JP2011114213A - Method of generating equivalent circuit model of hetero-junction field effect transistor and circuit simulator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体デバイスをモデル化する方法に関連し、特にヘテロ接合電界効果トランジスタ(以下、電界効果トランジスタをFETと称す)の等価回路モデルの作成方法およびそのモデルを含む回路シミュレータに関する。 The present invention relates to a method for modeling a semiconductor device, and more particularly to a method for creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor (hereinafter referred to as a field effect transistor) and a circuit simulator including the model.
HEMT(High Electron Mobility Transistor)などを含むヘテロ接合FETは、優れた高周波特性を示し、さまざまなRFアプリケーションなどで使用されている。そのようなデバイスの性能を正確に予測し、またそのようなデバイスを用いて様々な半導体回路設計するためには、半導体デバイスの正確なモデルが必要である。モデルを用いることにより、半導体デバイスや半導体回路の開発おいて、モデルパラメータを抽出しその値をデバイス設計・作成にフィードバックすることや高精度な回路シミュレーションを行うことができる。これにより、半導体デバイスや半導体回路の試作回数を低減し、効率的な開発が可能になる。 Heterojunction FETs including HEMTs (High Electron Mobility Transistors) exhibit excellent high frequency characteristics and are used in various RF applications. In order to accurately predict the performance of such a device and to design various semiconductor circuits using such a device, an accurate model of the semiconductor device is required. By using a model, it is possible to extract model parameters and feed back the values to device design / creation and to perform highly accurate circuit simulation in the development of semiconductor devices and semiconductor circuits. This reduces the number of prototypes of semiconductor devices and semiconductor circuits and enables efficient development.
半導体デバイスの電気特性をモデル化する方法としては2つの方法が良く知れられている。ひとつは物理的なデバイス・シミュレーションであり、もうひとつは等価回路モデリングである。デバイス・シミュレーションは、デバイスの物理的な位置や構造、材料特性を入力パラメータとし、デバイスシミュレータという物理方程式を数値的に解くツールを用いて、電気特性を計算する方法である。例えばシルバコ社のATLAS(登録商標)というデバイスシミュレータでは、デバイスの物理構造を直接入力するため、計算結果と入力パラメータの相関はかなり強く、計算結果をデバイス開発にフィードバックしやすいという長所がある。しかしながら、実際に測定される電気特性を正確にモデル化するデバイスシミュレータの能力は、比較的不正確である。 Two methods are well known as methods for modeling the electrical characteristics of a semiconductor device. One is physical device simulation, and the other is equivalent circuit modeling. Device simulation is a method of calculating electrical characteristics using a device simulator that numerically solves a physical equation called a device simulator, using the physical position, structure, and material characteristics of the device as input parameters. For example, ATLAS (registered trademark) device simulator manufactured by Silvaco has the advantage that the physical structure of the device is directly input, so that the correlation between the calculation result and the input parameter is quite strong, and the calculation result is easily fed back to the device development. However, the ability of device simulators to accurately model the actual measured electrical characteristics is relatively inaccurate.
また、デバイス・シミュレーションによるモデル化の短所としては、回路シミュレータとの相性が悪いことが挙げられる。デバイスシミュレータでデバイスの電気特性を計算できたとしても、回路シミュレータとデバイスシミュレータの計算エンジンは全く別物であるので、デバイスシミュレータの計算モデルを回路シミュレータで使用することはできない。つまり、デバイスシミュレータで半導体デバイスの電気特性を計算できても、半導体デバイスを含む回路の電気特性を計算できないという不合理が生じる。 Another disadvantage of modeling by device simulation is that it is incompatible with a circuit simulator. Even if the electrical characteristics of the device can be calculated by the device simulator, the circuit simulator and the calculation engine of the device simulator are completely different from each other. Therefore, the calculation model of the device simulator cannot be used by the circuit simulator. That is, even if the electrical characteristics of the semiconductor device can be calculated by the device simulator, an unreasonable fact that the electrical characteristics of the circuit including the semiconductor device cannot be calculated occurs.
