CN106354947A - 一种微波GaN功率器件的建模方法 - Google Patents

一种微波GaN功率器件的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微波GaN功率器件的建模方法，所述建模方法包括：建立GaN功率器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化；建立GaN功率器件大信号等效电路模型，提取大信号模型参数；以实测的多偏置散射参数和大信号特性参数为目标，调谐优化大信号模型参数；依据上述步骤对多批次GaN功率器件进行建模，获得工艺线的散射参数和大信号统计模型。本发明微波GaN功率器件的建模方法通过建立GaN功率器件小信号等效电路模型和GaN功率器件大信号等效电路模型，根据模型参数统计特性建立GaN工艺线的散射参数和大信号特性统计模型，从而实现对某一特定工艺线的小信号和大信号特性的准确建模，提高模型的准确度。

Description

一种微波GaN功率器件的建模方法
技术领域
本发明涉及GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)器件技术领域，特别是涉及一种微波GaN功率器件的建模方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)由于其高频、高功率密度等特性，在微波毫米波固态功率电路中有着极为重要的应用。目前电路设计的主流方法通常以等效电路形式描述器件在小信号工作条件和大信号工作条件下的特性的器件模型为基础，故器件模型是使用器件进行电路设计的前提。
但是，由于器件制备的工艺中存在非有意掺杂和工艺参数波动，会影响器件性能的一致性，从而影响电路设计的成品率，因此需要通过建立包含工艺统计特性的电路模型指导电路成品率分析。传统的器件方法都是基于单个GaN器件的小信号模型或者大信号模型参数的方法进行分析，无法分析一个工艺线制备的多个GaN功率器件统计特性，因此在精度上有所不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波GaN功率器件建模方法，可提高建立的多批次GaN功率器件模型的准确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微波GaN功率器件的建模方法，所述建模方法包括：
步骤一：建立GaN功率器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；
步骤二：根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化；
步骤三：建立GaN功率器件大信号等效电路模型，提取大信号模型参数，所述大信号模型参数包括非线性电流源模型参数和非线性电容模型参数；
步骤四：以器件的实测的多偏置散射参数和大信号特性参数为目标，调谐优化大信号模型参数；
步骤五：依据上述四个步骤对多批次GaN功率器件进行建模，获得工艺线的散射参数和大信号统计模型。
可选的，所述小信号模型参数包括寄生参数和本征参数；其中，所述寄生参数包括寄生电容、寄生电阻、寄生电感，所述本征参数包括本征电容、本征电阻、电流源及输出电导。
可选的，所述提取小信号模型参数的方法包括：
测试在所述GaN功率器件小信号等效电路模型中的GaN功率器件在夹断状态下的散射参数；
根据所述夹断状态下的散射参数提取所述小信号等效电路模型中的寄生参数；
对全部的寄生参数去嵌后，计算各偏置点对应的小信号模型参数。
可选的，所述根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化的方法包括：
根据所述小信号模型参数通过仿真得到仿真散射参数；
将所述仿真散射参数与实测的散射参数进行对比得到散射参数拟合曲线；
设置第一调谐参数，根据所述散射参数拟合曲线的拟合度重复修改第一调谐参数，直到所述散射参数拟合曲线的拟合度符合第一设定阈值。
可选的，所述提取大信号模型参数的方法包括：
对在所述GaN功率器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN功率器件进行测试，得到脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据；
根据脉冲I-V测试数据提取Ids模型中与自然效应无关的参数；
联合脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据提取Ids模型中与陷阱效应和自热效应的相关参数；
根据Ids模型中与自热效应无关的参数、Ids模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数进行仿真得到脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据；
将脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据分别与对应的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据进行对比，得到I-V拟合曲线；
