CN108416167A - 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法 - Google Patents

一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108416167A
CN108416167A CN201810260358.6A CN201810260358A CN108416167A CN 108416167 A CN108416167 A CN 108416167A CN 201810260358 A CN201810260358 A CN 201810260358A CN 108416167 A CN108416167 A CN 108416167A
Authority
CN
China
Prior art keywords
parameter
signal model
mapping relations
source
drain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810260358.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108416167B (zh
Inventor
陈勇波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd
Original Assignee
Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd filed Critical Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd
Priority to CN201810260358.6A priority Critical patent/CN108416167B/zh
Publication of CN108416167A publication Critical patent/CN108416167A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108416167B publication Critical patent/CN108416167B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；S3：分别将热‑电耦合、热‑力耦合和力‑电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电‑热‑力多物理场耦合大信号模型。本发明引入了GaN外延层中应力的影响，从而完整描述器件的电‑热‑力多物理场耦合效应，提升GaN HEMT器件模型精度，并且模型可用于指导新型器件设计和工艺改进。

Description

一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法。
背景技术
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有非常高的二维电子气(2DEG)浓度、高饱和电子迁移速度和高击穿电压等优点，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，是目前研究和应用的热点，在通信、雷达、电子战等领域得到了越来越广泛的应用。
由于GaN自身热导率不高，加上材料特性和工艺限制，很难直接采用同质外延方法（GaN衬底生长GaN外延）来制备性能质量良好的微波功率器件。目前大多采用异质外延的方法，即在异质的衬底材料上直接外延生长或采用剥离转移的技术来形成GaN HEMT器件和电路。常用的GaN HEMT器件衬底材料有碳化硅（SiC）、硅（Si）、蓝宝石、以及目前最新的金刚石等。这些衬底材料与GaN外延的晶格类型、晶格常数和热膨胀系数都有不同程度的失配，特别是Si和金刚石衬底。从而在GaN外延中，由于衬底失配引入的应力无法完全弛豫。因此，在GaN HEMT器件内部微纳尺度环境下，存在电、热和应力三种物理能量的相互激励和耦合，从而产生电-热-力多物理场耦合效应。
晶体管器件模型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，对指导器件优化设计、减少迭代次数、缩短研制周期、以及减小开发成本，有非常重要的作用。由于GaN HEMT器件的电性能对热和应力的影响非常敏感，因此，器件的大信号模型必须考虑电-热-力多物理场耦合效应的影响。而传统的GaN HEMT器件大信号模型建模方法，目前只初步实现了热-电耦合的大信号模型，关于电-热-力多物理场耦合效应的GaN HEMT器件大信号模型还未见相关报道。因此，目前精确的GaN HEMT器件模型，已成为器件性能优化和电路设计的瓶颈。而对多物理耦合效应的准确建模，是提升GaN HEMT器件大信号模型精度的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，解决传统的GaN HEMT器件大信号模型对多物理场耦合效应描述不全面，从而导致模型精度较低的问。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，包括以下步骤：
S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；
S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；
S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；
S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
进一步地，所述的热参数包括器件的材料热导率、界面热阻，所述的电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率，所述的应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比，所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。
进一步地，步骤S1中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法，分析GaN HEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaN HEMT器件热参数与声子散射的映射关系；
S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；
步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S121：基于GaN HEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaN HEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
进一步地，所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg；所述的推导大信号模型内核的解析表达式的推导过程包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤；所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤：
S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度；
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
进一步地，对于步骤S3中的热-电耦合，包括以下子步骤：
S311：在步骤S1中建立的电参数与物理参数的映射关系的基础上，进一步加入温度的影响，分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：
S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程，分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：
S331：在GaN HEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度发生改变；
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
