基于有源補償子電路的GaN HEMT大信號模型改進方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微電子技術領域，具體涉及一種對GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信 號模型的構建方法，可用于對GaNHEMT器件的電路設計，更加精確地預測電路在大信號狀 態(tài)下的工作時性能。 技術背景
[0002] 隨著當今國防建設、通訊產業(yè)和航空航天技術的發(fā)展，對設備的射頻系統(tǒng)提出了 越來越高的要求：小型化、耐高溫、抗輻射、大功率、超高頻、適合在惡劣環(huán)境下工作等。以 GaN和SiC為代表的寬禁帶半導體材料和器件成為研究的熱點，在未來的通訊和國防中，研 究和開發(fā)出可以工作在更高頻率和具有更大功率的高性能半導體材料和器件具有十分重 要的意義。
[0003] 隨著外延材料質量的不斷提高，器件工藝的不斷完善，AlGaN/GaNHEMT器件的發(fā) 展十分迅速。近年來，器件的特性指標飛速發(fā)展，尤其是AlGaN/GaNHEMT器件的微波功率 特性，器件的輸出功率和功率密度都得到大幅度的提高。除制造工藝技術和器件特性外， AlGaN/GaNHEMT的建模工作也一直是人們研究的重點。由于在射頻微波領域的突出應用， AlGaN/GaNHEMT器件模型研究一直是器件研究領域的一個重要組成部分。器件模型包括小 信號模型和大信號模型。對于小信號，不論國內還是國外，小信號建模的工作都取得了一定 的進展，其中S參數法應用得最為廣泛。而大信號建模歷來都是微波功率器件分析的難點 所在。而且AlGaN/GaNHEMT大信號模型絕大部分都是建立在GaAs材料基礎上，并且基本 都是套用MESFET相關模型，沒有考慮GaN材料與GaAs材料之間的差異，這樣器件模型會有 一定誤差。
[0004] 常用的GaNHEMT器件模型通?？煞譃榻涷灲馕瞿Ｐ秃捅砀窕Ｐ蛢深?。
[0005] -、經驗解析模型，也叫等效電路模型，即針對實際工藝制作的不同器件，采用相 應的測試和參數提取技術，用參數擬合和優(yōu)化方法得出制作單片電路所需的各種器件模 型，其優(yōu)點是函數關系和算法簡單，非常適合于寬帶大信號射頻放大器。但這些模型都需要 提取一定量的擬合參數，且模型精度越高，所需擬合的參量就越多，因而增加了算法的復雜 度。
[0006] 二、表格基模型，也稱數據基模型，是建立在大量測試基礎上的模型，因為它是器 件電參數的真實反映，與工藝線的結合更加緊密，與實際的器件特性更加接近。但表格基模 型的靈活性和實用性要比經驗解析模型差，對于大柵寬器件需要更多的公式和測量更多的 數據，降低了其伸縮性并加大了統(tǒng)計平均模型的難度。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于有源補償子電路的GaNHEMT器件大信號模型改 進方法，以解決上述現有GaNHEMT器件模型的不足，實現對器件kink效應區(qū)域和自熱效應 區(qū)域的精確仿真，使得器件在大信號工作模式下靜態(tài)工作點的確定和電路工作效率的預測 更加準確。
[0008] 為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0009] (1)對所用器件進行測量，并將測量數據通過擬合得到高電子迀移率晶體管大信 號模型EEHEMT1的參數；
[0010] (2)將所用器件測量得到的直流DCI-V輸出曲線寫入到一個電流源內；
[0011] (3)將所述EEHEM1大信號等效電路模型與電流源進行并聯，組成有源補償核，分 別在有源補償核的源極、柵極和漏極三個電極各串聯一個電感，用來阻擋交流信號，同時在 有源補償核的柵極和漏極各串聯一個直流源，用來提供直流功率，構成有源補償子電路，該 有源補償子電路的漏源電流Ids_to_hS:
[001 2] Ids-branch(Vds，Vgs) Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(Vds，Vgs) '
[0013] 其中IdsEEHEMT11為有源補償子電路中高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的 源漏電流，Ids__s_dS有源補償子電路中包含直流DCI-V輸出曲線數據的電流源的源漏電 流。
[0014] (4)在有源補償子電路的源極串聯一個電壓源，形成一個源極電位可調的有源補 償子電路，再將該源極電位可調的有源補償子電路與所述EEHEMT1大信號等效電路模型并 聯，即將該源極電位可調的有源補償子電路的源極與所述EEHEMT1模型的漏極相連，將源 極電位可調的有源補償子電路的漏極與所述EEHEMT1模型的源極相連，得到改進后GaN高 電子迀移率晶體管HEMT大信號模型，該改進后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模 型源漏電流Ids表示為：
[0015] Ids(Vds，Vgs) -Ids-EEHEMT1-2(Vds，Vgs)_(Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(vds，vgs))，
[0016] 其中，IdsEEHEMT11為有源補償子電路中高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的 源漏電流，Ids__s_d為含有直流DCI-V輸出曲線數據的電流源的源漏電流，IdsEEHEMT12為與 源極電位可調的有源補償子電路相并聯的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的源 漏電流，Vds為改進后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型的源漏電壓，Vgs為改進 后的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型的柵源電壓。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 1)本發(fā)明將等效電路模型和表格基模型相結合，建立的GaN高電子迀移率晶體管 HEMT大信號模型，既具有等效電路模型的靈活性與實用性，又具有表格基模型的真實性；