次に、等価回路モデリングについて説明する。等価回路モデルとは、抵抗、インダクタ、キャパシタ、電流源などの電気的な素子のネットワークを利用して、デバイスの電気特性を計算するモデルである。特に、電流源や抵抗、キャパシタをゲート電圧やドレイン電圧の非線形の関数で記述することにより、半導体デバイスの非線形性を表現するモデルを大信号等価回路モデルと言う。各パラメータは測定結果と計算結果が一致するようにパラメータフィッティングにより決定する。通常の大信号等価回路モデルではキャパシタCgs、Cgd、電流源Igs、Igd、Idsに非線形性を持たせているが、特に電流源Idsはモデル精度を左右する最も重要な部分である。FETの等価回路モデルとしては、カーティス・エテンベルグモデルが広く使用されている(例えば、非特許文献1参照)。 Next, equivalent circuit modeling will be described. An equivalent circuit model is a model that calculates the electrical characteristics of a device using a network of electrical elements such as resistors, inductors, capacitors, and current sources. In particular, a model expressing the nonlinearity of a semiconductor device by describing a current source, a resistor, and a capacitor with a nonlinear function of a gate voltage and a drain voltage is called a large signal equivalent circuit model. Each parameter is determined by parameter fitting so that the measurement result matches the calculation result. In the normal large signal equivalent circuit model, the capacitors C gs , C gd , current sources I gs , I gd , I ds are made nonlinear, but the current source I ds is particularly the most important part that affects the model accuracy. It is. As an equivalent circuit model of the FET, the Curtis-Etenberg model is widely used (see, for example, Non-Patent Document 1).
以下に、カーティス・エテンベルグモデルで使用されているドレイン電流源モデルの計算式を示す。 The calculation formula of the drain current source model used in the Curtis-Etenberg model is shown below.
ただし、Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
A0、A1、A2、A3:IdsのVgsに対する変化を表すパラメータ
γ:Idsの立ち上がりを表すパラメータ
β2:ピンチオフ変動を表すパラメータ
Vds0:A0−A3を評価したときのパラメータ
Where V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
A 0 , A 1 , A 2 , A 3 : parameters representing changes in Ids with respect to Vgs
γ: a parameter representing the rise of I ds
β 2 : Parameter representing pinch-off fluctuation
V ds0 : Parameter when A 0 -A 3 is evaluated
上記の各パラメータをI−V特性などの実測値に対してパラメータフィッティングを行い、値を決定する。等価回路モデルは実測値をもとにパラメータの値を決めるため、比較的精度良くデバイスの電気特性を再現することができる。また、等価回路モデルは電気的な素子のネットワークで構成されているため、回路シミュレータとの相性が良く、回路シミュレータにおいて等価回路モデルを含む半導体回路の電気特性を容易に計算することできる。 The above parameters are subjected to parameter fitting with respect to actually measured values such as IV characteristics to determine values. Since the equivalent circuit model determines parameter values based on actual measurement values, the electrical characteristics of the device can be reproduced with relatively high accuracy. In addition, since the equivalent circuit model is composed of a network of electrical elements, the compatibility with the circuit simulator is good, and the electrical characteristics of the semiconductor circuit including the equivalent circuit model can be easily calculated in the circuit simulator.
しかしながら、等価回路モデルはそのパラメータとデバイスの物理構造との相関が低いという短所がある。上記モデルにおいても、モデルパラメータはフィッティングパラメータであり、物理的な意味を持っていない。従って、デバイスの物理構造から電気特性を計算したり、モデルパラメータの値から物理量を推定したりすることは難しく、パラメータの値が分かってもデバイス開発にフィードバックすることが困難である。また、パラメータが物理的な意味を持っていないので、パラメータフィッティングの際、適切な初期値を求めることが難しく、初期値によっては局所最小値に陥り計算精度を劣化させるおそれがある。 However, the equivalent circuit model has a disadvantage that the correlation between its parameters and the physical structure of the device is low. Also in the above model, the model parameter is a fitting parameter and has no physical meaning. Therefore, it is difficult to calculate the electrical characteristics from the physical structure of the device or to estimate the physical quantity from the value of the model parameter, and it is difficult to feed back to the device development even if the parameter value is known. Further, since the parameter does not have a physical meaning, it is difficult to obtain an appropriate initial value at the time of parameter fitting, and depending on the initial value, there is a possibility that the calculation accuracy is deteriorated due to a local minimum value.
