CN113515912A - 一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法 - Google Patents

一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，涉及集成电路器件的仿真技术。针对现有技术中噪声改善不理想的问题提出本方案，将仿真结果与实测结果进行拟合后，在保持仿真过程中直流特性改变不超过限定范围的条件下循环调整仿真GaN HEMT的势垒层结构来改善噪声特性，直至获得目标噪声性能为止。优点在于，通过对GaN HEMT结构进行物理建模和网格划分处理和噪声特性优化，可以改善GaN HEMT的噪声性能，提高噪声建模的准确性和可靠性，提高GaN HEMT的资用功率增益，更适合应用于研制高频、宽带、高动态低噪声GaN HEMT。

Description

一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法
技术领域
本发明涉及集成电路器件的仿真技术，尤其涉及一种基于物理建模仿真的GaNHEMT噪声改善方法。
背景技术
低噪声放大器是毫米波通信系统中的重要组成部分，需要具有良好的噪声特性和增益特性。为了能够在毫米波频段实现低噪声放大器精准而又高效的设计，建立准确的噪声模型至关重要。但随着半导体技术的发展，接收机的工作频段不断上升，低噪声放大器的噪声特性发生了恶化。由第三代半导体材料GaN制作而成的高电子迁移率晶体管，具有高耐压性、高功率密度、高热导率以及高电子饱和速率等优势，研究其噪声特性对研制高频超宽带、高鲁棒性、高动态范围的毫米波低噪声放大器具有重要意义。
与此同时，国内外研究学者们对GaN HEMT的传统结构进行了改进创新，但这些研究主要关注的是功率性能的提高，关于GaN HEMT在毫米波频段的噪声特性改善的研究相对较少。为了使低噪声放大器在高频段仍保持较好的噪声特性，急需提出一种有效改善GaNHEMT噪声特性的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，将仿真结果与实测结果进行拟合后，在保持仿真过程中直流特性改变不超过限定范围的条件下循环调整仿真GaNHEMT的势垒层结构来改善噪声特性，直至获得目标噪声性能为止。
具体包括以下步骤：
步骤1：获得仿真GaN HEMT的结构文件；
步骤2：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，并设置模型仿真环境，从而获得直流特性和噪声特性的仿真结果；
步骤3：将仿真结果与实测结果进行对比，调整界面极化电荷密度值与模型参数值，令仿真结果与实测结果的进行拟合；
步骤4：进行仿真GaN HEMT的势垒层结构优化并重新计算界面极化电荷密度理论值，进行模型仿真获得势垒层结构改变后的仿真结果；
步骤5：比较势垒层结构改变前后的直流特性和噪声特性，在保持直流特性不超过限定范围的条件下继续通过改变势垒层结构来改善噪声特性；
步骤6：将噪声改善后的仿真GaN HEMT重复进行步骤4至步骤5的处理，直到GaNHEMT获得目标噪声性能并且直流特性在所述限定范围内，则优化结束。
在步骤1中根据实际GaN HEMT进行网格划分定义获得GaN HEMT的结构文件；具体为在集成环境DeckBuild中设置网格宽度mesh width，根据GaN HEMT剖面结构建立二维仿真的网格，设置网格线的位置location、网格线左右的网格疏密程度space；其中在栅极附近和异质结界面附近区域进行网格的细致密集划分。
所述步骤2具体为：
步骤201：根据实际GaN HEMT结构对步骤1中的网格进行区域划分，同时定义相应的材料特性，对帽层和隔离层进行均匀掺杂，对源漏区域进行重掺杂；
步骤202：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，所述界面极化电荷密度σ(x)公式为：
σ(x)＝|PSP(AlxGa1-xN)-PSP(GaN)+PPZ(AlxGa1-xN)|(C·m-2)
PSP(AlxGa1-xN)＝(-0.025x-0.029)(C·m-2)
PSP(GaN)＝-0.029(C·m-2)
Figure BDA0003042447910000021