根据所述I-V拟合曲线的拟合度重复修改第二调谐参数，直到所述I-V拟合曲线的拟合度符合第二设定阈值；以及
提取本征参数中的本征电容，以所述本征电容在多偏置下的取值为目标进行拟合，计算得到非线性电容模型参数；
将计算得到的非线性电容模型参数与提取的非线性电容模型参数进行对比，获得对比度；
设置第三调谐参数，根据所述对比度重复修改第三调谐参数，以调谐非线性电容模型参数，直到所述对比度符合第三设定阈值。
可选的，所述调谐优化大信号模型参数的方法包括：
导入实测的小信号散射参数和大信号特性参数；其中，所述大信号特性参数包括输出功率、功率附加效率和增益；
设置第四调谐参数，计算器件的微波特性；其中所述第四调谐参数包括Ids模型中所有参数。
可选的，获得工艺线的散射参数和大信号特性统计模型的方法包括：
统计小信号模型中所有元件参数、Ids模型中所有参数和非线性电容模型所有参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明微波GaN功率器件的建模方法通过首先建立GaN功率器件小信号等效电路模型，然后建立GaN功率器件大信号等效电路模型,最后根据模型参数统计特性建立GaN工艺线的散射参数和大信号特性统计模型，从而实现对某一特定工艺线的小信号和大信号特性的准确建模，提高模型的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微波GaN功率器件的建模方法的流程图；
图2是GaN功率器件的小信号等效电路模型示意图；
图3是GaN功率器件的大信号等效电路模型示意图；
图4是统计模型中通过仿真和实测的散射参数的对比图；
图5是统计模型中通过仿真和实测的输出功率比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微波GaN功率器件的建模方法，通过首先建立GaN功率器件小信号等效电路模型，然后建立GaN功率器件大信号等效电路模型，最后根据模型参数统计特性建立GaN工艺线的散射参数和大信号特性统计模型，从而实现对某一特定工艺线的小信号和大信号特性的准确建模，提高模型的准确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
如图1所示，本发明微波GaN功率器件的建模方法包括：
步骤110：建立GaN功率器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数。
步骤120：根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化。
步骤130：建立GaN功率器件大信号等效电路模型，提取大信号模型参数.其中，所述大信号模型参数包括非线性电流源模型参数和非线性电容模型参数。
步骤140：以器件的实测的多偏置散射参数和大信号特性参数为目标，调谐优化大信号模型参数。
步骤150：依据上述四个步骤对多批次GaN功率器件进行建模，获得工艺线的散射参数和大信号统计模型。
进一步地，所述小信号模型参数包括寄生参数和本征参数；其中，所述寄生参数包括寄生电容、寄生电阻、寄生电感，所述本征参数包括本征电容、本征电阻、电流源及输出电导。
如图2所示，框内为本征部分，小信号模型本征参数的取值与偏置相关；框外为寄生部分，寄生参数的取值与偏置无关。Cpgi、Cpdi和Cgdi表示极间电容和空气桥电容，Cpga、Cpda和Cgda表示与pad连接、探针与设备的接触电容，Lg、Ld和Ls表示寄生电感，Rg、Rd和Rs表示寄生电阻，Cgd,、Cgs和Cds为本征电容，Ids为电流源，Rgd和Ri为本征电阻；Gds为输出电导。
其中，在步骤110中，所述提取小信号模型参数的方法包括：
步骤111：测试在所述GaN功率器件小信号等效电路模型中的GaN功率器件在夹断状态下的散射参数；
步骤112：根据所述夹断状态下的散射参数提取所述小信号等效电路模型中的寄生参数；
步骤113：对全部的寄生参数去嵌，计算各偏置点对应的小信号模型参数。
具体的，在小信号等效电路模型中，使GaN功率器件处于夹断状态(所述夹断状态为：源极接地，栅源偏置电压Vgs小于GaN功率器件的夹断电压，漏源偏置电压Vds等于零)。
测试在所述小信号等效电路模型中的GaN功率器件在夹断状态下的散射参数，进一步根据夹断状态下的散射参数提取寄生参数，具体的，首先使用夹断状态下的低频数据提取寄生电容；然后对寄生电容去嵌，提取寄生电感和寄生电阻；再对所有寄生参数去嵌，在各偏置点逐一计算各本征参数。各偏置点的状态可为Vgs＝-4～0V，间隔0.5V；Vds＝0～35V，间隔5V。
其中，在步骤120中，所述根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化的方法包括：
步骤121：根据所述小信号模型参数通过仿真得到仿真散射参数；
步骤122：将所述仿真散射参数与实测的散射参数进行对比得到散射参数拟合曲线(如图4所示)；
步骤123：设置第一调谐参数，根据所述散射参数拟合曲线的拟合度重复修改第一调谐参数，直到所述散射参数拟合曲线的拟合度符合第一设定阈值。
在步骤130中，所述提取大信号模型参数的方法包括：