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、パラメータが物理的な意味をもち、容易に初期値の抽出やデバイス開発へのフィードバックが可能で、電気特性を精度良く表現できるヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法および回路シミュレータを提供することを目的とし、半導体デバイスの効率的な開発に寄与するものである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. Heterojunctions in which parameters have physical meanings, initial values can be easily extracted and feedback to device development can be expressed, and electrical characteristics can be accurately expressed. An object of the present invention is to provide a method for creating an equivalent circuit model of a field effect transistor and a circuit simulator, and contribute to the efficient development of semiconductor devices.
この発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法であって、
前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流Idsを表現する、次式で定義された、
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
Imax:最大ドレイン電流
Vknee:ニー電圧
gm:相互コンダクタンス
Vp:ピンチオフ電圧
P2:キャリア密度の2次変調係数
P3:キャリア密度の3次変調係数
Rth:熱抵抗
Ta: 周囲温度
TcImax:ドレイン電流の温度係数
非線形ドレイン電流モデルを含む等価回路モデルを準備するステップと、
前記等価回路モデル内のパラメータのうち、Imax、Vknee、gm、Vp、P2、P3、TcImaxをフィッティングパラメータとし、フィッティングにより値を定めるフィッティングステップと
を備えるものである。
The method of creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a method of creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor,
The current-effect transistor drain-source current I ds is defined by the following equation:
V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
I max : Maximum drain current
Vknee : knee voltage
g m : mutual conductance
V p : pinch-off voltage
P 2 : secondary modulation coefficient of carrier density
P 3 : third-order modulation coefficient of carrier density
R th : Thermal resistance
T a : ambient temperature
T c I max : preparing an equivalent circuit model including a temperature coefficient nonlinear drain current model of the drain current;
Of the parameters in the equivalent circuit model, I max , V knee , g m , V p , P 2 , P 3 , T c I max are used as fitting parameters, and a fitting step for determining a value by fitting is provided. .
また、この発明に係る回路シミュレータは、ヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルを用いる回路シミュレータであって、前記等価回路モデルとして、前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流Idsを表現する、次式で定義された、
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
Imax:最大ドレイン電流
Vknee:ニー電圧
gm:相互コンダクタンス
Vp:ピンチオフ電圧
P2:キャリア密度の2次変調係数
P3:キャリア密度の3次変調係数
Rth:熱抵抗
Ta: 周囲温度
TcImax:ドレイン電流の温度係数
非線形ドレイン電流モデルを含む。
The circuit simulator according to the present invention is a circuit simulator using an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor, and expresses a current I ds between the drain and source of the field effect transistor as the equivalent circuit model. Defined by
V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
I max : Maximum drain current
Vknee : knee voltage
g m : mutual conductance
V p : pinch-off voltage
P 2 : secondary modulation coefficient of carrier density
P 3 : third-order modulation coefficient of carrier density
R th : Thermal resistance
T a : ambient temperature
T c I max : Contains a temperature coefficient nonlinear drain current model of the drain current.
この発明によれば、パラメータが物理的な意味をもち、容易に初期値の抽出やデバイス開発へのフィードバックが可能で、電気特性を精度良く表現できる。 According to the present invention, parameters have physical meanings, initial values can be easily extracted and feedback to device development, and electrical characteristics can be expressed with high accuracy.
この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ヘテロ接合FETの等価回路モデルを図1に示す。図1に示すヘテロ接合FETの等価回路モデル1において、非線形ドレイン電流モデル2は、以下に示す式で定義される。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An equivalent circuit model of the heterojunction FET is shown in FIG. In the equivalent circuit model 1 of the heterojunction FET shown in FIG. 1, the nonlinear drain current model 2 is defined by the following equation.
ここで、ψ(Vgs)はドレイン電流のゲート電圧依存性を示しており、Imax(Ta)はドレイン電流の温度依存性を示している。ψ(Vgs)は下記の式で定義される。 Here, ψ (V gs ) indicates the gate voltage dependency of the drain current, and I max (T a ) indicates the temperature dependency of the drain current. ψ (V gs ) is defined by the following equation.
ここで、P1は以下の式で表される。 Here, P 1 is expressed by the following equation.
また、Imax(Ta)は以下の式で定義される。 I max (T a ) is defined by the following equation.