在步骤S3中，将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中后，得到修正后的大信号模型内核。
进一步地，步骤S4中的模型等效电路拓扑包括本征元件和寄生元件；所述的本征元件包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、沟道本征电阻Ri、本征跨导Gm、栅漏本征电阻Rgd、栅漏本征二极管Dgd、栅源本征二极管Dgs；其中，Cgs和Cgd分别分别为栅极电荷源Qg对栅源电压Vgs和栅漏电压Vgd的偏导数；所述的寄生元件包括栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg1和Lg2、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld1和Ld2、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电容Cpd、栅漏寄生电阻Rpdg、栅漏寄生电容Cpdg；
GaN HEMT器件的栅极G顺次通过栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaNHEMT器件的漏极D顺次通过漏极寄生电感Ld1、漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg1、栅极寄生电感Lg2、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld2、漏极寄生电感Ld1与漏极D连接；栅漏本征二极管Dgd并联于栅漏本征电容Cgd上；
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
进一步地，所述的方法还包括：
S5：针对GaN HEMT器件不同的包括物理结构、材料参数、环境温度在内的条件，通过包括直流、瞬态、S参数、高低温在内的测试，提取模型参数值，并分析模型参数随各种变化条件的缩放规律；然后用功率负载牵引测试结果，验证模型的准确性。
本发明的有益效果是：本发明引入了GaN外延层中应力的影响，从而完整描述器件的电-热-力多物理场耦合效应，提升GaN HEMT器件模型精度，并且模型可用于指导新型器件设计和工艺改进。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明步骤S2中大信号模型内核的解析表达式的推导过程示意图；
图3为本发明的GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型等效电路拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，包括以下步骤：
S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系。
本实施例采用理论和方法研究结合实验验证的研究手段，提出从量子力学理论出发，交叉融合热力学、经典力学、半导体物理学等多学科理论的研究方法，分别建立GaNHEMT器件的热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系。其中，优选地，在本实施例中，所述热参数包括器件的材料热导率、界面热阻等；所述电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率；所述应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比等；所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。
具体地，在本步骤中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文 [Phonon conduction in GaN-diamond composite substrates.Journal of Applied Physics, 2017, 121, 055105]），用该方法分析GaN HEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaN HEMT器件热参数与声子散射的映射关系；
S112：借助透射电子显微镜（TEM）、微拉曼光谱、瞬态热反射（TTR）测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性。
而建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S121：基于GaN HEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文[基于表面势理论的微波AlGaN/GaN HEMT解析模型，2015年全国微波毫米波会议论文集]），用该方法建立二维电子气浓度与GaN HEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文[新型微波晶体管噪声机理与噪声模型研究，电子科技大学博士论文，第二章]），用该方法分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制（如库伦散射、极化光学声子散射、界面散射等）对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
另外，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文[Mechanical properties of g-GaN: a first principles study,Applied Physics A, 2013]），用该方法分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式。
所述物理基大信号模型，是指模型参数表达式是根据器件的物理工作机理推导得到的，而且模型参数值与器件的物理结构和材料参数直接相关的大信号模型。物理基大信号模型既能指导器件设计和工艺改进，又能直接用于电路设计，是半导体器件工艺与微波集成电路设计的纽带。另外，物理基大信号模型对于深入理解器件工作的物理机理、建立器件工艺与性能参数之间的关系、指导和优化器件设计与制作、减少迭代次数、缩短研制周期以及降低成本有非常重要的作用。目前针对GaN HEMT器件，以基于“表面势”（SurfacePotential）理论和基于“虚拟源”（MVSG）理论的两种物理基大信号模型为代表。
所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg，是大信号模型中最关键的两个元件。
在本实施例中，采用基于GaN HEMT器件“表面势”理论，推导其大信号模型内核的解析表达式，推导过程示意如图2所示：包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤。
其中，所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤（在本实施例中，其详细公式和步骤可参见论文[基于表面势理论的微波AlGaN/GaN HEMT解析模型，2015年全国微波毫米波会议论文集]）：
S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度ns；
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度ns，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[A Scalable multiharmonic surface-potential model of AlGaN/GaN HEMTs.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(3): 1192-1200]）：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程进行联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核。
其中对于本步骤中的热-电耦合，包括以下子步骤：
S311：在步骤S1中建立的电参数与物理参数的映射关系的基础上，进一步加入温度的影响（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[Electrothermal studies of GaN-based high electron mobility transistors with improved thermal designs,2018]），用该方法分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：
