CN106407629A - 基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法 - Google Patents

基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，包括如下步骤：建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型；根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵；根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数；根据GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型，以模拟GaN HEMT器件的结构和工艺参数对器件噪声性能的影响，用于优化器件的结构和工艺参数，预测器件性能，从而缩短开发周期，减少迭代次数，降低开发成本。

Description

基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法。
背景技术
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功率密度等优点，使得GaN HEMT器件在微波功率应用领域具有GaAs器件无法比拟的优势。例如：具有更好的线性特性，在相同的噪声系数下具有更高的动态范围；具有更大的宽带特性，适合做超宽带器件；能承受更高的烧毁输入功率，可以增加整机的抗干扰能力，简化前级保护电路。因此，GaN HEMT低噪声器件及其单片集成电路(MMIC)，已成为其在微波功率器件应用后的又一个热点。
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。
GaN HEMT的噪声模型主要用于设计GaN微波低噪声放大器(LNA)。传统的GaN HEMT噪声模型建立方法基于器件的四个噪声参数(最小噪声系数NFmin、等效噪声阻抗Rn、最佳噪声源电导Gopt和最佳噪声源电纳Bopt)的测试数据，建立器件的噪声等效电路模型。这种方法需要的测试系统复杂，而且只能在器件制作完成之后，通过等效电路模型来描述器件的噪声性能，模型物理意义不明显，并不能指导器件结构和工艺设计。
发明内容
本发明实施例通过提供基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，解决了现有技术中在建立器件的噪声等效电路模型时只能在器件制作完成之后，通过等效电路模型来描述器件的噪声性能，模型物理意义不明显的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，包括如下步骤：
建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型；
根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵；
根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数；
根据所述GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型。
采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：
由于提供了基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法，在该方法中从计算得到的电流瞬态特性中，提取器件的小信号和噪声特性，以解决现有技术中，测试系统复杂，模型物理意义不明显、不能用于指导工艺改进等问题。
附图说明
图1为本发明实施例中基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型建立方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例中GaN HEMT器件的蒙特卡洛物理模型模拟的直流IV与测试值的对比的示意图；
图3为本发明实施例中基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT噪声模型的示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供了基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，解决了现有技术中在建立器件的噪声等效电路模型时只能在器件制作完成之后，通过等效电路模型来描述器件的噪声性能，模型物理意义不明显的技术问题。
为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，如图1所示，包括：S101，建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型；S102，根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵；S103，根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数；S104，根据GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型。
