AlGaN/GaNHEMT小信号模型及其参数的提取方法与流程

本发明涉及集成电路
技术领域：
，特别是涉及AlGaN/GaNHEMT小信号模型及其参数的提取方法。
背景技术：
：微波器件和电路是当今半导体技术的重要发展方向，在国防领域和民用领域均有广泛应用。随着通信技术的发展，微波器件及其电路的重要性日益提高。基于AlGaN/GaNHEMTs器件的微波单片集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit，MMIC)已经达到了良好的性能指标。AlGaN/GaNHEMT其以工作频率高、功率密度大、功率附加效率高、线性度好、输入阻抗高、易匹配、耐高温等明显优势在微波电路中得到广泛应用。AlGaN/GaNHEMTs器件的微波单片集成电路的设计，诸如放大器、振荡器和混频器等，都需要准确的器件模型，从而离不开器件的建模。器件建模在微波集成电路(MMIC)的设计过程中至关重要，有助于对设计的电路进行快速、精确、灵活的仿真。现如今，提出了很多等效电路模型及模型参数的提取方法以方便于对器件的模拟仿真，其中Dambrine提出的模型最为经典，等效电路模型如图1所示，虚线框内的参数为器件的本征参数，包括跨导，沟道导通电阻，栅源电容等，本征参数随着器件偏置电压的不同而变化。虚线框外的参数为寄生参数，包括寄生电感，交互电容和接触电阻，寄生参数由器件栅极、源极和漏极的电极引起，不随器件偏置电压的不同而变化。虽然Dambrine模型非常经典，且有成熟的参数的提取方法，但是由于AlGaN/GaNHEMT器件广泛应用于高频领域，当器件工作于很高的频率下时，器件尺寸可以和波长相比拟，栅源和栅漏金属电极相当于共面波导传输线，其共面波导电容对器件在高频工作下的影响非常大，传统的小信号模型不能很好的表征器件在高频下的工作状态和器件特性。技术实现要素：基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够在高频条件工作下，且能准确反映器件的工作状态，提供小信号模型准确率的AlGaN/GaNHEMT小信号模型及模型参数的提取方法。一种AlGaN/GaNHEMT小信号模型，包括本征单元和寄生单元，其中，所述寄生单元包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容所述本征单元的第一端与栅极端连接，所述本征单元的第二端与所述漏极端连，所述本征单元的第三端与源极端连接；所述第一共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第二端之间。上述AlGaN/GaNHEMT小信号模型，在传统的AlGaN/GaNHEMT小信号模型的基础上，在寄生单元中增设了栅源之间的第一共面波导电容和栅漏之间的第二共面波导电容由于AlGaN/GaNHEMT器件与共面波导器件的结构有着相似之处，在高频条件下，引入第一共面波导电容和第二共面波导电容也即，考虑了AlGaN/GaNHEMT器件的共面波导效应会引入额外寄生电容，可以更精准的反映AlGaN/GaNHEMT器件的工作状态和器件特性，提高了器件模型准确率。在其中一个实施例中，所述寄生单元还包括栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld、栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd、栅极PAD寄生电容Cpg、漏极PAD寄生电容Cpd；所述本征单元的第一端经所述栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg与所述栅极端连接；所述本征单元的第二端经所述漏极寄生电阻Ld、漏极寄生电感Rd与所述漏极端连接；所述本征单元的第三端经所述源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与所述源极端连接；所述第一共面波导电容的第一端与所述栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电阻Rg的公共端连接；所述第一共面波导的第二端与所述源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls的公共端连接；所述第二共面波导电容的第一端与所述第一共面波导电容的第一端连接；所述第二共面波导电容的第二端与所述漏极寄生电阻Ld、漏极寄生电感Rd的公共端连接；所述栅极PAD寄生电容Cpg串接在栅极端与源极端之间，所述漏极PAD寄生电容Cpd串接在漏极端与源极端之间。