S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[GaN-on-diamond electronic device reliability: Mechanical and thermo-mechanical integrity. Applied Physics Letters, 2015, 107:251902]），用该方法分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：
S331：在GaN HEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度发生改变；
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[新型微波晶体管噪声机理与噪声模型研究，电子科技大学博士论文，第五章]）；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入到大信号模型内核后，得到修正后的完整的大信号模型内核。
S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
在如图3中示出的大信号等效电路中，虚线框中的部分表示本征元件，虚线框外的部分表示寄生元件。具体地，所述的本征元件包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、沟道本征电阻Ri、本征跨导Gm、栅漏本征电阻Rgd、栅漏本征二极管Dgd、栅源本征二极管Dgs；其中，Cgs和Cgd分别分别为栅极电荷源Qg对栅源电压Vgs和栅漏电压Vgd的偏导数；所述的寄生元件包括栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg1和Lg2、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld1和Ld2、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电容Cpd、Rpdg、Cpdg；
GaN HEMT器件的栅极G顺次通过栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaNHEMT器件的漏极D顺次通过漏极寄生电感Ld1、漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg1、栅极寄生电感Lg2、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld2、漏极寄生电感Ld1与漏极D连接；栅漏本征二极管Dgd并联于栅漏本征电容Cgd上；
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
具体地，将子步骤S212中推导得到的漏极电流源Ids表达式，带入图3等效电路拓扑中替换Ids；将子步骤S223中推导得到的栅极电荷源Qg表达式分别对栅源电压Vgs和栅漏电压Vgd求偏导数，得到Cgs和Cgd的表达式，并将其带入图3等效电路拓扑中替换Cgs和Cgd。最终构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
另外，如图3所示，本发明提出采用三个子网络，分别为热-电子网络、力-电子网络和热-力子网络，来分别模拟GaN HEMT器件的热-电耦合效应、力-电耦合效应和热-力耦合效应，从而共同描述电-热-力多物理场耦合效应。
S5：针对GaN HEMT器件不同的包括物理结构、材料参数、环境温度在内的条件，通过包括直流、瞬态、S参数、高低温在内的测试，提取模型参数值，并分析模型参数随各种变化条件的缩放规律；然后用功率负载牵引测试结果，验证模型的准确性。最终，在宽频带、大功率和宽温度范围内，推导出可准确预测器件的直流、小信号以及非线性特性参数的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；
S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；
S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；
S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
2. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述的热参数包括器件的材料热导率、界面热阻，所述的电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率，所述的应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比，所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。
3. 根据权利要求2所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：步骤S1中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法，分析GaN HEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaN HEMT器件热参数与声子散射的映射关系；
S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；
步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S121：基于GaN HEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaN HEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
4. 根据权利要求3所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg；所述的推导大信号模型内核的解析表达式的推导过程包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤；所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤：
S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度；
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
5. 根据权利要求4所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：对于步骤S3中的热-电耦合，包括以下子步骤：
S311：在步骤S1中建立的电参数与物理参数的映射关系的基础上，进一步加入温度的影响，分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：
S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程，分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：
S331：在GaN HEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度发生改变；
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
在步骤S3中，将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中后，得到修正后的大信号模型内核。