在具体的实施方式中，首先是建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，基于蒙特卡洛(MC)算法的半导体器件模拟方法是通过数值方法来求解玻尔兹曼方程和泊松方程，它的基本思想是，模拟单个载流子在通过器件中受到电场和随机散射作用后的运动轨迹，当模拟的载流子数目足够大，运动时间足够长时，其统计平均值可以很好的近似器件中载流子的实际运动。因此，MC方法可以直接模拟载流子在器件中的运动过程，具有非常明确的物理意义，能够在模型中很方便的加入和修正各种原子量级的器件机理，如散射概率、能带结构、陷阱等。
具体建立GaN HEMT器件的蒙特卡洛物理模型，首先对GaN HENT器件进行初始化，具体包括在计算程序输入器件的物理结构尺寸，输入GaN/AlGaAs材料的散射概率、能带结构、缺陷密度、陷阱能级、掺杂浓度灯物理工艺相关参数，接着器件初始化结束；然后，加上偏置电压，仿真就开始了，在一个很小的时间步长Δt(fs量级)后，每个粒子的动量和位置被记录下来，然后求解泊松方程来更新器件中的电场大小，进行循环求解，最终，当达到设定的仿真时长或达到收敛精度后，仿真就结束了。由此得到了GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型。
为了使得得到的GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型更加精确，采用下述方法。
采用Ramo-Shockley电流公式来计算GaN HEMT端口电流的大小：
其中，L为计算区域长度，M为计算区域中的粒子个数，σ为每个粒子所带的电荷量，υi(t)为粒子的瞬时速度。由式(1)可以得到GaN HEMT器件的栅极和漏极电流(Ig和Id)随时间t的瞬态特性，当计算时间足够长，使器件到达稳态后，在一段时间内对J(t)进行积分求平均，得到GaN HEMT器件的静态电流。改变栅极和漏极偏压Vg和Vd的值，重复上述步骤，可以得到GaN HEMT器件的静态IV曲线；调整GaN HEMT器件MC模型中的物理参数，使得模拟得到的IV曲线与实测的IV曲线吻合，如图2所示。最终建立起精度更高的GaN HEMT蒙特卡洛物理模型。
接着，执行S102，根据上述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵。
具体的，根据上述建立的GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型可以得到GaN HENT端口电流随时间t的瞬态特性，通过蒙特卡洛模型的仿真，可以得到GaN HEMT的Ig和Id随外加电压变化的瞬态特性，可以对该电流-电压瞬态特性进行傅立叶变换，得到晶体管的小信号Y矩阵。
首先二端口网络的导纳Y矩阵的参数定义为
其中，下标i，j，k＝1，2，表示端口数，端口1对应GaN HEMT器件的栅极，端口2对应GaN HEMT器件的漏极；Ii、Vj分别表示端口电流和电压。将式(1)表示的端口瞬态电流带入式(2)后，进行傅里叶变换，得到GaN HEMT小信号Y参数的实部和虚部分别表示为：
其中，ω表示角频率，ΔVj表示外加瞬态电压大小。需要注意的是，ΔVj相对于静态电压Vj不能过大也不能过小。如果过大，将破坏晶体管的稳定状态，使得电流的瞬时波动中包含有算法误差的影响，造成计算得到的Y参数不准确；如果过小，引起的端口电流波动较小，电流的波动将淹没在噪声中；因此，ΔVj的值一般选为Vj的10％～20％。从而保证静态电压Vj能够恰当。获得GaN HEMT小信号Y矩阵。
然后，执行S103，根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数。
由于MC方法能够本征上模拟半导体器件的噪声特性，因为它直接模拟电子在器件中的随机运动过程，而噪声本就是由于电子的不规则运动造成的，因此，MC方法直接从噪声的起源出发，来模拟器件的噪声特性，具有十分明确的物理意义。因此，在S103中，根据在S101中建立的GaN HEMT器件的蒙特卡洛物理模型，从而计算获得GaN HEMT的Ig和Id在各个电压偏置条件下的瞬时电流波动，从中来提取器件的漏极噪声功率谱密度及其相关系数。
在某一偏置条件下当仿真达到稳态后，令GaN HEMT的栅极和漏极输出的瞬时电流分别为ig(t)和id(t)，并且它们各自的稳态电流为Ig和Id，那么由器件噪声引起的瞬时电流波动ing(t)和ind(t)可以表示为：
ing(t)＝ig(t)-Ig (5)
ind(t)＝id(t)-Id (6)
它们在长时间内的统计平均值为0。根据随机信号的统计学原理，利用Wiener-Kintchine理论，能从一个随机信号(如载流子的瞬时速度，端口瞬时电流等)的相关函数，求得它的功率谱密度，因此得到器件的栅极噪声功率谱密度Sig和漏极噪声功率谱密度Sid以及它们之间的相关性Sigid表达式为
式中，Cg(τ)和Cd(τ)分别表示栅极和漏极瞬时电流波动ing(t)和ind(t)的自相关函数，Cgd(τ)表示ing(t)和ind(t)的互相关函数。一个平均值为0的随机信号y(t)，它的相关函数表示为：
最后，GaN HEMT的栅极和漏极噪声电流源的均方值分别表示为
它们的相关系数C表示为
最后，执行S104，根据GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型。