在其中一个实施例中，所述本征单元包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd以及跨导gm；其中，所述栅源本征电容Cgs、本征沟道电阻Ri串联后与所述栅源泄漏电阻Rfs并联构成第一并联电路，所述第一并联电路的第一端为所述本征单元的第一端，所述第一并联电路的第二端接地；所述栅漏本征电容Cgd与所述栅漏泄漏电阻Rfd并联后与所述栅漏电阻Rgd串联，且所述栅漏本征电容Cgd远离所述栅漏电阻Rgd的一端与所述第一并联电路的第一端连接；所述跨导gm、漏源电阻Rds、漏源本征电容Cds并联，构成第二并联电路，所述第二并联电路的第一端与所述栅漏电阻Rgd连接，并作为所述本征单元的第二端；所述第二并联电路的第二端接地。此外，还提供一种AlGaN/GaNHEMT小信号模型参数的提取方法，包括：在第一条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，并将所述S参数转换为Y参数，根据所述Y参数获取寄生电容，所述寄生电容包括：栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容栅极PAD寄生电容Cpg以及漏极PAD寄生电容Cpd，其中，所述第一共面波导电容的容值大于漏极PAD寄生电容Cpd的容值；在第二条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，将所述S参数转换为Z参数，并根据所述Z参数的实部获取寄生电阻，所述寄生电阻包括：栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd；根据所述Z参数的虚部获取寄生电感，所述寄生电感包括：栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld；在第三条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，对S参数去嵌得到本征Y参数，根据所述本振Y参数获取本征参数，所述本征参数包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、跨导gm、跨导延迟因子τ、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd。在其中一个实施例中，所述第一条件为低频测试条件下，AlGaN/GaNHEMT器件的沟道完全断开，Vgs＜Vp、Vds＝0；所述第二条件为高频测试条件下，AlGaN/GaNHEMT器件的沟道导通，Vgs＝Vp、Vds＝0；所述第三条件为Vgs＜0V，Vds＞0的正向偏置条件；其中，Vgs表示栅源电压，Vp表示夹断电压，Vds表示源-漏电压。在其中一个实施例中，将所述S参数转换为Y参数，根据所述Y参数获取寄生电容的具体步骤包括：将所述S参数按下列公式转换为Y参数：其中，ω表示角频率，且Cgs＝Cgd，根数所述Y参数获取所述寄生电容。在其中一个实施例中，将所述S参数转换为Z参数，并根据所述Z参数的实部获取寄生电阻的具体步骤包括：将所述S参数按下列公式转换为Z参数：Z11＝Rs+Rg+Rj+1/2Rc+jω(Ls+Lg)Z12＝Z21＝Rs+1/2Rc+jωLsZ22＝Rs+Rd+Rc++jω(Ls+Ld)；其中，Rj表示栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs，Rc表示沟道电阻的总和，ω表示角频率；其中，器件处于截止区时，忽略Rj和Rc；根据所述Z参数的实部获取所述寄生电阻。在其中一个实施例中，所述方法还包括根据所述Z参数的虚部获取所述寄生电感。在其中一个实施例中，对S参数去嵌得到本征Y参数，根据所述本振Y参数获取本征参数的具体步骤包括：按下列公式对S参数去嵌得到本征Y参数：其中，ω表示角频率；根据所述本征Y参数的实部和虚部获取本征参数。在其中一个实施例中，所述方法还包括：验证所述AlGaN/GaNHEMT器件的S参数。附图说明图1为传统的HEMT等效电路模型图；图2为一实施例中AlGaN/GaNHEMT小信号模型的等效电路图；图3为一实施例中AlGaN/GaNHEMT器件示意图；图4为AlGaN/GaNHEMT器件的S参数谱图；图5为仿真AlGaN/GaNHEMT小信号模型的S参数谱图；图6为一实施例中AlGaN/GaNHEMT小信号模型参数的提取方法流程图；图7为一实施例中AlGaN/GaNHEMT器件沟道完全断开时的等效电路图；图8为一实施例中AlGaN/GaNHEMT器件沟道导通时的等效电路图。具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。