CN114519275B - AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法 - Google Patents

AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，涉及射频功率器件领域，通过对器件的三个电极施加相应的直流偏置，分别测出与不同的寄生参数相关的S参数，然后根据这些测得的S参数，基于二端口网络的原理，转换为与寄生电容相关的Y参数矩阵、与寄生电阻和寄生电感相关的Z参数矩阵，之后再将寄生参数去嵌，求得本征参数，本发明的方法针对寄生参数去嵌过程因结构导致的近似误差，提出了在所有测试频率下，逐个求取去嵌前后的S参数相对误差，并对所有频率的误差进行平均化，在保证了参数提取速度的同时，保证了参数的提取精度。

Description

AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法
技术领域
本发明属于属于射频功率器件领域，涉及一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，可用于提取氮化镓高电子迁移率晶体管器件的小信号等效电路模型，以指导器件工艺优化和电路仿真设计。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)具有本征延迟低，射频性能好，栅极漏电小，静态功耗低等优点，广泛应用于射频微波应用领域。并且器件等效电路模型的建立对于指导工艺步骤，验证工艺准确性，改善器件结构，研究工艺参数对器件高频性能的影响，具有非常重要的研究意义和实用价值。
实际工作中，大信号等效电路模型是使用GaN HEMT进行射频电路设计的基础，而下层的小信号等效电路模型更是建立大信号模型的前提，因此小信号等效电路模型的建立极为重要。此外，小信号等效电路模型的准确性毫无意外的与元件参数提取的准确性有关，准确的模型参数才能重现器件的高频小信号性能。
目前主流的小信号参数提取流程大多为基于GaAs HEMT提出的小信号模型参数提取方法，通过漏极-源极短路时的冷场S参数提取出与偏置无关的寄生参数，然后对晶体管工作频率内的所有S参数去嵌，提取本征参数，但是氮化镓器件又存在其他不可忽视的效应。
因此本征参数的精确度很大程度上取决于提取的寄生参数的精准度，而寄生参数的提取又与器件工艺和实际结构参数有关，在结构参数方面存在一定的误差，因此经验性的近似会导致寄生参数产生误差；此外传统的参数优化方法并未在寄生电感、电阻的优化过程中去除寄生电容的影响，误差累积会使参数优化的范围变窄，使得参数误差不能进一步降低。
发明内容
为了有效地解决现有技术的上述问题，本发明提出了一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法。
本发明的实施流程如图4所示，首先测量器件偏置在三种不同栅源电压和漏源电压的情况下的S参数，根据这些数据计算得到与偏置无关的寄生参数的一系列初值，然后对这些初值继续优化，得到误差最小的一直寄生参数值；之后将漏源正接的S参数去嵌寄生参数，通过解析式提取本征参数，具体步骤如下所述：
本发明采用的GaN HEMT器件小信号等效电路模型，包括外部寄生电路和内部本征电路，所述的外部寄生电路包括寄生电容Cpga、Cpda、Cpgd,寄生电感包括Ld1、Ld2、Ls、Lg1、Lg2，寄生电阻包括Rg、Rd、Rs，所述的本征电路包括本征电容Cgs、Cgd、Cds，本征电阻包括Rgd、Ri，本征电导Gds，电流源Gm*Vgs*ejwτ；
测试器件处于冷场夹断、栅极前向、正常工作等状态下，在0GHz到50GHz内的二端口S参数；
根据频率小于5GHz的测试结果，上文所述的GaN HEMT等效电路模型可以简化为只包含寄生电容和本征电容的电路模型，根据等效Y参数和电容的关系即可求得寄生电容；
Cgdo＝Cgda+Cgd
Cgso＝Cpga+Cgs
Cdso＝Cpda+Cds
在15GHz以上时，去嵌栅极正向条件下的寄生电容，得到只包含寄生电感和寄生电阻的等效电路，有实部、虚部的关系，可以求得相应的寄生电感和寄生电阻；