式(6)の各パラメータは次のように定義される。
Ids:ドレイン・ソース間電流
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
Imax:最大ドレイン電流
Vknee:ニー電圧
gm:相互コンダクタンス
Vp:ピンチオフ電圧
P2:キャリア密度の2次変調係数
P3:キャリア密度の3次変調係数
Rth:熱抵抗
Ta:周囲温度
TcImax:ドレイン電流の温度係数
Each parameter of Formula (6) is defined as follows.
I ds : drain-source current
V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
I max : Maximum drain current
Vknee : knee voltage
g m : mutual conductance
V p : pinch-off voltage
P 2 : secondary modulation coefficient of carrier density
P 3 : third-order modulation coefficient of carrier density
R th : Thermal resistance
T a : ambient temperature
T c I max : Temperature coefficient of drain current
ここで、Rth、Taは予め別の測定から値を決定でき、Vgs、VdsはIdsを計算するときの制御電圧であるから、これらパラメータのうち値を変更できるモデルパラメータは、Imax、Vknee、gm、Vp、P2、P3、TcImaxの7つである。 Here, since R th and T a can be determined in advance from different measurements, and V gs and V ds are control voltages for calculating I ds , model parameters whose values can be changed among these parameters are: There are seven of I max , V knee , g m , V p , P 2 , P 3 , and T c I max .
この発明に係る等価回路モデルは、モデルパラメータとしてデバイスパラメータを用いており、モデルパラメータの意味が明確である。これにより、測定結果から容易にパラメータ初期値を求めることができる。ここで、デバイスパラメータとは、FETを含む半導体デバイスの電気特性を表すパラメータであり、例えばピンチオフ電圧やニー電圧のことを指す。 The equivalent circuit model according to the present invention uses device parameters as model parameters, and the meaning of the model parameters is clear. Thereby, the parameter initial value can be easily obtained from the measurement result. Here, the device parameter is a parameter representing the electrical characteristics of the semiconductor device including the FET, and indicates, for example, a pinch-off voltage or a knee voltage.
このように、本等価回路モデルは、モデルパラメータを見ればデバイスの特性が分かり、デバイス設計にフィードバックをかけることが容易である。 As described above, the equivalent circuit model can easily understand the device characteristics by looking at the model parameters, and can easily apply feedback to the device design.
さらに、本等価回路モデルデバイスパラメータと物理パラメータを関係づけることができる。これにより、デバイス構造から直接電気特性を予測することもできる。以下、デバイスパラメータと物理パラメータの関係について説明する。ここで、物理パラメータとは、デバイスの物理的構造や物理的特性を表すパラメータであり、例えばゲート長や移動度などを指す。 Further, the equivalent circuit model device parameter can be related to the physical parameter. Thereby, it is also possible to predict the electrical characteristics directly from the device structure. Hereinafter, the relationship between device parameters and physical parameters will be described. Here, the physical parameter is a parameter representing the physical structure or physical characteristics of the device, and indicates, for example, the gate length or mobility.
以下に、デバイスパラメータと物理パラメータの関係式を示す。 The relational expressions between device parameters and physical parameters are shown below.
ここで、各パラメータの物理的意味は以下に示す通りである。また、物理パラメータとデバイス構造との関係を図2に示す。
q:素電荷
σ:分極
vs:電子飽和速度
μ:電子移動度
LSG:ゲート・ソース間距離
LGD:ゲート・ドレイン間距離
LG:ゲート長
Rc:コンタクト抵抗
d:電子供給層厚
ε0:真空の誘電率
εAG:電子供給層の比誘電率
φb:障壁高さ
ΔEc:電子供給層厚とバッファ層の伝導帯エネルギーの差
Here, the physical meaning of each parameter is as follows. FIG. 2 shows the relationship between the physical parameters and the device structure.
