CN104376161A - 一种建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，该方法包括步骤a：测量AlGaN/GaN HEMT器件S参数；步骤b：提取AlGaN/GaN HEMT器件寄生元件参数并去除这些寄生元件值的影响；步骤c：提取器件跨导参数β、电压饱和参数α和沟道长度调制系数λ的值；步骤d：拟合β、α和λ随栅源电压V_gs变化的曲线并获得这些参数β、α和λ随V_gs变化的统一的表达式；步骤e：将得到的β、α和λ的表达式分别代入Curtice模型中，得到新的直流模型。本发明采用通过建立直流参数与栅源电压非线性关系的方法建立新的AlGaN/GaN HEMT器件直流模型，该模型呈栅源电压偏置相关特性，提高了直流模型的精度。

Description

一种建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种建立AlGaN/GaN HEMT(AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor，氮化铝镓/氮化镓高电子迁移率晶体管)器件直流模型的方法。 

背景技术

建立微波有源器件的直流模型是设计微波非线性电路(例如功率放大器、混频器和振荡器等)的关键。非线性经验分析模型是指全部由集总元件、非线性元件和受控源组成的模型，它是非线性微波CAD软件的核心部分。 

常用的HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)直流等效电路模型包括STATZ模型、CURTICE模型、TRIQUINT模型、MATERKA模型、TAJIAMA模型、ANGELOV模型及EEHEMT模型。而传统直流等效模型应用在AlGaN/GaN HEMT器件上时，往往忽略了由于栅源电压变化而引起的偏置相关特性，从而影响AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的精度。 

要解决的技术问题 

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通过建立直流参数与栅源电压非线性关系的方法，来建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型，以达到提高AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的精度的目的。 

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，该方法包括： 

步骤a：测量AlGaN/GaN HEMT器件S参数； 

步骤b：提取AlGaN/GaN HEMT器件寄生元件参数并去除这些寄生元件值的影响； 

步骤c：提取器件跨导参数β、电压饱和参数α和沟道长度调制系数λ的值； 

步骤d：拟合β、α和λ随栅源电压V_gs变化的曲线并获得这些参数β、α和λ随V_gs变化的统一的表达式； 

步骤e：将得到的β、α和λ表达式分别代入Curtice模型中，得到新的直流模型。 

上述方案中，所述步骤a包括：采用矢量网络分析仪在10MHz到40GHz的频段范围内测量AlGaN/GaN HEMT器件的S参数。 

上述方案中，所述步骤b包括：利用测量的S参数，在电路开路情况下提取寄生电容值，在短路情况下提取寄生电感值，在截止情况下提取寄生电阻值。 

上述方案中，所述步骤c包括：测量AlGaN/GaN HEMT器件的I-V曲线图，在饱和区利用多个偏置情况下测量的不同电压电流值提取沟道长度调制系数λ的值，用提取的λ的值推导出器件跨导参数β的值；在线性区，用已经提取的λ和β的值提取电压饱和参数α的值。 

上述方案中，所述步骤d包括：根据提取的α、β和λ的值，采用数学分析方法利用公式拟合α、β、λ随栅源电压V_gs变化的曲线，V_TO为阈值电压。 

上述方案中，所述步骤e包括：将提取的α、β、λ公式代入CAD软件Curtice模型中，得到新的随栅源电压变化的AlGaN/GaN HEMT器件直流模型。 

有益效果 

本发明是针对目前AlGaN/GaN HEMT直流模型没有考虑栅源电压V_gs对直流参数的影响而提出来的精度更高的直流模型。本发明采用通过建立直流参数与栅源电压非线性关系的方法建立新的AlGaN/GaN HEMT器件直流模型，该模型呈栅源电压偏置相关特性，提高了直流模型的精度。 

附图说明

图1是依照本发明实施例的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法流程图； 

图2是依照本发明实施例的器件在目标偏置下的直流模型参数和栅源电压的拟合曲线图；其中，图2(a)为提取的直流模型参数α的拟合曲线，图2(b)为提取的直流模型参数β的拟合曲线，图2(c)为提取的直流模型参数λ的拟合曲线； 

图3是依照本发明实施例的器件直流模型和测试数据的I-V曲线图比较。 

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试 剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。 

本发明实施例采用AlGaN/GaN HEMT器件作为测试样品。 

图1为依照本发明实施例建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法流程图，该方法包括以下步骤： 

步骤a：测量AlGaN/GaN HEMT器件的S参数。该S参数为散射参数。 

本步骤中，用矢量网络分析仪测试实施例的S参数，分别包括AlGaN/GaN HEMT器件开路条件下、短路条件下、截止条件下这三个条件下，频段10MHz到40GHz之间的S参数。 