如图2所示的为一实施例中AlGaN/GaNHEMT小信号模型的等效电路图；如图2所示的为AlGaN/GaNHETM小信号模型所对应的器件结构。后面的具体实例就是对采用这种器件结构的等效电路及提参方法进行的说明。AlGaN/GaNHEMT小信号模型包括本征单元110和寄生单元120，其中，所述寄生单元120包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容所述本征单元110的第一端a与栅极端连接，所述本征单元110的第二端b与所述漏极端连，所述本征单元110的第三端c与源极端连接；所述第一共面波导电容串接在所述本征单元110的第一端a与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元110的第一端a与第二端之间。上述AlGaN/GaNHEMT小信号模型，在传统的AlGaN/GaNHEMT小信号模型的基础上，在寄生单元120中增设了栅源之间的第一共面波导电容和栅漏之间的第二共面波导电容由于AlGaN/GaNHEMT器件与共面波导器件的结构有着相似之处，在高频条件下，引入第一共面波导电容和第二共面波导电容也即，考虑了AlGaN/GaNHEMT器件的共面波导效应会引入额外寄生电容，可以更精准的反映AlGaN/GaNHEMT器件的工作状态和器件特性，提高了器件模型准确率。在一实施例中，所述寄生单元120还包括栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld、栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd、栅极PAD寄生电容Cpg、漏极PAD寄生电容Cpd。所述本征单元110的第一端a经所述栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg与所述栅极端连接。所述本征单元110的第二端b经所述漏极寄生电阻Ld、漏极寄生电感Rd与所述漏极端连接。所述本征单元110的第三端c经所述源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与所述源极端连接。所述第一共面波导电容的第一端与所述栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电阻Rg的公共端连接，所述第一共面波导的第二端与所述源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls的公共端连接。所述第二共面波导电容的第一端与所述第一共面波导电容的第一端连接；所述第二共面波导电容的第二端与所述漏极寄生电阻Ld、漏极寄生电感Rd的公共端连接。所述栅极PAD寄生电容Cpg串接在栅极端与源极端之间，所述漏极PAD寄生电容Cpd串接在漏极端与源极端之间。在一实施例中，所述本征单元110包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd以及跨导gm。其中，所述栅源本征电容Cgs、本征沟道电阻Ri串联后与所述栅源泄漏电阻Rfs并联构成第一并联电路，所述第一并联电路的第一端为所述本征单元110的第一端a，所述第一并联电路的第二端接地。所述栅漏本征电容Cgd与所述栅漏泄漏电阻Rfd并联后与所述栅漏电阻Rgd串联，且所述栅漏本征电容Cgd远离栅漏电阻Rgd的一端与所述第一并联电路的第一端连接。所述跨导gm、漏源电阻Rds、漏源本征电容Cds并联，构成第二并联电路，所述第二并联电路的第一端与所述栅漏电阻Rgd连接，并作为所述本征单元110的第二端b；所述第二并联电路的第二端接地。在一实施例中，利用IC-CAP系统和探针台测量AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，如图4所示。当然，还可以利用测试架，在矢量网络分析仪中测量AlGaN/GaNHEMT器件的S参数。同时，将AlGaN/GaNHEMT小信号模型在ADS中仿真，通过仿真也可以得到AlGaN/GaNHEMT小信号模型的S参数，如图5所示。通过对比图4和图5，可以看出，测量的S参数和仿真的S参数基本一致，也即，当增设栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容之后的AlGaN/GaNHEMT小信号模块能够很准确地反映AlGaN/GaNHEMT器件的工作状态，相对与传统的小信号模块，其准确率大大提高了。一种AlGaN/GaNHEMT小信号模型参数的提取方法，提取方法主要是先通过测量AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，根据S参数，转换为Y参数、Z参数，进而提取与偏置无关的寄生电容、寄生电感和寄生电阻等寄生参数。