6. 根据权利要求5所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：步骤S4中的模型等效电路拓扑包括本征元件和寄生元件；所述的本征元件包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、沟道本征电阻Ri、本征跨导Gm、栅漏本征电阻Rgd、栅漏本征二极管Dgd、栅源本征二极管Dgs；其中，Cgs和Cgd分别分别为栅极电荷源Qg对栅源电压Vgs和栅漏电压Vgd的偏导数；所述的寄生元件包括栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg1和Lg2、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld1和Ld2、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电容Cpd、栅漏寄生电阻Rpdg、栅漏寄生电容Cpdg；
GaN HEMT器件的栅极G顺次通过栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaNHEMT器件的漏极D顺次通过漏极寄生电感Ld1、漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg1、栅极寄生电感Lg2、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld2、漏极寄生电感Ld1与漏极D连接；栅漏本征二极管Dgd并联于栅漏本征电容Cgd上；
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
7. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述的方法还包括：
S5：针对GaN HEMT器件不同的包括物理结构、材料参数、环境温度在内的条件，通过包括直流、瞬态、S参数、高低温在内的测试，提取模型参数值，并分析模型参数随各种变化条件的缩放规律；然后用功率负载牵引测试结果，验证模型的准确性。
CN201810260358.6A 2018-03-27 2018-03-27 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法 Active CN108416167B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810260358.6A CN108416167B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810260358.6A CN108416167B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108416167A true CN108416167A (zh) 2018-08-17
CN108416167B CN108416167B (zh) 2021-08-24

Family

ID=63133690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810260358.6A Active CN108416167B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108416167B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109241623A (zh) * 2018-09-06 2019-01-18 电子科技大学 一种表面势紧凑模型参数提取方法
CN109447245A (zh) * 2018-10-29 2019-03-08 石家庄创天电子科技有限公司 基于神经网络的等效模型生成方法以及建模方法
CN111079317A (zh) * 2020-01-22 2020-04-28 中国科学院微电子研究所 栅漏电模型的优化方法及基于其的高电子迁移率器件模型
CN112417804A (zh) * 2020-11-11 2021-02-26 天津大学 一种GaN HEMT缩放模型电路拓扑结构
CN112836399A (zh) * 2020-11-20 2021-05-25 电子科技大学 一种基于有限元算法的非线性接触热阻热分析求解方法
CN112906226A (zh) * 2021-02-24 2021-06-04 中国科学院微电子研究所 一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法
CN113505504A (zh) * 2021-06-16 2021-10-15 西安理工大学 一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法
CN113642277A (zh) * 2021-08-10 2021-11-12 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 栅极寄生电容建模方法
CN114462343A (zh) * 2022-01-28 2022-05-10 北京华大九天科技股份有限公司 一种GaN HEMT的ASM模型直流参数提取方法
CN115392174A (zh) * 2022-08-26 2022-11-25 苏州英嘉通半导体有限公司 场板型半导体器件的电容拟合方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160308045A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-20 Semiconductor Components Industries, Llc Electronic Devices Including A III-V Transistor Having A Homostructure And A Process Of Forming The Same
CN106529102A (zh) * 2016-12-27 2017-03-22 深圳市华讯方舟微电子科技有限公司 AlGaN/GaN HEMT小信号模型及其参数的提取方法
CN106909751A (zh) * 2016-12-14 2017-06-30 成都海威华芯科技有限公司 一种应用于mmic设计的热电耦合模型建立方法
CN107636656A (zh) * 2016-07-12 2018-01-26 电子科技大学 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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160308045A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-20 Semiconductor Components Industries, Llc Electronic Devices Including A III-V Transistor Having A Homostructure And A Process Of Forming The Same
CN107636656A (zh) * 2016-07-12 2018-01-26 电子科技大学 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
CN106909751A (zh) * 2016-12-14 2017-06-30 成都海威华芯科技有限公司 一种应用于mmic设计的热电耦合模型建立方法
CN106529102A (zh) * 2016-12-27 2017-03-22 深圳市华讯方舟微电子科技有限公司 AlGaN/GaN HEMT小信号模型及其参数的提取方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. G. ANCONA 等: "Fully-coupled electromechanical analysis of stress-related failure in GaN HEMTs", 《PHYSICA STATUS SOLIDI C》 *
汪昌思 等: "微波场板GaN HEMTs大信号特性及其模型研究", 《电子科技大学学报》 *
汪昌思: "微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109241623B (zh) * 2018-09-06 2022-10-14 电子科技大学 一种表面势紧凑模型参数提取方法
CN109241623A (zh) * 2018-09-06 2019-01-18 电子科技大学 一种表面势紧凑模型参数提取方法
CN109447245A (zh) * 2018-10-29 2019-03-08 石家庄创天电子科技有限公司 基于神经网络的等效模型生成方法以及建模方法