具体就是基于该GaN HENT器件的小信号Y矩阵，构建该GaN HENT器件的小信号端口网络，然后，将该GaN HENT器件的栅极、漏极电流源输入小信号端口网络中，获得基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT的噪声模型。
接着，采用上述获得的基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT的噪声模型，如图3所示，将该二端口网络嵌入电路仿真软件中(如但不限于Agilent ADS)，模拟器件的小信号和噪声特性，用于设计GaN HEMT低噪声放大器，当然，还可以采用Pucel噪声模型，通过S102和S103获得小信号Y矩阵以及栅极、漏极噪声电流源计算GaN HEMT的四个噪声参数：
其中，R称为感应栅极噪声因子，P为漏极噪声因子，他们与GaN HEMT器件的Y参数矩阵和噪声电流源的关系为
在根据上述的GaN HEMT噪声模型，采用式(14)～(17)计算GaN HEMT器件的四个噪声参数，从而分析GaN HEMT器件结构和工艺参数对噪声性能的影响，可用于优化器件的结构和工艺参数，预测器件性能，从而缩短开发周期，减少迭代次数，降低开发成本。
相比于基于噪声参数测试数据的建模方法，本发明提供的方法基于器件的物理工作原理，可以模拟GaN HEMT器件的结构和工艺参数对器件噪声性能的影响，可用于优化器件的结构和工艺参数，预测器件性能，从而缩短开发周期，减少迭代次数，降低开发成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型；
根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵；
根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数；
根据所述GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型。
2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，所述建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，该步骤具体包括：
对所述GaN HENT器件进行初始化；
对所述GaN HENT器件加偏置电压，仿真开始；
通过求解泊松方程来更新GaN HENT器件的电场的值，并进行循环求解；
当仿真结果达到预设的仿真时长或达到收敛精度时，仿真结束，获得GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型。
3.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，在建立GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型之后，还包括：
基于建立的GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，根据GaN HEMT器件的端口电流式，获得GaN HEMT器件的栅极电流和漏极电流随时间变化的瞬态特性；
根据GaN HEMT器件的栅极和漏极电流随时间变化的瞬态特性，在改变栅极偏压和漏极偏压时，获得GaN HEMT器件的静态IV曲线；
调整GaN HEMT器件的蒙特卡洛物理模型的物理参数，使得GaN HEMT器件的静态IV曲线与实测的IV曲线吻合。
4.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，所述根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，计算获得GaN HENT器件的小信号Y矩阵，该步骤具体包括：
根据GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获得GaN HEMT器件的栅极电流和漏极电流随外加电压变化的瞬态特性；
对GaN HEMT器件的栅极电流和漏极电流随外加电压变化的瞬态特性进行傅里叶变化，获得GaN HEMT器件的小信号Y矩阵。
5.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，所述根据所述GaN HENT器件的蒙特卡洛物理模型，获取GaN HENT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数，该步骤具体包括：
在预设偏置电压下，获取GaN HENT器件的瞬时电流波动；
根据所述瞬时电流波动，获得GaN HENT器件的栅极噪声功率谱密度和漏极噪声功率谱密度以及两者之间的相关性；
并根据GaN HENT器件的栅极噪声功率谱密度和漏极噪声功率谱密度以及两者之间的相关性，获得GaN HEMT器件的栅极和漏极噪声电流源及其相关系数。
6.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的GaN HENT噪声模型建立方法，其特征在于，所述根据所述GaN HENT器件的小信号Y矩阵和栅极、漏极噪声电流源，获得基于蒙特卡洛物理算法的GaN HEMT的噪声模型，该步骤具体包括：
基于所述GaN HENT器件的小信号Y矩阵，构建所述GaN HENT器件的小信号端口网络；
将GaN HENT器件的栅极、漏极电流源输入小信号端口网络中，获得基于蒙特卡洛算法的GaN HEMT的噪声模型。
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