步骤b：提取AlGaN/GaN HEMT器件寄生元件参数并去除这些寄生元件值的影响。寄生元件参数包括栅源、栅漏和源漏寄生电容。 

本步骤中，将在AlGaN/GaN HEMT器件电路开路条件下测得的S参数利用下述公式转换为Y参数(导纳参数)的虚部 

$Y_{11}=\frac{(1-S_{11})(Z_{02}^{*}+S_{22}{Z}_{02})+S_{12}{S}_{21}{Z}_{02}}{(Z_{01}^{*}+S_{11}{Z}_{01})(Z_{02}^{*}+S_{22}{Z}_{02})-S_{12}{S}_{21}{Z}_{01}{Z}_{02}}$

$Y_{12}=\frac{{-2S}_{12}\sqrt{R_{01}{R}_{02}}}{(Z_{01}^{*}+S_{11}{Z}_{01})(Z_{02}^{*}+S_{22}{Z}_{02})-S_{12}{S}_{21}{Z}_{01}{Z}_{02}}$

$Y_{21}=\frac{{-2S}_{21}\sqrt{R_{01}{R}_{02}}}{(Z_{01}^{*}+S_{11}{Z}_{01})(Z_{02}^{*}+S_{22}{Z}_{02})-S_{12}{S}_{21}{Z}_{01}{Z}_{02}}$

$Y_{22}=\frac{(Z_{01}^{*}+S_{11}{Z}_{01})(1-S_{22})+S_{12}{S}_{21}{Z}_{01}}{(Z_{01}^{*}+S_{11}{Z}_{01})(Z_{02}^{*}+S_{22}{Z}_{02})-S_{12}{S}_{21}{Z}_{01}{Z}_{02}}$

上述公式为现有技术中的基本公式。公式中Y_ij(i，j＝1，2)为Y参数矩阵的值，S_ij(i，j＝1，2)为S参数矩阵的值，Z₀₁为源阻抗，Z₀₂为负载阻抗。 

器件总体电路表达式可以写成： 

Y＝Y_PAD+[Z_RL+Y_INT ^-1]^-1， 

式中Y_PAD为寄生电容的导纳矩阵，Z_RL为寄生电感和寄生电阻的阻抗矩阵，Y_INT为本征元件的导纳参数矩阵。要想得到准确的器件模型，需要去除Y_PAD和Z_RL参数的影响。 

接着，从上述Y参数的虚部提取出栅源、栅漏和源漏寄生电容，如下公式所示。 

$Y_{\mathrm{PAD}}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{j\ω}(C_{\mathrm{pg}}+C_{\mathrm{pgd}})& -\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{pgd}}\\ -\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{pgd}}& \mathrm{j\ω}(C_{\mathrm{pd}}+C_{\mathrm{pgd}})\end{array}\right]$

$C_{\mathrm{pg}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}(Y_{11}+Y_{12}),$

$C_{\mathrm{pd}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}(Y_{22}+Y_{12}),$

$C_{\mathrm{pgd}}=-\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}\left(Y_{12}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}\left(Y_{\text{21}}\right),$

式中Cpg，Cpd和Cpgd为栅源，栅漏，源漏寄生电容，ω为测试角频率，Im为虚部。 

根据短路条件下测得的S参数去除寄生电容的影响，提取出寄生电感的值。寄生电感包括源极寄生电感，栅极寄生电感和漏极寄生电感，如下公式所示。 

$Z_{\mathrm{RL}}=\left[\begin{array}{cc}{R}_g+R_s+\mathrm{j\ω}(L_g+L_s)& R_s+\mathrm{j\ω}{L}_s\\ R_s+\mathrm{j\ω}{L}_s& R_d+R_s+\mathrm{j\ω}(L_g+L_s)\end{array}\right]$

$L_{\mathrm{ps}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}\left(Z_{12}\right),$

$L_{\mathrm{pg}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}(Z_{11}-Z_{12}),$

$L_{\mathrm{pd}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{Im}(Z_{22}-Z_{21}),$

式中L_ps，L_pg和L_pd为源极寄生电感，栅极寄生电感和漏极寄生电感，Rs，Rg和Rd为源极寄生电阻，栅极寄生电阻和漏极寄生电阻。 

根据电路反向截止条件下(测试频率＞18GHz)测得的S参数提取出寄生电阻的值，如下公式所示， 

R_s＝Re(Z₁₂)， 

R_g＝Re(Z₁₁-Z₁₂)， 

R_d＝Re(Z₂₂-Z₁₂)， 

式中Rs，Rg和Rd为源极寄生电阻，栅极寄生电阻和漏极寄生电阻。 

上述提取寄生参数的公式均为现有的常规公式。前述获得的寄生参数的值为器件建模过程中的干扰项，去除这些影响后方能对本征器件进行建模，下文所述的I-V曲线是实际测量参数去除了寄生参数影响后的I-V曲线。 