Im(wZ22)＝w2(Ld1+Ld2+Ls)-(1/Cd+1/Cs)
Im(wZ12)＝Im(wZ21)＝w2Ls-1/Cs
Re(Z11)＝Rg+Rs
Re(Z22)＝Rd+Rs
Re(Z12)＝Re(Z21)＝Rs
接下来需要优化寄生参数，首先将前面提取到的参数误差最小的一组值作为寄生参数初值，然后分别固定寄生电容、寄生电感、寄生电阻，对剩余的寄生参数进行扫描，每次扫描取扫描后的S参数与原S参数误差最小的一组数据作为新的寄生参数初值，在扫描过程中，不可避免地会根据器件结构对电容的部分参数进行近似，但这种近似操作会使得优化过程更加快捷、方便。
每一组元件参数的S参数误差可以使用如下所示的公式计算：
然后对每一组S参数误差进行求平均值：
其中sij(measured)为器件实际测量得到的S参数，Sij(Model)为小信号等效电路模型仿真得到的S参数，求和范围为全频率范围，最终误差ε取四个εij的平均值，当ε最小时，对应的寄生参数为外部寄生元件的参数初值。
在上述初次扫描结果的基础上，设置误差的极限值和迭代次数，重复执行参数优化过程，直至误差小于最小误差极限，提取出外部寄生电容、寄生电感和寄生电阻。
内部本征参数的提取：
将正向导通情况下的S参数去除寄生参数；
提取本征电路的S参数数据，并根据本征电路等效Y参数的实部和虚部来计算本征参数的初值。
解析式为：
d1＝Re[Yint(1,1)+Yint(1,2)]/[Im(Yint(1,1)+Yint(1,2))
d2＝Re[Yint(1,2)]/Im[Yint(1,2)]
Ri＝d1/[1+d12)Im[Yint(1,1)+Yint(1,2)]]
Gm＝abs([Yint(2,1)-Yint(1,2)](1+jd1)
Gds＝e[Yint(2,2)+Yint(1,2)]
Cds＝Im[Yint(2,2)+Yint(1,2)]/w
Cgd＝(1+d22)Im[-Yint(1,2)]/w
Cgs＝(1+d12)Im[Yint(1,1)+Yint(1,2)]/w
Rgd＝d2/(1+d22)Im[-Yint(1,2)]
其中，Yint(1,1)、Yint(1,2)、Yint(2,1)、Yint(2,2)为对应频率和偏置下的Y参数。
至此，完成小信号模型所有参数的提取。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1.针对0.1-18GHz波段，在栅端和漏端分别串联了额外的寄生电感，用以描述器件在该波段产生的其他寄生电感参数，符合器件实际的物理效应；
2.针对寄生参数去嵌过程因结构导致的近似误差，提出了在所有测试频率下，逐个求取去嵌前后的S参数相对误差，并对所有频率的误差进行平均化，在保证了参数提取速度的同时，保证了参数的提取精度；
3.本发明使用Matlab和ADS完成，操作便捷，相比于传统建模方式能大大降低时间成本。
附图说明
图1为GaN HEMT器件20元件小信号等效电路模型。
图2为提取寄生电容时的等效电路图。
图3为提取寄生电感、寄生电阻时的等效电路图。
图4为小信号参数提取流程。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
因本发明测量的器件并未采用空气桥的连接方式，所以不考虑栅漏之间的空气桥电容Cgdi。
本发明提出的这种高电子迁移率晶体管的小信号模型参数提取方法，是通过对器件的三个电极施加相应的直流偏置，分别测出与不同的寄生参数相关的S参数，然后根据这些测得的S参数，基于二端口网络的原理，转换为与寄生电容相关的Y参数矩阵、与寄生电阻和寄生电感相关的Z参数矩阵，之后再将寄生参数去嵌，求得本征参数。该方法包括以下步骤：
S1：测试器件的直流特性，根据直流特性测试结果确定器件的处于冷场和其他状态下的偏置情况；冷场：Vgs<Vth，Vds＝0V；栅极正向：Vgs>Vth，Vds＝0V；热场：Vgs>Vth，Vds>0V；
S2：在步骤S1所述的几种偏置下使用矢量网络分析仪等设备测量器件在0GHz到50GHz范围内的S参数，扫描步长设置为100MHz；
S3：将冷场状态下的S参数转换为Y参数矩阵，同时当器件处于冷场偏置条件下时，寄生效应主要来自于电容，因此，等效电路可以转换为图1所示的电路一。这时可以将等效电路与Y参数矩阵对应起来，有如下关系：