其中，PSP(AlxGa1-xN)为AlGaN的自发极化电荷、PSP(GaN)为GaN的自发极化电荷，PPZ(AlxGa1-xN)为AlGaN的压电极化电荷；x表示Al组分，a表示GaN的晶格常数，a0表示AlGaN的晶格常数，C13为AlGaN弹性模量矩阵元中第一列第三行对应的独立张量元素，C33为AlGaN弹性模量矩阵元中第三列第三行对应的独立张量元素，e33为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第三行对应的独立张量元素，e31为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第一行对应的独立张量元素。
步骤203：选择物理模型和计算方法。
所述步骤3具体为：
步骤301：将步骤2计算的界面极化电荷密度适当降低；
步骤302：调整栅极、源极和漏极的功函数值，调整极化系数值；
步骤303：重新进行特性仿真，比较仿真结果与实测结果，重复步骤301和步骤302，直至仿真结果与实测结果拟合良好。
所述步骤4具体为：
步骤401：在栅极两侧的势垒层进行凹槽刻蚀，形成凹陷的栅源和凹陷的栅漏势垒区；
步骤402：根据凹陷势垒层的结构，将沟道划分为多个区域，再次计算界面极化电荷密度；
步骤403：保持仿真GaN HEMT的其他结构参数和模型参数不变，进行GaN HEMT仿真获得结构改变后的仿真结果。
将势垒层凹槽的高度和宽度按照步长逐一改变，更新界面极化电荷密度并进行仿真，获得当前仿真GaN HEMT结构下的直流特性和交流特性，并根据噪声特性改善的程度重新设计势垒层结构，提高GaN HEMT的资用功率增益；重新进行势垒层凹槽结构的设计并进行仿真，以减小最小噪声系数和噪声电导。
在步骤5中的处理还包括网格优化：在保持直流特性基本未改变的条件下，增加划分凹陷势垒层附近的网格数目、重掺杂源漏区形成良好的欧姆接触，使阈值电压稳定在可靠范围内。
本发明所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其优点在于，通过对GaNHEMT结构进行物理建模和网格划分处理和噪声特性优化，可以改善GaN HEMT的噪声性能，提高噪声建模的准确性和可靠性，提高GaN HEMT的资用功率增益，更适合应用于研制高频、宽带、高动态低噪声GaN HEMT。本发明中以实际GaN HEMT以及其测试数据为依托，所采用的技术和设计的方法源自于现有GaN HEMT的设计经验，具有普适性和广泛性，可以用于绝大多数GaN HEMT的噪声优化设计。
附图说明
图1为本发明中GaN HEMT最初的结构示意图；
图2为本发明中GaN HEMT IV特性仿真与实测结果对比图；
图3为本发明中GaN HEMT Ids-Vgs特性仿真与实测结果对比图；
图4为本发明中GaN HEMT结构优化后的结构示意图；
图5为本发明中GaN HEMT结构优化前后的IV特性仿真示意图；
图6为本发明中GaN HEMT结构优化前后的Ids-Vgs特性仿真示意图；
图7为本发明中GaN HEMT结构优化前后的最小噪声系数仿真示意图；
图8为本发明中GaN HEMT结构优化前后的噪声电导仿真示意图；
图9为本发明中GaN HEMT结构优化前后的电流增益仿真示意图；
图10为本发明中GaN HEMT结构优化前后的资用功率增益仿真示意图。
具体实施方式
如图1-10所示，本发明所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法包括以下处理步骤：
步骤1：根据实际GaN HEMT的结构参数和掺杂分布进行网格划分定义获得该GaNHEMT的结构文件。
在集成环境DeckBuild中设置网格宽度mesh width。根据GaN HEMT剖面结构建立二维仿真网格，设置网格线的位置location、网格线左右的网格疏密程度space。其中在栅极附近和异质结界面附近区域进行网格的细致密集划分。
该GaN HEMT由金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺制备的外延层包括2μm的本征GaN缓冲层，3nm非有意掺杂(UID)的AlGaN隔离层，15nm N型掺杂(2×1018cm-3)的AlGaN层，以及AlGaN UID帽层。GaN HEMT的栅长为0.9μm，栅宽为25μm，源漏间距为2.9μm。根据所述GaN HEMT结构进行仿真网格的建立和优化。
步骤2：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，定义材料特性、选择物理模型和计算方法，并且设置GaN HEMT仿真环境，从而获得直流特性和噪声特性的仿真结果。具体包括以下处理：
