零偏结电容，代表GaAs材料的介电常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖特基结的直径，代表耗尽层的宽度。

3.根据权利要求1所述的GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，其特征在于所述获得GaAs基混频肖特基二极管在直流测试中的电流、电压数据通过半导体参数测试仪4200获得。

4.根据权利要求1所述的GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，其特征在于所述第四步的石英电路采用共面波导形式。

5.根据权利要求1所述的GaAs基混频肖特基二极管毫米波及太赫兹频段建模方法，其特征在于所述第五步中修正串联电阻Rs和结电容的具体步骤为：将第四步中抽取的GaAs基混频肖特基二极管寄生参量及外围电路的S参数包导入到ADS中，结合第一步建立的肖特基二极管非线性结模型，以直流测试的Rs和结电容为初值，优化串联电阻Rs和结电容，并通过ADS计算S参数，通过调节串联电阻Rs和结电容的大小，使得仿真的S参数和测试得到的S参数相接近，此时的串联电阻Rs和结电容作为实际模型中的串联电阻Rs和结电容。