CN111079317A (zh) * 2020-01-22 2020-04-28 中国科学院微电子研究所 栅漏电模型的优化方法及基于其的高电子迁移率器件模型
CN111079317B (zh) * 2020-01-22 2024-06-07 中国科学院微电子研究所 栅漏电模型的优化方法及基于其的高电子迁移率器件模型
CN112417804A (zh) * 2020-11-11 2021-02-26 天津大学 一种GaN HEMT缩放模型电路拓扑结构
CN112836399B (zh) * 2020-11-20 2022-11-08 电子科技大学 一种基于有限元算法的非线性接触热阻热分析求解方法
CN112836399A (zh) * 2020-11-20 2021-05-25 电子科技大学 一种基于有限元算法的非线性接触热阻热分析求解方法
CN112906226A (zh) * 2021-02-24 2021-06-04 中国科学院微电子研究所 一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法
CN113505504A (zh) * 2021-06-16 2021-10-15 西安理工大学 一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法
CN113505504B (zh) * 2021-06-16 2023-11-03 西安理工大学 一种提取GaN HEMT器件热源模型的方法
CN113642277A (zh) * 2021-08-10 2021-11-12 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 栅极寄生电容建模方法
CN114462343A (zh) * 2022-01-28 2022-05-10 北京华大九天科技股份有限公司 一种GaN HEMT的ASM模型直流参数提取方法
CN115392174A (zh) * 2022-08-26 2022-11-25 苏州英嘉通半导体有限公司 场板型半导体器件的电容拟合方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108416167B (zh) 2021-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108416167A (zh) 一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法
Servati et al. Above-threshold parameter extraction and modeling for amorphous silicon thin-film transistors
Shin et al. A new approach to verify and derive a transverse-field-dependent mobility model for electrons in MOS inversion layers
Marinov et al. Compact modeling of charge carrier mobility in organic thin-film transistors
Nishida et al. A physically based mobility model for MOSFET numerical simulation
Anvarifard Creation of a new high voltage device with capable of enhancing driving current and breakdown voltage
Hafsi et al. TCAD Simulations of graphene field-effect transistors based on the quantum capacitance effect
Rajan et al. Implementation of physical unclonable functions using hetero junction based GAA TFET
Yang et al. A novel empirical IV model for GaN HEMTs
Stanojević et al. Nano device simulator—a practical subband-BTE solver for path-finding and DTCO
Sánchez-Martín et al. Monte Carlo analysis of thermal effects in the DC and AC performance of AlGaN/GaN HEMTs
Elsayed et al. Comprehensive 300 mm process for Silicon spin qubits with modular integration
Yang et al. A compact model of silicon-based nanowire MOSFETs for circuit simulation and design
Müller et al. Physical modeling of InP/InGaAs DHBTs with augmented drift-diffusion and Boltzmann transport equation solvers—Part II: Application and results
JUNGEMANN et al. Full-band Monte Carlo device simulation of a Si/SiGe-HBT with a realistic Ge profile
Gnani et al. Extraction method for the impact-ionization multiplication factor in silicon at large operating temperatures
Martinie et al. Physics-based analytical modeling of quasi-ballistic transport in double-gate MOSFETs: From device to circuit operation
Ryndin et al. A Quasi‐Two‐Dimensional Physics‐Based Model of HEMTs without Smoothing Functions for Joining Linear and Saturation Regions of I‐V Characteristics
Karamakković et al. Transmission‐line equivalent curcuit model of minority carrier transient current in quasi‐neutral silicon layers including effects
Fu et al. General geometric fluctuation modeling for device variability analysis
Anvarifard An accurate compact model to extract the important physical parameters of an experimental nanoscale short-channel SOI MOSFET
Sodan et al. Distributed electro-thermal model based on fast and scalable algorithm for GaN power devices and circuit simulations
Lee et al. Small-signal modeling of gate-all-around (GAA) Junctionless (JL) MOSFETs for sub-millimeter wave applications
Djomehri et al. Inverse modeling of sub-100 nm MOSFETs using IV and CV
Odabaşı Improved Robustness, Stability and Linearity in GaN Based High Electron Mobility Transistors for 5G Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant