CN107636656A - 基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法 - Google Patents

基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法 Download PDF

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Abstract

提出一种基于GaN器件等效电路模型的工艺参数分析方法，所述分析方法包括：步骤一：建立GaN器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；步骤二：建立GaN器件大信号等效电路模型，提取大信号模型参数，即非线性电流源模型参数和非线性电容模型参数；步骤三：以器件的实测微波特性为目标，调谐优化大信号模型参数；步骤四：基于建立的大信号模型提取多批次GaN器件的工艺参数，并对所述工艺参数进行统计分析。上述GaN器件模型的工艺参数的统计分析方法首先建立GaN器件小信号等效电路模型，然后建立工艺参数关联的GaN器件大信号等效电路模型，通过多批次器件建模最终获得工艺参数统计分布，有用于器件成品率分析和工艺参数优化。

Description

基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法
技术领域
本发明涉及GaNHEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)器件技术领域，特别是涉及一种基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)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，因此需要通过建立统计模型指导电路成品率分析。传统的统计方法都是基于小信号模型或者部分大信号模型参数的方法进行分析，因此在精度上有所不足。而且无法通过大信号统计模型获得具体的工艺参数统计分析来指导器件成品率设计和工艺参数优化。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，可有效确定GaN器件的工艺参数统计特性，进而协助指导器件成品率设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，所述统计分析方法包括：
步骤一：建立GaN器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；
步骤二：建立GaN器件工艺参数关联的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；
步骤三：以器件的实测微波特性为目标，调谐优化大信号模型参数；
步骤四：基于建立的大信号模型提取多批次GaN器件的工艺参数，并对所述工艺参数进行统计分析。
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器件小信号等效电路模型中的GaN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本征参数。
可选的，步骤一中，在提取小信号模型参数后，还包括：
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测试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器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN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非线性模型中与自热效应无关的参数；
联合脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据提取Ids非线性模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数；
可选的，步骤二中，在提取大信号模型参数后，还包括:
根据Ids非线性模型中与自热效应无关的参数、Ids非线性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；
设置第二调谐参数，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：
导入所述小信号模型参数及大信号模型参数；
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势垒层厚度、掺杂浓度、栅长、栅宽、Al组份等器件结构和工艺参数，所述大信号等效电路模型的微波特性包括输出功率、功率附加效率和增益中至少一者；
将计算的器件的微波特性与实测的微波特性进行对比，得到微波特性拟合曲线；
根据微波特性拟合曲线的拟合度重复修改所述第四调谐参数，直到所述微波特性拟合曲线的拟合度符合第四设定阈值。
可选的，对所述工艺参数进行统计分析的方法包括：
导入待分析器件的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据、小信号模型参数；
提取在所述大信号等效电路模型中与物理模型参数相关的全部工艺参数；
绘制所述工艺参数的取值频率分布直方图。
可选的，所述物理参数包括GaN器件制备过程中的器件结构和工艺参数。
本发明的积极效果是:
本发明基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法首先建立GaN器件小信号等效电路模型，然后建立物理参数关联的GaN器件大信号等效电路模型，最终对工艺参数进行统计分析，可准确有效地确定工艺参数波动，进而提升器件模型在成品率分析中的精度。
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基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法的流程图；
图2是GaN器件模型的小信号等效电路模型示意图；
图3是GaN器件模型的大信号等效电路模型示意图；
图4是利用大信号等效电路模型提取得到的器件势垒层厚度参数统计图。
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基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，首先建立GaN器件小信号等效电路模型，然后建立物理参数关联的GaN器件大信号等效电路模型，最终获得工艺参数统计特性，可有效进行器件成品率分析和工艺参数优化。
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GaN器件模型的工艺参数统计分析方法包括：
步骤100：建立GaN器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；
步骤200：建立GaN器件工艺参数关联的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300：以器件的实测微波特性为目标，调谐优化大信号模型参数；
步骤400：基于建立的大信号模型提取多批次GaN器件的工艺参数，并对所述工艺参数进行统计分析。
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，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器件小信号等效电路模型中的GaN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。
优选地，在步骤100中在提取小信号模型参数后，还包括：
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检测的散射参数进行对比得到散射参数拟合曲线；
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200中，所述提取大信号模型参数的方法包括：
步骤211：对在所述GaN器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN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212：根据脉冲I-V测试数据提取Ids非线性模型中与自热效应无关的参数；
步骤213：联合脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据提取Ids非线性模型中与陷阱效应和自热效应相关的参数；
步骤214：根据Ids非线性模型中与自热效应无关的参数、Ids非线性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215：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216：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217：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218：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219：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器件大信号等效电路模型示意图。为表征GaN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器件工艺参数关联的的大信号等效电路模型中GaN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非线性模型的所有参数。其中，脉冲I-V测试数据用来提取Ids非线性模型中与自热效应无关的参数，得到Ids非线性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非线性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300中，所述调谐优化大信号模型参数的方法包括：
步骤311：导入所述本征参数及模型参数。
步骤312：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势垒层厚度、掺杂浓度、栅长、栅宽、Al组份等器件结构和工艺参数，所述大信号等效电路的微波特性包括输出功率、功率附加效率和增益中至少一者。
步骤313：将计算的器件的微波特性与实测的微波特性进行对比，得到微波特性拟合曲线。
步骤322：根据微波特性拟合曲线的拟合度重复修改所述第四调谐参数，直到所述微波特性拟合曲线的拟合度符合第四设定阈值。
具体的，将步骤100和步骤200中得到的所有参数(即小信号模型参数及大信号模型参数)导入，设置势垒层厚度、掺杂浓度、栅长、栅宽、Al组份等器件结构和工艺参数，点击“开始计算”，软件即使用现有的算法进行计算，得到大信号模型的微波特性(包括输出功率、功率附加效率和增益)，并显示出所有的模型参数。
将GaN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、多批次的每个器件都进行了步骤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)和器件结构和工艺参数(势垒层厚度、掺杂浓度、栅长、栅宽、Al组份等)。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、多批次的每个器件都进行了步骤200和步骤300后，即得到了每个器件的大信号等效电路中所有参数。每个器件的大信号模型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大信号模型参数导入。选择要做统计分析的器件，对被选器件的模型参数进行主成分分析和因子分析，建立多元回归模型，并进行蒙特卡洛仿真，建立大信号统计模型。计算完毕后，将统计模型仿真的大信号特性和器件的实测大信号特性进行对比。
在步骤400中，所述工艺参数进行统计分析的方法包括：
步骤411：导入待分析器件的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据、小信号模型参数；
步骤412：提取在所述大信号等效电路模型中与物理参数相关的全部工艺参数；
步骤413：绘制所述工艺参数的取值频率分布直方图。
其中，所述物理参数包括GaN器件制备过程中的制备参数和材料的物理参数。
本发明对等效电路的本征部分，采用大信号表面势等效电路模型，建立了工艺参数关联的大信号模型，可以通过器件大信号性能直接分析具体工艺参数，从而有效指导工艺。其实现方法与步骤200的等效电路模型相似，只是模型参数均为器件制备过程的器件结构参数和工艺参数而非经验化的电路元件。
具体的，在选择器件后，将待分析器件的I-V测试数据、Cgs和Cgd在多偏置下的取值和大信号特性测试数据导入，然后进行工艺参数提取，以提取该物理参数关联大信号等效电路中的所有参数。计算完毕后，将绘制单管模型仿真与实测对比效果图并展示所有模型参数。对所有器件参数提取完毕后，选择需要统计的器件，进行工艺参数统计，对工艺参数进行统计分析，绘制工艺参数取值频率分布直方图。
本发明基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法的有益效果：
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界面，并且提出了大信号模型调谐优化技术。通过运行软件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的全小信号参数的统计分析，能够简单直观地反映不同批次器件和同一批次内不同器件的参数工艺波动。
第三，本发明提出的基于等效电路模型的工艺参数统计分析方法，通过分析工艺相关参数，可以实现对器件成品率分析和工艺参数的监控及其优化。
此外，本发明基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析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。

Claims (8)

1.一种基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，其特征在于：所述统计分析方法包括：
步骤一：建立GaN器件小信号等效电路模型，提取小信号模型参数；
步骤二：建立GaN器件工艺参数关联的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；
步骤三：以器件的实测微波特性为目标，调谐优化大信号模型参数；
步骤四：基于建立的大信号模型提取多批次GaN器件的工艺参数，并对所述工艺参数进行统计分析。
2.根据权利要求1所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，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所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，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器件小信号等效电路模型中的GaN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3所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，其特征在于：步骤一中，在提取小信号模型参数后，还包括：
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检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所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，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器件工艺参数关联的大信号等效电路模型中GaN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非线性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非线性模型中与陷阱效应和自热效应的相关参数；
根据Ids非线性模型中与自热效应无关的参数、Ids非线性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1所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，其特征在于：所述调谐优化大信号模型参数的方法包括：
导入所述小信号模型参数及大信号模型参数；
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势垒层厚度、掺杂浓度、栅长、栅宽、Al组份等器件结构和工艺参数，所述大信号等效电路模型的微波特性包括输出功率、功率附加效率和增益中至少一者；
将计算的器件的微波特性与实测的微波特性进行对比，得到微波特性拟合曲线；
根据微波特性拟合曲线的拟合度重复修改所述第四调谐参数，直到所述微波特性拟合曲线的拟合度符合第四设定阈值。
7.根据权利要求5所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，其特征在于：对所述工艺参数进行统计分析的方法包括：
导入待分析器件的脉冲I-V测试数据和静态I-V测试数据、小信号模型参数；
提取在所述大信号等效电路模型中与物理模型参数相关的全部工艺参数；
绘制所述工艺参数的取值频率分布直方图。
8.根据权利要求7所述的基于大信号等效电路模型的GaN器件工艺参数统计分析方法，其特征在于：所述物理参数包括GaN器件制备过程中的器件结构和工艺参数。
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