步骤201：根据实际GaN HEMT结构对步骤1中的网格进行区域划分，同时定义相应的材料特性，对帽层和隔离层进行均匀掺杂，对源漏区域进行重掺杂；
步骤202：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，所述界面极化电荷密度σ(x)公式为：
σ(x)＝|PSP(AlxGa1-xN)-PSP(GaN)+PPZ(AlxGa1-xN)|(C·m-2)
PSP(AlxGa1-xN)＝(-0.025x-0.029)(C·m-2)
PSP(GaN)＝-0.029(C·m-2)
Figure BDA0003042447910000041
其中，PSP(AlxGa1-xN)、PSP(GaN)分别为AlGaN和GaN的自发极化电荷，PPZ(AlxGa1-xN)为AlGaN的压电极化电荷。其中x表示Al组分，a和a0分别表示GaN和AlGaN的晶格常数，C13为AlGaN弹性模量矩阵元中第一列第三行对应的独立张量元素，C33为AlGaN弹性模量矩阵元中第三列第三行对应的独立张量元素，e33为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第三行对应的独立张量元素，e31为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第一行对应的独立张量元素。
步骤203：选择物理模型和计算方法。选择的主要物理模型为高场迁移率模型(fldmob)，非完全离化模型(incomplete)，迁移率受杂质浓度影响模型(conmob)，能带变窄模型(bgn)，SRH产生复合模型(SRH)和Auger复合模型等。
步骤3：将仿真结果与GaN HEMT实测结果进行对比，调整界面极化电荷密度值与模型参数值，从而实现仿真结果与实测结果的良好拟合。具体包括以下处理：
步骤301：由于实际的界面极化电荷密度一般小于理论计算结果，将步骤2计算的界面极化电荷密度适当降低；
步骤302：调整栅极、源极和漏极的功函数值，调整极化系数值；
步骤303：重新进行GaN HEMT特性仿真，比较仿真结果与实测结果，重复步骤301和步骤302，直至仿真结果与实测结果拟合良好，从而获得精度较高的GaN HEMT模型。
在本实施例中，对于铝组分为0.25的AlGaN势垒层，理论计算界面极化电荷密度的值约为1×1013C·m-2。然而在实际GaN HEMT中，存在应变弛豫现象导致极化电荷变小，并且界面电子陷阱会中和部分的极化电荷，这些因素将导致GaN HEMT中的实际界面电荷密度小于理论计算值。本实施例将界面极化电荷密度适当降低，模型仿真中采用的界面极化电荷密度的值为0.56×1013C·m-2，通过对GaN体陷阱浓度和能级、表面态密度、势垒层陷阱浓度和能级，以及电场相关电子迁移速率进行联合仿真，实现仿真与实测的直流特性和射频特性的良好拟合。图2为本发明中GaN HEMT Ids-Vds特性仿真与测试结果对比图，图中曲线从上到下的栅压为2V到-2V。在本实施例中，在偏置电压为Vds＝5V下的Ids-Vgs模型仿真与实测结果如图3所示。由图2和图3可以看出仿真结果与实测结果都实现了较好的拟合。
步骤4：进行势垒层结构的改变优化和重新计算界面极化电荷密度理论值，GaNHEMT的其他结构参数和模型参数保持不变，进行GaN HEMT仿真获得该GaN HEMT结构改变后的仿真结果。具体包括以下处理：
步骤401：在栅极两侧的势垒层进行凹槽刻蚀，形成凹陷的栅源和凹陷的栅漏势垒区；
步骤402：二维电子气浓度与势垒层厚度有关，根据凹陷势垒层的结构，将沟道划分为多个区域，根据步骤202的公式再次计算界面极化电荷密度；
步骤403：保持GaN HEMT的其他结构参数和模型参数不变，进行GaN HEMT仿真获得该GaN HEMT结构改变后的仿真结果；
在本实施例中，将步骤3中已经与实测特性曲线拟合的GaN HEMT在栅极两侧的势垒层进行凹槽刻蚀，形成凹陷的栅源和凹陷的栅漏势垒区。同时将凹陷的栅源和栅漏区域的网格进一步密集划分。根据凹陷势垒层的厚度重新计算界面极化电荷密度，由于理论计算值一般高于实际测试值，因此将界面极化电荷密度的仿真值适当降低，保持GaN HEMT的其他结构参数和模型参数不变，进行GaN HEMT仿真获得该GaN HEMT结构改变后的仿真结果。