q: Elementary charge
σ: polarization
v s : electron saturation speed
μ: Electron mobility
L SG : Gate-source distance
L GD : Distance between gate and drain
L G : Gate length
R c : contact resistance
d: Electron supply layer thickness
ε 0 : dielectric constant of vacuum
ε AG : dielectric constant of electron supply layer
φ b : barrier height
ΔE c : difference between the electron supply layer thickness and the conduction band energy of the buffer layer
これらのパラメータのうち、LSG、LGD、LG、dはデバイスの物理構造に関するパラメータであり、一意に決定される。qは物理定数であるから値は固定である。ε0、εAGは材料定数であるから、材料が決まれば決定される。従って、これらのパラメータのうち正確な値が分からないのは、σ、vs、μ、Rc、φb、ΔEcである。ただし、これらのパラメータもオーダー程度の値であれば予め知ることができる。これらのパラメータは、パラメータフィッティングにより、物理パラメータの実効的な値を決定できる。 Among these parameters, L SG , L GD , L G , and d are parameters relating to the physical structure of the device and are uniquely determined. Since q is a physical constant, the value is fixed. Since ε 0 and ε AG are material constants, they are determined once the material is determined. Therefore, it is σ, v s , μ, R c , φ b , and ΔE c that do not have accurate values among these parameters. However, these parameters can be known in advance as long as they are orders of magnitude. These parameters can determine effective values of physical parameters by parameter fitting.
このように、この発明に係る等価回路モデルは、デバイスパラメータと物理パラメータのいずれかをモデルパラメータとすることができる。 Thus, the equivalent circuit model according to the present invention can use either a device parameter or a physical parameter as a model parameter.
図3に、この発明における等価回路モデルを作成する手順を示す。まず、FETのI−V特性の測定データを準備する(ST101)。次に、等価回路モデルを準備し(ST102)、モデルパラメータImax、Vknee、gm、Vp、P2、P3、TcImaxの初期値を設定する(ST103)。これらのパラメータを用いてI−V特性を計算し(ST104)、測定結果と計算結果の誤差を算出する(ST105)。誤差が予め定めた許容条件を満たすか判断する(ST106)。満たしていない場合は、パラメータを変更し(ST107)、ST104−ST106を繰り返す。誤差が許容条件を満たす場合は、その値にパラメータを決定し(ST108)、終了する。 FIG. 3 shows a procedure for creating an equivalent circuit model in the present invention. First, measurement data of the IV characteristics of the FET is prepared (ST101). Next, prepare the equivalent circuit model (ST 102), the model parameter I max, V knee, g m , V p, the initial value of the P 2, P 3, T c I max (ST103). The IV characteristics are calculated using these parameters (ST104), and the error between the measurement result and the calculation result is calculated (ST105). It is determined whether the error satisfies a predetermined allowable condition (ST106). If not, the parameter is changed (ST107), and ST104 to ST106 are repeated. If the error satisfies an allowable condition, a parameter is determined for that value (ST108), and the process ends.
ST105において誤差Errorは例えば以下の式で算出する。なお、iは測定点を示す。 Error E rror is calculated by the following equation for example, in ST105. Note that i represents a measurement point.
また、ST103において、Imax、Vknee、gm、Vpの初期値は図4、図5に示すように、測定結果から容易に抽出できる。P2、P3、TcImaxの値は通常小さいので初期値としては0とする。また、Imax、Vknee、gm、Vpは式(7)、(8)、(11)、(10)に物理パラメータを代入して得た値を初期値にしても良いし、物理パラメータ自体をモデルパラメータとしてパラメータフィッティングを行っても良い。 Further, in ST 103, the initial value of I max, V knee, g m , V p is 4, as shown in FIG. 5, it can be easily extracted from the measured results. Since the values of P 2 , P 3 , and T c I max are usually small, the initial values are set to 0. In addition, I max , V knee , g m , and V p may be set to initial values obtained by substituting physical parameters into the equations (7), (8), (11), and (10). Parameter fitting may be performed using the parameters themselves as model parameters.
以下の表に、図3に示す手順で決定したパラメータ値を示す。 The following table shows the parameter values determined by the procedure shown in FIG.
図6に、これらのパラメータ値を用いたこの発明に係る等価回路モデルによる計算結果と測定結果の比較を示す。計算結果と測定結果は良く一致しており、この発明に係る等価回路モデルの有効性が確認できる。 FIG. 6 shows a comparison between a calculation result and a measurement result by the equivalent circuit model according to the present invention using these parameter values. The calculation result and the measurement result are in good agreement, and the effectiveness of the equivalent circuit model according to the present invention can be confirmed.
このように、モデルパラメータ=デバイスパラメータとするにより、FETの測定データから適切な初期値の抽出を行うことができるため、パラメータフィッティングによる繰り返し演算の回数を低減でき、短時間にFET等価回路モデルを作成できる。また、フィッティングパラメータが局所最適解に収束するおそれも避けられる。 In this way, by setting the model parameter = device parameter, an appropriate initial value can be extracted from the measured data of the FET, so that the number of repetitive calculations by parameter fitting can be reduced, and the FET equivalent circuit model can be created in a short time. Can be created. In addition, the possibility that the fitting parameter converges to the local optimum solution can be avoided.