[0019] 2)本發(fā)明通過有源補償子電路對原始GaN高電子迀移率大信號模型的源漏電流 進行修正，使得改進后模型的直流DCI-V仿真曲線與測試曲線實現零誤差的擬合，成功解 決了現有模型無法對GaN高電子迀移率晶體管HEMT表現處的kink效應和自熱效益同時精 確擬合的缺點，降低了對原始大信號模型直流DCI-V曲線建模精度的要求，減少了建模時 優(yōu)化的步驟，節(jié)省了建模所需的時間，同時提高了模型仿真的精度；
[0020] 3)本發(fā)明在有源補償子電路的三個電極串聯三個理想電感，隔離了交流信號，因 此有源補償子電路不會對原始大信號模型的交流性能產生影響；
[0021] 4)使用本發(fā)明建立的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型，在電路設計階段 能對器件靜態(tài)工作點和電路的效率能做出更為準確的預測，在實際電路設計中更加簡單、 準確和實用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為現有的AlGaN/GaNHEMT器件結構示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明對圖1建模的主流程圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明中提取高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1參數的子流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明中提取圖1寄生電容的開路結構圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明中提取圖1寄生電容和寄生電阻的短路結構圖；
[0027] 圖6為現有高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的等效原理圖；
[0028] 圖7為本發(fā)明為改進電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1而增設的有源補償子 電路的原理圖；
[0029] 圖8為本發(fā)明改進后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1電路原理圖；
[0030] 圖9為圖7有源補償子電路的直流DC I-V曲線圖；
[0031] 圖10為改進前、后高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1的直流DC I-V仿真 曲線與實際器件的直流DC I-V測試曲線對比圖；
[0032] 圖11為用本發(fā)明改進后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1仿真得到的 轉移曲線和跨導曲線與實際器件測試得到的轉移曲線和跨導曲線的對比圖；
[0033]圖12為改進前、后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1散射參數仿真曲線 與實際器件散射參數測試曲線對比圖；
[0034] 圖13為在最佳偏置點下改進前后的高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1性 能仿真曲線與實際器件的性能測試曲線隨輸入信號變化的對比圖。 具體實施方案
[0035] 以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0036] 本實例以AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管HEMT器件為例，建立通過有源補償子電 路改進的GaN高電子迀移率晶體管HEMT大信號模型。
[0037] 參照圖1，AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管HEMT器件，其自下而上包括2英寸的 4H_SiC襯底、100nm厚A1N成核層、1. 6um厚的GaN緩沖層、lnm的A1N插入層、20nm厚非摻雜 AlGaN勢皇層、60nmSiN鈍化層、Ti/Al/Ni/Au歐姆源電極和歐姆漏電極、Ni/Au/Ni肖特基 柵，其中柵寬為l〇X125um，，柵長為0· 4um，柵-柵、柵-源、柵-漏間距分別為40um、0. 7um 和 2. 8um〇
[0038]參照圖2，本發(fā)明對圖1建模的主流程圖包括如下步驟：
[0039]步驟1，設置高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1參數
[0040] 參照圖6,高電子迀移率晶體管大信號模型EEHEMT1是一款用于描述器件特性的 模型。在模型的參數提取過程中，模型方程與參數提取技術是同時進行，這是為了保證方程 中的所有參數都可以通過測試數據進行提取。盡管該模型適用于參數自動提取技術，但是 其中依然包含了一些可以直接通過目測曲線得出的數據；與其他常用模型相比，增加了參 數的個數，但是擬合精度也同步得到了提高；由于模型中的表達式都是非多項式的形式，因 此該模型不存在局限性，可以在很大的動態(tài)范圍內精確描述器件特性；在高電子迀移率晶 體管大信號模型EEHEMT1的等效電路中，Q為柵極寄生電容，C2為漏極寄生電容，C3為柵極 與漏極之間的相互作用形成的寄生電容；1^為柵極引線寄生電感，L2S漏極引線寄生電感，L3為源極引線寄生電