步骤5：比较结构改变前后的直流特性和噪声特性，在保持直流特性基本未改变的条件下通过改变势垒层结构来改善噪声特性。将势垒层凹槽的高度和宽度按照步长逐一改变，更新界面极化电荷密度并进行仿真，获得当前设计GaN HEMT结构下的直流特性和交流特性，并根据噪声特性改善的程度重新设计GaN HEMT势垒层结构：提高GaN HEMT的资用功率增益；重新进行势垒层凹槽结构的设计并进行仿真，以减小最小噪声系数和噪声电导。还包括网格优化，在保持直流特性基本未改变的条件下：增加划分凹陷势垒层附近的网格数目、重掺杂源漏区形成良好的欧姆接触，使阈值电压稳定在可靠范围内。
步骤6：将噪声改善后的GaN HEMT结构重复进行步骤4-步骤5的处理直到GaN HEMT获得最佳的噪声性能并且直流特性在较小的改变范围内，则优化结束。
在本实施例中，针对栅长为0.9μm的实际GaN HEMT进行了物理建模，仿真结果与GaN HEMT实测结果的良好拟合证明了所建模型的准确性。在此基础上对GaN HEMT的势垒层结构进行了优化，在栅极两侧的势垒层进行凹槽刻蚀，形成凹陷的栅源和凹陷的栅漏势垒区，凹陷势垒区的形成使得沟道电子受到更强的束缚。同时凹陷势垒层结构抑制了栅下耗尽层向漏侧的延伸，减小了GaN HEMT原有的栅漏电容值和栅源电容值。这些将有益于噪声特性的改善，但同时对直流特性影响较小。具有凹陷势垒层的GaN HEMT的直流仿真结果和噪声特性仿真结果证实了该噪声改善方法的有效性。
通过不断优化直至获得最优结果。判断标准可通过多次优化势垒层凹陷结构，若当前噪声特性仿真结果得到较大改善，同时直流特性仿真结果基本未改变，则视为已优化到最终解，优化结束。图5和图6为本发明中GaN HEMT结构优化前后的直流特性和交流特性仿真示意图。由图5和图6可见GaN HEMT势垒层结构优化前后的直流特性基本未受影响。
经过多次优化，最终确定凹陷势垒层的凹陷宽度为0.3μm，凹陷深度为3nm为最优参数。在偏置电压为Vds＝5V和Vgs＝-2V下对GaN HEMT模型进行交流仿真，得到图7至10的仿真结果。由图7和图8可见，在频率0-30GHz的频率范围内，结构优化后的最小噪声系数和噪声电导均得到了明显的改善，而且随着频率的升高，改善程度越明显。其中最小噪声系数平均改善了0.25dB，噪声电导平均改善1.52×10-2S，这表明结构优化后的GaN HEMT在高频宽带低噪声GaN HEMT领域有很大的应用潜力。图9和图10为电流增益和资用功率增益与频率的关系，由图可见GaN HEMT结构优化前后的截止频率基本相同，但结构优化后GaN HEMT的资用功率增益比结构优化前的高约0.74dB，因此结构优化后的GaN HEMT可以获得更高的最大振荡频率。
本发明基于市场的普遍需求，改善了当前针对GaN HEMT精确噪声建模困难的现状，特别提出了针对毫米波GaN HEMT噪声特性改善的方法，该方法可以实现噪声特性得到改善但同时直流特性基本未被改变。有利于毫米波低噪声放大器芯片产业的发展，具有较好的应用推广价值。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，将仿真结果与实测结果进行拟合后，在保持仿真过程中直流特性改变不超过限定范围的条件下循环调整仿真GaN HEMT的势垒层结构来改善噪声特性，直至获得目标噪声性能为止。
2.根据权利要求1所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：获得仿真GaN HEMT的结构文件；
步骤2：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，并设置模型仿真环境，从而获得直流特性和噪声特性的仿真结果；
步骤3：将仿真结果与实测结果进行对比，调整界面极化电荷密度值与模型参数值，令仿真结果与实测结果的进行拟合；
步骤4：进行仿真GaN HEMT的势垒层结构优化并重新计算界面极化电荷密度理论值，进行模型仿真获得势垒层结构改变后的仿真结果；
步骤5：比较势垒层结构改变前后的直流特性和噪声特性，在保持直流特性不超过限定范围的条件下继续通过改变势垒层结构来改善噪声特性；
步骤6：将噪声改善后的仿真GaN HEMT重复进行步骤4至步骤5的处理，直到GaN HEMT获得目标噪声性能并且直流特性在所述限定范围内，则优化结束。