次に、本実施の形態に係るFETの開発方法の手順について説明する。等価回路モデルを用いた開発方法は大きく分けて2種類ある。ひとつはFETを作成する前にモデルを用いて特性を計算し、目標性能に対して最適なデバイス設計を行い、FETを試作する方法である。もうひとつはFETを作成した後に特性を実測し、その実測値に対してパラメータフィッティングを行い、得られた値をデバイスの設計にフィードバックするやり方である。 Next, the procedure of the FET development method according to this embodiment will be described. There are roughly two types of development methods using equivalent circuit models. One is a method of making a prototype of an FET by calculating characteristics using a model before creating the FET, designing an optimum device for the target performance, and making an FET. The other method is to actually measure the characteristics after creating the FET, perform parameter fitting on the measured values, and feed back the obtained values to the device design.
前者の方法について図7を参照して説明する。まず、等価回路を準備し(ST301)、デバイス構造、材料定数からモデルに物理パラメータを入力する(ST302)。次にモデルを用いて電流や相互コンダクタンスなど所望の特性を計算し(ST303)、計算した特性が目標性能を満足するか判断する(ST304)。満足していない場合は、FETの物理パラメータを変更し(ST305)、ST302−ST304のステップを繰り返す。目標性能を満足する場合は、その物理パラメータを用いてFETを作成し(ST306)、本手順は終了する。ST306のステップは、得られた物理パラメータをもとにデバイスシミュレータでも特性を確認した後、試作するということとしても良い。 The former method will be described with reference to FIG. First, an equivalent circuit is prepared (ST301), and physical parameters are input to the model from the device structure and material constants (ST302). Next, desired characteristics such as current and mutual conductance are calculated using the model (ST303), and it is determined whether the calculated characteristics satisfy the target performance (ST304). If not satisfied, the physical parameters of the FET are changed (ST305), and the steps of ST302 to ST304 are repeated. If the target performance is satisfied, an FET is created using the physical parameters (ST306), and this procedure ends. The step of ST306 may be to make a prototype after confirming the characteristics with a device simulator based on the obtained physical parameters.
次に、後者の方法について図8を参照して説明する。まず、ある物理パラメータに基づいてFETを作成する(ST201)。次に作成したFETの特性を測定し(ST202)、等価回路モデルを準備する(ST203)。次にパラメータフィッティングを行い、計算結果と測定結果が良く一致するパラメータの値を求める(ST204)。そして、得られたパラメータ値をもとにデバイス設計の変更可否を判断する(ST205)。物理パラメータのうち少なくても1つの値を変化させるべきと判断する場合は、FETの物理パラメータを変更して(ST206)、ST202−ST205のステップを繰り返す。いずれのパラメータも変化させるべきでないと判断したときは、本手順は終了する。 Next, the latter method will be described with reference to FIG. First, an FET is created based on a certain physical parameter (ST201). Next, the characteristics of the created FET are measured (ST202), and an equivalent circuit model is prepared (ST203). Next, parameter fitting is performed to obtain a parameter value whose calculation result and measurement result are in good agreement (ST204). Then, it is determined whether or not the device design can be changed based on the obtained parameter value (ST205). If it is determined that at least one of the physical parameters should be changed, the physical parameter of the FET is changed (ST206), and steps ST202 to ST205 are repeated. If it is determined that none of the parameters should be changed, the procedure ends.
この発明に係る等価回路モデルは、モデルパラメータを物理パラメータとすることができるため、パラメータフィッティングで得られた値から物理パラメータを推定しなくても、デバイスの設計変更の可否を判断できる。 Since the equivalent circuit model according to the present invention can use model parameters as physical parameters, it is possible to determine whether or not a device design can be changed without estimating the physical parameters from values obtained by parameter fitting.