步骤131：对在所述GaN功率器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN功率器件进行测试，得到脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据；
步骤132：根据脉冲I-V测试数据提取Ids模型中与自热效应无关的参数；
步骤133：联合脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据提取Ids模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数；
步骤134：根据Ids模型中与自热效应无关的参数、Ids模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数进行仿真得到脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据；
步骤135：将脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据分别与对应的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据进行对比，得到I-V拟合曲线；
步骤136：根据所述I-V拟合曲线的拟合度重复修改第二调谐参数，直到所述I-V拟合曲线的拟合度符合第二设定阈值；以及
步骤137：提取本征参数中的本征电容，以所述本征电容在多偏置下的取值为目标进行拟合，获得计算的非线性电容模型参数；
步骤138：将所述计算的非线性电容模型参数与提取的非线性电容模型参数进行对比，获得对比度；
步骤139：设置第三调谐参数，根据所述对比度重复修改第三调谐参数，以调谐非线性电容模型参数，直到所述对比度符合第三设定阈值。
如图3所示为一种典型的GaN功率器件的大信号等效电路模型示意图。为表征GaN功率器件的自热效应和陷阱效应，Ids模型中加入了表征器件自热效应和陷阱效应的参数。由于脉冲I-V测试可以得到器件在指定的自热效应和陷阱效应下的I-V曲线，所以在Ids模型参数提取时，需同时使用脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据。
具体的，对在所述GaN功率器件工艺参数关联的的大信号等效电路模型中GaN功率器件进行测试，得到脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据。
将脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据导入后，点击“开始计算”，，以拟合I-V曲线为目标，得到Ids模型的所有参数。其中，脉冲I-V测试数据用来提取Ids模型中与自热效应无关的参数，得到Ids模型中与自热效应无关的参数后，再联合使用脉冲I-V和静态I-V测试数据提取Ids模型中陷阱效应和自热效应相关的参数。
在本实施例中，所述非线性电容模型参数中包括Cgs和Cgd非线性模型参数。具体的，将步骤100中得到的Cgs和Cgd在多偏置下的取值列表导入点击“开始计算”，以Cgs和Cgd在多偏置下的取值为目标进行拟合处理，计算得到Cgs和Cgd非线性电容模型参数。其中的参数提取算法以被广泛使用的Angelov电容模型为基础，通过理论推导，以解析的方式提取各模型参数。计算完毕后，点击“保存”，软件将模型参数保存于用户指定的路径。
若对所述对比度不满意(不符合第三设定阈值)，设置第三调谐参数，修改第三调谐参数，点击“调谐”，根据修改后的第三调谐参数值重新计算Cgs和Cgd非线性电容模型参数，并将拟合效果更新。重复调谐过程，得到满意的参数值后，点击“保存”，软件将最新的模型参数保存于用户指定的路径。
在步骤140中，所述调谐优化大信号模型参数的方法包括：
步骤141：导入实测的小信号散射参数和大信号特性参数。其中，所述大信号特性参数包括输出功率(如图5所示)、功率附加效率和增益。
步骤142：设置第四调谐参数，计算器件的微波特性。
其中，其中所述第四调谐参数包括Ids模型中所有参数。
将GaN功率器件的微波特性导入，点击“导入实测数据”，进而计算的大信号等效电路模型的微波特性与实际测量的微波特性绘制于同一坐标系中进行对比。若对仿真结果与实测数据的拟合效果不满意，修改第四调谐参数，点击“调谐”，根据修改后的第四调谐参数重新计算大信号等效电路模型的微波特性，并将仿真实测对比图中的仿真结果更新。重复调谐过程，得到满意的参数值后，将最新的模型参数保存于用户指定的路径。
此外，在对大批量、多批次的GaN功率器件都进行步骤100后，即得到了每个器件的在小信号等效电路模型中的所有参数。每个器件的在小信号等效电路中的所有参数都存储于用户指定的路径下。
在导入数据时，将需要做统计分析的各批次所有器件的在小信号等效电路中的所有参数导入。选择要做统计分析的参数(本软件可实现Rg，Rd，Rs，Cgs，Cgd，Cds和Gm的统计分析)。通过逐一遍历各参数，得到被统计参数的频率分布直方图和取值分布散点图。计算完毕后，绘制该偏置电压下各批次所有器件被统计参数的频率分布直方图和同一批次不同器件被统计参数的取值分布散点图。