3.根据权利要求2所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，在步骤1中根据实际GaN HEMT进行网格划分定义获得GaN HEMT的结构文件；具体为在集成环境DeckBuild中设置网格宽度mesh width，根据GaN HEMT剖面结构建立二维仿真的网格，设置网格线的位置location、网格线左右的网格疏密程度space；其中在栅极附近和异质结界面附近区域进行网格的细致密集划分。
4.根据权利要求2所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤201：根据实际GaN HEMT结构对步骤1中的网格进行区域划分，同时定义相应的材料特性，对帽层和隔离层进行均匀掺杂，对源漏区域进行重掺杂；
步骤202：根据实际GaN HEMT计算界面极化电荷密度理论值，所述界面极化电荷密度σ(x)公式为：
σ(x)＝|PSP(AlxGa1-xN)-PSP(GaN)+PPZ(AlxGa1-xN)|(C·m-2)
PSP(AlxGa1-xN)＝(-0.025x-0.029)(C·m-2)
PSP(GaN)＝-0.029(C·m-2)
Figure FDA0003042447900000021
其中，PSP(AlxGa1-xN)为AlGaN的自发极化电荷、PSP(GaN)为GaN的自发极化电荷，PPZ(AlxGa1-xN)为AlGaN的压电极化电荷；x表示Al组分，a表示GaN的晶格常数，a0表示AlGaN的晶格常数，C13为AlGaN弹性模量矩阵元中第一列第三行对应的独立张量元素，C33为AlGaN弹性模量矩阵元中第三列第三行对应的独立张量元素，e33为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第三行对应的独立张量元素，e31为AlGaN压电系数矩阵元中的第三列第一行对应的独立张量元素。
步骤203：选择物理模型和计算方法。
5.根据权利要求2所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
步骤301：将步骤2计算的界面极化电荷密度适当降低；
步骤302：调整栅极、源极和漏极的功函数值，调整极化系数值；
步骤303：重新进行特性仿真，比较仿真结果与实测结果，重复步骤301和步骤302，直至仿真结果与实测结果拟合良好。
6.根据权利要求2所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
步骤401：在栅极两侧的势垒层进行凹槽刻蚀，形成凹陷的栅源和凹陷的栅漏势垒区；
步骤402：根据凹陷势垒层的结构，将沟道划分为多个区域，再次计算界面极化电荷密度；
步骤403：保持仿真GaN HEMT的其他结构参数和模型参数不变，进行GaN HEMT仿真获得结构改变后的仿真结果。
7.根据权利要求6所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，将势垒层凹槽的高度和宽度按照步长逐一改变，更新界面极化电荷密度并进行仿真，获得当前仿真GaN HEMT结构下的直流特性和交流特性，并根据噪声特性改善的程度重新设计势垒层结构，提高GaN HEMT的资用功率增益；重新进行势垒层凹槽结构的设计并进行仿真，以减小最小噪声系数和噪声电导。
8.根据权利要求7所述基于物理建模仿真的GaN HEMT噪声改善方法，其特征在于，在步骤5中的处理还包括网格优化：在保持直流特性基本未改变的条件下，增加划分凹陷势垒层附近的网格数目、重掺杂源漏区形成良好的欧姆接触，使阈值电压稳定在可靠范围内。
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毛书漫等: "毫米波AlGaN/GaN HEMT噪声模型研究", 《2017年全国微波毫米波会议论文集（下册）》 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114217200A (zh) * 2021-12-10 2022-03-22 西安电子科技大学芜湖研究院 一种n极性iii族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置
CN114217200B (zh) * 2021-12-10 2024-01-30 西安电子科技大学芜湖研究院 一种n极性iii族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置

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