本実施の形態に係るFETを含む回路のシミュレーション方法の手順について図9を参照して説明する。まず、等価回路モデルを含むシミュレーション対象となる回路が準備される(ST401)。次に、この等価回路モデルのパラメータをパラメータフィッティングにより決定し、モデルを作成する(ST402)。等価回路モデルを含む回路を回路シミュレーションにより特性を計算し(ST403)、本手順は終了する。ここで、ST402の等価回路モデルの作成方法は図3に示した手順に該当する。パラメータはデバイスパラメータでも、物理パラメータどちらを用いても良い。 A procedure of a simulation method for a circuit including an FET according to the present embodiment will be described with reference to FIG. First, a circuit to be simulated including an equivalent circuit model is prepared (ST401). Next, parameters of this equivalent circuit model are determined by parameter fitting, and a model is created (ST402). The characteristics of the circuit including the equivalent circuit model are calculated by circuit simulation (ST403), and this procedure ends. Here, the method of creating an equivalent circuit model in ST402 corresponds to the procedure shown in FIG. The parameter may be either a device parameter or a physical parameter.
このようなパラメータが物理的な意味をもつ等価回路モデルを用いることにより、ゲート長やピンチオフ電圧などのばらつきに対する半導体回路の電気特性のばらつきを計算することができ、歩留まりの良い半導体回路を検討、開発、フィードバックが可能である。 By using an equivalent circuit model in which these parameters have physical meaning, it is possible to calculate the variation in the electrical characteristics of the semiconductor circuit with respect to variations in the gate length, pinch-off voltage, etc., and study a semiconductor circuit with good yield. Development and feedback are possible.
1 ヘテロ接合FETの等価回路モデル、2 非線形ドレイン電流モデル。 1 Heterojunction FET equivalent circuit model 2 Non-linear drain current model.
Claims (6)
前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流Idsを表現する、次式で定義された、
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
Imax:最大ドレイン電流
Vknee:ニー電圧
gm:相互コンダクタンス
Vp:ピンチオフ電圧
P2:キャリア密度の2次変調係数
P3:キャリア密度の3次変調係数
Rth:熱抵抗
Ta: 周囲温度
TcImax:ドレイン電流の温度係数
非線形ドレイン電流モデルを含む等価回路モデルを準備するステップと、
前記等価回路モデル内のパラメータのうち、Imax、Vknee、gm、Vp、P2、P3、TcImaxをフィッティングパラメータとし、フィッティングにより値を定めるフィッティングステップと
を備える、ヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法。 A method of creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor,
The current-effect transistor drain-source current I ds is defined by the following equation:
V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
I max : Maximum drain current
Vknee : knee voltage
g m : mutual conductance
V p : pinch-off voltage
P 2 : secondary modulation coefficient of carrier density
P 3 : third-order modulation coefficient of carrier density
R th : Thermal resistance
T a : ambient temperature
T c I max : preparing an equivalent circuit model including a temperature coefficient nonlinear drain current model of the drain current;
A heterojunction comprising a fitting step in which I max , V knee , g m , V p , P 2 , P 3 , and T c I max are fitting parameters among the parameters in the equivalent circuit model, and a value is determined by fitting. A method for creating an equivalent circuit model of a field effect transistor.
前記フィッティングステップは、
前記等価回路モデルの各フィッティングパラメータに初期値を設定するステップと、
設定されたパラメータを用いて、回路シミュレーションにより、電界効果トランジスタの特性値を計算するシミュレーションステップと、
前記回路シミュレーションにより得られた特性値と、予め準備された、測定された電界効果トランジスタの特性値との誤差を計算するステップと、
前記誤差が予め定める条件を満たすまで、各フィッティングパラメータの値を変化させながら前記シミュレーションステップと前記誤差を計算するステップを繰り返し行うステップと、
前記繰り返し行うステップの終了時に得られたパラメータの値の組を、前記等価回路モデルに適用することにより、前記ヘテロ接合FETの等価回路を作成するステップと
を含むことを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法。 In the creation method of the equivalent circuit model of the heterojunction field effect transistor according to claim 1,
The fitting step includes
Setting an initial value for each fitting parameter of the equivalent circuit model;
A simulation step for calculating the characteristic value of the field effect transistor by circuit simulation using the set parameters,
Calculating an error between the characteristic value obtained by the circuit simulation and the characteristic value of the measured field effect transistor prepared in advance;
Repeatedly performing the simulation step and the step of calculating the error while changing the value of each fitting parameter until the error satisfies a predetermined condition;
Applying a set of parameter values obtained at the end of the repetitive step to the equivalent circuit model, thereby creating an equivalent circuit of the heterojunction FET. A method for creating an equivalent circuit model of a transistor.