Cgdo＝Cgda+Cgd；Cgso＝Cpga+Cgs；Cdso＝Cpda+Cds
同时，Y参数矩阵可以换算为：
Y11＝jw(Cgdo+Cgso)；Y12＝Y21＝-jwCgdo；
Y22＝jw(Cdso+Cgdo)
因此由Y参数矩阵和频率之间的关系就能求出每个寄生电容参数；
S4：根据栅极正向偏置和冷场偏置条件下的S参数数据，对寄生电容Cpga、Cpda、Cgda进行去嵌操作，去嵌之后的等效电路可简化为图2所示的等效电路二；
上述去嵌操作包括：
将冷场状态下的S参数转换为Y参数，将三个寄生电容从Y参数矩阵中减去，再将减去寄生电容后的Y参数矩阵转化为S参数矩阵，就得到了图3所示的等效电路三；
然后再将栅极正向偏置下的S参数转换为Z参数矩阵，并根据图3所示的等效电路列出Z参数矩阵与寄生电感和寄生电阻的关系，如下所示：
Im(wZ11)＝w2(Lg1+Lg2+Ls)-(1/Cg+1/Cs)
Im(wZ22)＝w2(Ld1+Ld2+Ls)-(1/Cd+1/Cs)
Im(wZ12)＝Im(wZ21)＝w2Ls-1/Cs
Re(Z11)＝Rg+Rs
Re(Z22)＝Rd+Rs
Re(Z12)＝Re(Z21)＝Rs
由以上公式可以看出，我们需要去拟合每条曲线的斜率就能够得到寄生电感和寄生电阻的值；
S5：根据步骤S3中所涉及的寄生电容的提取方法，因为仅有3个方程，却有6个未知数，所以需要对其中的一个或几个电容参数(如Cgda)进行经验性的固定、扫描，继而每一组电容固定值对应一组寄生电容值，对应一组寄生电感、寄生电阻值。此时就需要对每一组寄生参数与原S参数进行误差分析，取其中误差最小的一组数据作为寄生参数的值；此时用的误差对比方法如下：
然后对每一组S参数误差进行求平均值：
其中，sij(measured)为器件实际测量得到的S参数，Sij(Model)为小信号等效电路模型仿真得到的S参数，求和范围为全频率范围，最终误差ε取四个εij的平均值，当ε最小时，对应的寄生参数为外部寄生元件的参数初值；
在上述初次扫描结果的基础上，设置误差的极限值和迭代次数，重复执行参数优化过程，直至误差小于最小误差极限，提取出外部寄生电容、寄生电感和寄生电阻。
S6：内部本征参数的提取：
根据热场偏置条件下测量的S参数，将上述寄生参数去嵌，并将去嵌后的S参数转换为Y参数矩阵，并根据去嵌后的电路列出本征参数与本征Y参数的解析关系，具体的解析式为：
d1＝Re[Yint(1,1)+Yint(1,2)]/[Im(Yint(1,1)+Yint(1,2))
Ri＝d1/[1+d12)Im[Yint(1,1)+Yint(1,2)]]
Gm＝abs([Yint(2,1)-Yint(1,2)](1+jd1)
Rgd＝d2/(1+d22)Im[-Yint(1,2)]
其中，Yint(1,1)、Yint(1,2)、Yint(2,1)、Yint(2,2)为对应频率和偏置下的本征Y参数，这些参数均在Matlab中完成计算。
提取完成小信号模型的等效电路的所有参数之后，将等效电路在ADS中搭建出来，输入我们提取的参数值，调用S参数仿真模块，对比我们测得的S参数与模型的S参数是否匹配。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：测试器件的直流特性，根据直流特性测试结果确定器件的处于冷场和其他状态下的偏置情况；冷场：Vgs＜Vth，Vds＝0V；栅极正向：Vgs＞Vth，Vds＝0V；热场：Vgs＞Vth，Vds＞0V；
S2：在步骤S1所述的几种偏置下测量器件在0GHz到50GHz范围内的S参数，扫描步长设置为100MHz；
S3：将冷场状态下的S参数转换为Y参数矩阵，同时当器件处于冷场偏置条件下时，寄生效应主要来自于电容，因此，将等效电路转换为等效电路一，这时能够将等效电路与Y参数矩阵对应起来，有如下关系：
Cgdo＝Cgda+Cgd；Cgso＝Cpga+Cgs；Cdso＝Cpda+Cds
同时，Y参数矩阵能够换算为：
Y11＝jw(Cgdo+Cgso)；
Y12＝Y21＝-jwCgdo；
Y22＝jw(Cdso+Cgdo)；
因此由Y参数矩阵和频率之间的关系就能求出每个寄生电容参数；