在对大批量、多批次的GaN功率器件都进行了步骤110-步骤140后，对GaN功率器件模型参数进行统计特性建模，获得工艺线的统计散射参数和大信号统计模型。其中，所述获得工艺线的散射参数和大信号特性统计模型包括：统计小信号模型中所有元件参数、Ids模型中所有参数和非线性电容模型所有参数。
本发明微波GaN功率器件的建模方法的有益效果：
第一，本发明开发了小信号模型和大信号模型的自动参数提取方法，并且提出了小信号模型和大信号模型调谐优化技术。通过编程实现软件后运行即可得到完整的小信号模型和大信号模型，极大减少了建模工作量，显著提高了建模效率。
第二，本发明实现了小信号模型和大信号模型的统计模型，能够准确模拟不同批次器件和同一批次内不同器件的散射参数和大信号微波特性。
此外，本发明基于大信号等效电路模型的GaN功率器件工艺统计模型建模方法对其他半导体材料(如硅，砷化镓，磷化铟，金刚石等)器件均适用，使用范围广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种微波GaN功率器件的建模方法，其特征在于，所述建模方法包括：
步骤一：建立GaN功率器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；
步骤二：根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化；
步骤三：建立GaN功率器件大信号等效电路模型，提取大信号模型参数，所述大信号模型参数包括非线性电流源模型参数和非线性电容模型参数；
步骤四：以器件的实测的多偏置散射参数和大信号特性参数为目标，调谐优化大信号模型参数；
步骤五：依据上述四个步骤对多批次GaN功率器件进行建模，获得工艺线的散射参数和大信号统计模型。
2.根据权利要求1所述的微波GaN功率器件的建模方法，其特征在于，所述小信号模型参数包括寄生参数和本征参数；其中，所述寄生参数包括寄生电容、寄生电阻、寄生电感，所述本征参数包括本征电容、本征电阻、电流源及输出电导。
3.根据权利要求1所述的微波GaN功率器件的建模方法，其特征在于，所述提取小信号模型参数的方法包括：
测试在所述GaN功率器件小信号等效电路模型中的GaN功率器件在夹断状态下的散射参数；
根据所述夹断状态下的散射参数提取所述小信号等效电路模型中的寄生参数；
对全部的寄生参数去嵌后，计算各偏置点对应的小信号模型参数。
4.根据权利要求1所述的微波GaN功率器件的建模方法，其特征在于，所述根据实测的多偏置散射参数进行小信号模型参数优化的方法包括：
根据所述小信号模型参数通过仿真得到仿真散射参数；
将所述仿真散射参数与实测的散射参数进行对比得到散射参数拟合曲线；
设置第一调谐参数，根据所述散射参数拟合曲线的拟合度重复修改第一调谐参数，直到所述散射参数拟合曲线的拟合度符合第一设定阈值。
5.根据权利要求2所述的微波GaN功率器件建模方法，其特征在于，所述提取大信号模型参数的方法包括：
对在所述GaN功率器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN功率器件进行测试，得到脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据；
根据脉冲I-V测试数据提取Ids模型中与自然效应无关的参数；
联合脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据提取Ids模型中与陷阱效应和自热效应的相关参数；
根据Ids模型中与自热效应无关的参数、Ids模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数进行仿真得到脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据；
将脉冲I-V仿真数据和静态I-V仿真数据分别与对应的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据进行对比，得到I-V拟合曲线；
根据所述I-V拟合曲线的拟合度重复修改第二调谐参数，直到所述I-V拟合曲线的拟合度符合第二设定阈值；以及
提取本征参数中的本征电容，以所述本征电容在多偏置下的取值为目标进行拟合，计算得到非线性电容模型参数；
将计算得到的非线性电容模型参数与提取的非线性电容模型参数进行对比，获得对比度；
设置第三调谐参数，根据所述对比度重复修改第三调谐参数，以调谐非线性电容模型参数，直到所述对比度符合第三设定阈值。
6.根据权利要求5所述的微波GaN功率器件建模方法，其特征在于，所述调谐优化大信号模型参数的方法包括：
导入实测的小信号散射参数和大信号特性参数；其中，所述大信号特性参数包括输出功率、功率附加效率和增益；
设置第四调谐参数，计算器件的微波特性；其中所述第四调谐参数包括Ids模型中所有参数。
7.根据权利要求1所述的微波GaN功率器件的建模方法，其特征在于，所述获得工艺线的散射参数和大信号特性统计模型包括：
统计小信号模型中所有元件参数、Ids模型中所有参数和非线性电容模型所有参数。
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