前記非線形ドレイン電流モデルのパラメータImax、Vknee、gm、Vpを次式で定義し、
σ:分極
vs:電子飽和速度
μ:電子移動度
LSG:ゲート・ソース間距離
LGD:ゲート・ドレイン間距離
LG:ゲート長
Rc:コンタクト抵抗
d:電子供給層厚
ε0:真空の誘電率
εAG:電子供給層の比誘電率
φb:障壁高さ
ΔEc:電子供給層厚とバッファ層の伝導帯エネルギーの差
σ、vs、μ、Rc、φb、ΔEcをフィッティングパラメータとした
ことを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法。 In the creation method of the equivalent circuit model of the heterojunction field effect transistor according to claim 1,
The parameters I max , V knee , g m , V p of the nonlinear drain current model are defined by the following equations:
σ: polarization
v s : electron saturation speed
μ: Electron mobility
L SG : Gate-source distance
L GD : Distance between gate and drain
L G : Gate length
R c : contact resistance
d: Electron supply layer thickness
ε 0 : dielectric constant of vacuum
ε AG : dielectric constant of electron supply layer
φ b : barrier height
ΔE c : Equivalent circuit model of heterojunction field-effect transistor, characterized in that differences σ, v s , μ, R c , φ b , ΔE c between electron supply layer thickness and buffer layer conduction band energy are used as fitting parameters How to create
前記初期値を設定するステップは、非線形ドレイン電流モデルのパラメータImax、Vknee、gm、Vpに対して、請求項3に記載のヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法において定義された式を用いて算出した値を初期値とした
ことを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタの等価回路モデルの作成方法。 In the creation method of the equivalent circuit model of the heterojunction field effect transistor according to claim 2,
The step of setting the initial value is defined in the method for creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor according to claim 3, with respect to parameters I max , V knee , g m , and V p of the nonlinear drain current model. A method of creating an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor, characterized in that a value calculated using the formula obtained is used as an initial value.
前記等価回路モデルとして、
前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流Idsを表現する、次式で定義された、
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
Imax:最大ドレイン電流
Vknee:ニー電圧
gm:相互コンダクタンス
Vp:ピンチオフ電圧
P2:キャリア密度の2次変調係数
P3:キャリア密度の3次変調係数
Rth:熱抵抗
Ta: 周囲温度
TcImax:ドレイン電流の温度係数
非線形ドレイン電流モデルを含む回路シミュレータ。 A circuit simulator using an equivalent circuit model of a heterojunction field effect transistor,
As the equivalent circuit model,
The current-effect transistor drain-source current I ds is defined by the following equation:
V gs : Gate-source voltage
V ds : drain-source voltage
I max : Maximum drain current
Vknee : knee voltage
g m : mutual conductance
V p : pinch-off voltage
P 2 : secondary modulation coefficient of carrier density
P 3 : third-order modulation coefficient of carrier density
R th : Thermal resistance
T a : ambient temperature
T c I max : A circuit simulator including a temperature coefficient nonlinear drain current model of the drain current.
パラメータImax、Vknee、gm、Vpを次式で定義した、
σ:分極
vs:電子飽和速度
μ:電子移動度
LSG:ゲート・ソース間距離
LGD:ゲート・ドレイン間距離
LG:ゲート長
Rc:コンタクト抵抗
d:電子供給層厚
ε0:真空の誘電率
εAG:電子供給層の比誘電率
φb:障壁高さ
ΔEc:電子供給層厚とバッファ層の伝導帯エネルギーの差
非線形ドレイン電流モデルを含むことを特徴とする回路シミュレータ。 The circuit simulator according to claim 5, wherein
The parameters I max , V knee , g m , and V p were defined by the following equations:
σ: polarization
v s : electron saturation speed
μ: Electron mobility
L SG : Gate-source distance
L GD : Distance between gate and drain
L G : Gate length
R c : contact resistance
d: Electron supply layer thickness
ε 0 : dielectric constant of vacuum
ε AG : dielectric constant of electron supply layer
φ b : barrier height
ΔE c : A circuit simulator characterized by including a non-linear drain current model of the difference between the electron supply layer thickness and the conduction band energy of the buffer layer.
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