步骤c：提取器件跨导参数β、电压饱和参数α和沟道长度调制系数λ的值。 

本步骤中，用矢量网络分析仪、半导体分析仪和ICCAP软件测量直流条件下电路的I-V(电流/电压)曲线，即去除了寄生参数影响后的I-V曲线。在曲线的饱和区，用不同偏置情况下测量的电压电流值提取沟道长度调制系数λ的值，如下公式所示 

$\mathrm{\λ}=\frac{I_{\mathrm{ds}2}-I_{\mathrm{ds}1}}{V_{\mathrm{ds}2}{I}_{\mathrm{ds}1}-V_{\mathrm{ds}1}{I}_{\mathrm{ds}2}},$

式中下标1和2分别表示2个不同的测试点，I_ds为漏源电流，V_ds为漏源电压； 

接着用提取的λ的值推导出器件跨导参数β的值，如下公式所示， 

$\mathrm{\β}=\frac{I_{\mathrm{ds}}}{{(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{ds}})},$

式中I_ds为漏源电流，V_ds为漏源电压，V_gs为栅源电压，V_TO为截止频率。 

在曲线线性区，用已经提取出的λ和β的值提取电压饱和参数α的值，如下公式所示， 

$\mathrm{\α}=\arctan h\left(\frac{I_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{\β}{(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{ds}})}\right)/V_{\mathrm{ds}},$

式中，tanh为双曲函数。 

步骤d：拟合β、α和λ随栅源电压V_gs变化的曲线，并获得这些参数β、α和λ随测试的V_gs变化的统一的表达式，如下所示 

式中A₁，A₂，A₃和A₄为拟合系数，V_TO为阈值电压。 

如图2所示，图2的(a)，(b)，(c)为提取的直流模型参数α、β和λ的拟合曲线。其中，小圆圈符号代表实际的提取值，实线代表拟合曲线。 

本实施例中，根据器件特性，V_TO＝-4.7V。，再将测得的V_gs和提取的α值分别代入上述统一表达式，获得四组方程即可求出A₁，A₂，A₃和A₄。再将A₁，A₂，A₃和A₄代入上述统一表达式就可获得α的表达式。依此类推可获得β和λ表达式。α、β和λ的表达式如下公式所示， 

$\mathrm{\α}={2354e}^{-7.06(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})}-25.8\tanh (-377(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}}));$

$\mathrm{\β}={-0.45e}^{0.025(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})}-0.5\tanh (-4.54(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}}));$

$\mathrm{\λ}={70.8e}^{-10.9(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})}+0.09\tanh \left(103.8(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{TO}})\right).$

步骤e：将上述得到的β、α和λ表达式代入Curtice模型(现有的模型)中，得到 新的直流模型。 

本步骤中，将上述得到的β、α和λ表达式代入Curtice模型I_ds＝β(1+λV_ds)(V_gs-V_TO)²tanh(αV_ds)中，即可得到新的AlGaN/GaN HEMT器件直流模型。该模型呈栅源电压偏置相关特性，提高了直流模型的精度。 

图3是依照本发明实施例建立的新的器件直流模型和实际测试的I-V曲线图的比较，从图中可以看出该模型吻合得非常好，精确度很高。 

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围内，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。 

Claims (6)

1.一种建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤a：测量AlGaN/GaN HEMT器件S参数；

步骤b：提取AlGaN/GaN HEMT器件寄生元件参数并去除这些寄生元件值的影响；

步骤c：提取器件跨导参数β、电压饱和参数α和沟道长度调制系数λ的值；

步骤d：拟合β、α和λ随栅源电压V_gs变化的曲线并获得这些参数β、α和λ随V_gs变化的统一的表达式；

步骤e：将得到的β、α和λ的表达式分别代入Curtice模型中，得到新的直流模型。

2.根据权利要求1所述的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，步骤a中，采用矢量网络分析仪在10MHz到40GHz的频段范围内测量所述AlGaN/GaN HEMT器件的S参数。

3.根据权利要求1所述的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，步骤b中，在开路情况下提取寄生电容值，在短路情况下提取寄生电感值，在截止情况下提取寄生电阻值。

4.根据权利要求1所述的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，步骤c中，测量所述AlGaN/GaN HEMT器件的I-V曲线图，所述I-V曲线图为消除了寄生元件值的影响的I-V曲线图，在饱和区利用多个偏置情况下测量的不同电压电流值提取沟道长度调制系数λ的值，用提取的λ的值推导出器件跨导参数β的值；在线性区，用已经提取的λ和β的值提取电压饱和参数α的值。

5.根据权利要求1所述的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，步骤d中，所述统一的表达式为：

其中，A1，A2，A3和A4为拟合系数，V_T0为阈值电压。

6.根据权利要求1所述的建立AlGaN/GaN HEMT器件直流模型的方法，其特征在于，步骤e中将α、β、λ的表达式分别代入CAD软件Curtice模型I_ds＝β(1+λV_ds)(V_gs-V_T0)²tanh(αV_ds)中，得到新的随栅源电压变化的AlGaN/GaN HEMT器件直流模型。