S4：根据栅极正向偏置和冷场偏置条件下的S参数数据，对寄生电容Cpga、Cpda、Cgda进行去嵌操作，去嵌之后的等效电路可简化等效电路二；
S5：根据步骤S3中所涉及的寄生电容的提取方法，因为仅有3个方程，却有6个未知数，所以需要对其中的一个或几个电容参数(如Cgda)进行经验性的固定、扫描，继而每一组电容固定值对应一组寄生电容值，对应一组寄生电感、寄生电阻值；此时就需要对每一组寄生参数与原S参数进行误差分析，取其中误差最小的一组数据作为寄生参数的值；此时用的误差对比方法如下：
然后对每一组S参数误差进行求平均值：
其中，sij(measured)为器件实际测量得到的S参数，Sij(Model)为小信号等效电路模型仿真得到的S参数，求和范围为全频率范围，最终误差ε取四个εij的平均值，当ε最小时，对应的寄生参数为外部寄生元件的参数初值；
在上述初次扫描结果的基础上，设置误差的极限值和迭代次数，重复执行参数优化过程，直至误差小于最小误差极限，提取出外部寄生电容、寄生电感和寄生电阻；
S6：内部本征参数的提取：
根据热场偏置条件下测量的S参数，将上述寄生参数去嵌，并将去嵌后的S参数转换为Y参数矩阵，并根据去嵌后的电路列出本征参数与本征Y参数的解析关系，具体的解析式为：
d1＝Re[Yint(1，1)+Yint(1，2)]/[Im(Yint(1，1)+Yint(1，2))
Ri＝d1/[1+d12)Im[Yint(1，1)+Yint(1，2)]]
Gm＝abs([Yint(2，1)-Yint(1，2)](1+jd1)
Rgd＝d2/(1+d22)Im[-Yint(1，2)]
其中，Yint(1，1)、Yint(1，2)、Yint(2，1)、Yint(2，2)为对应频率和偏置下的本征Y参数。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，其特征在于，所述步骤S3中的等效电路一包括栅极、漏极、源极引出的金属Pad的寄生电感，由外向内与寄生电感直接相连的是三个端口的寄生电阻，在寄生电感与寄生电阻之间并联着端口之间、端口与金属Pad的寄生电容，以上寄生参数构成等效电路的外部寄生部分；从寄生电阻参考面往内推则是本征电路部分，包含串联的栅源电容Cgs和沟道电阻Ri、串联的栅漏电容Cgd和栅漏电阻Rgd、以及并联的漏源电容Cds、等效电导Gds及跨导Gm。
3.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，其特征在于，所述步骤S3中的去嵌操作包括：
将冷场状态下的S参数转换为Y参数，将三个寄生电容从Y参数矩阵中减去，再将减去寄生电容后的Y参数矩阵转化为S参数矩阵，就得到了等效电路三；
然后再将栅极正向偏置下的S参数转换为Z参数矩阵，并根据等效电路三列出Z参数矩阵与寄生电感和寄生电阻的关系，如下所示：
Im(wZ11)＝w2(Lg1+Lg2+Ls)-(1/Cg+1/Cs)
Im(wZ22)＝w2(Ld1+Ld2+Ls)-(1/Cd+1/Cs)
Im(wZ12)＝Im(wZ21)＝w2Ls-1/Cs
Re(Z11)＝Rg+Rs
Re(Z22)＝Rd+Rs
Re(Z12)＝Re(Z21)＝Rs
由以上公式能够看出，通过拟合每条曲线的斜率就能够得到寄生电感和寄生电阻的值。
4.根据权利要求3所述的一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，其特征在于，所述步骤S4中的等效电路二包括并联在三个端口的外部寄生电感Cpga、Cpgd、Cpda以及由Cgs、Cgd、Cds并联组成的内部本征电感回路，看作是等效电路一去除了电感参数以后的等效回路。
5.根据权利要求4所述的一种AlGaN/GaN HEMT器件小信号模型提取方法，其特征在于，所述步骤S4中的等效电路三包括寄生电感Lg1，Lg2，Ld1，Ld2，Ls和寄生电阻Rg，Rd，Rs，三个端口的寄生电阻和寄生电感串联在一起，同时与内部等效的电容相连，去嵌后等效电容分别为Cg、Cd、Cs，这一步骤需要去嵌的是外部的寄生电感，再将电容转变为T型连接方式。
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