其中，S参数称为散射参数；Y参数称为导纳参数；Z参数称为阻抗参数。然后，通过对热S参数中的寄生部分去嵌后提取本征参数。因而，本征参数提取的精确性直接依赖于寄生参数提取的精确性，所以寄生参数的提取精度显得尤为重要。在一实施例中，AlGaN/GaNHEMT小信号模型参数的提取方法具体包括如下步骤，参考图6：步骤S110：在第一条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，并将所述S参数转换为Y参数，根据所述Y参数获取寄生电容。所述寄生电容包括：栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容栅极PAD寄生电容Cpg以及漏极PAD寄生电容Cpd。栅极PAD寄生电容Cpg以及漏极PAD寄生电容Cpd主要是栅端、源端和漏端金属与衬底之间的寄生效应。其中，所述第一共面波导电容的容值大于漏极PAD寄生电容Cpd的容值。所述第一条件为低频测试，Vgs＜Vp、Vds＝0，其AlGaN/GaNHEMT器件的沟道完全断开。其中，Vgs表示栅源电压，Vp表示夹断电压，Vds表示源-漏电压。由于器件的沟道完全断开，因此可以忽略寄生电阻的作用，在低频测试条件下，由于寄生电感的电抗很小，可以忽略寄生电感的影响，其等效电路如图7所示，等效电路中只有寄生电容元件。将所述S参数按下列公式转换为Y参数：其中，ω表示角频率，由于AlGaN/GaNHEMT器件的对称性，可以近似的认为Cgs＝Cgd，由于栅极和源极的PAD形状和大小几乎相等，所以栅极PAD寄生电容Cpg与漏极PAD寄生电容Cpd相等。由于AlGaN/GaNHEMT器件的交感电容远大于PAD寄生电容，这里也可以认为第一共面波导电容远大于PAD寄生电容，可以近似认为：根据上述Y参数的虚部，就能分别计算出寄生电容的电容值。步骤S120：在第二条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，将所述S参数转换为Z参数，并根据所述Z参数的实部获取寄生电阻，所述寄生电阻包括：栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd。漏极寄生电阻Rd、源极寄生电阻Rs分别表征漏端和源端欧姆接触金属电阻，同时也包括扩散注入有源区的体电阻，栅极寄生电阻Rg主要是栅端肖特基栅金属带来的；所述寄生电阻Rg、Rd及Rs有时会随着偏置电压发生变化，但在小信号模型中通常认为其电阻值为常数。所述第二条件为高频测试条件下，Vgs＝Vp、Vds＝0，AlGaN/GaNHEMT器件的沟道导通；其中，Vgs表示栅源电压，Vp表示夹断电压，Vds表示源-漏电压。在高频测试条件下，本征电容可以忽略，器件导通，本征电阻很小，随着栅压升高，栅微分电阻越来越小从而可以忽略寄生栅电容的影响，得到如图8所示的等效电路图。将所述S参数按下列公式转换为Z参数：Z11＝Rs+Rg+Rj+1/2Rc+jω(Ls+Lg)Z12＝Z21＝Rs+1/2Rc+jωLsZ22＝Rs+Rd+Rc++jω(Ls+Ld)；其中，Rj表示栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs之和，Rc表示沟道电阻的总和。当器件处于截止区时，器件没有电流，可以忽略Rj和Rc，Z参数可以简化为：Z11＝Rs+Rg++jω(Ls+Lg)Z12＝Z21＝Rs++jωLsZ22＝Rs+Rd+jω(Ls+Ld)；根据所述Z参数的实部获取所述寄生电阻：Rg＝Re(Z11-Z12)Rd＝Re(Z22-Z12)Rs＝Re(Z12)＝Re(Z21)步骤S130：根据所述Z参数的虚部获取寄生电感，所述寄生电感包括：栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld。所述寄生电感Lg、Ld及Ls主要是栅端、漏端和源端处由器件表面的金属构成的寄生效应，所述寄生电感Lg、Ld及Ls对器件性能具有较大的影响，尤其是在高频条件下。根据所述Z参数的虚部获取所述寄生电感：Lg＝Im(Z11-Z12)/ωLd＝Im(Z22-Z12)/ωLs＝Im(Z12)/ω通过上述方法，可以获取AlGaN/GaNHEMT的寄生参数如表1所示。表1GaNHEMT器件共面波导模型的寄生参数虽然小信号模型的参数提取与理论计算的参数有一定得误差，其误差与测量S参数的误差有关，同时也与仿真优化相关。在测量S参数的时候也允许一定的误差，在提取参数时，通过近似处理。在ADS中仿真验证时，会将模型参数进行优化和调整，最终的模型参数以仿真后得到的参数为准。步骤S140：在第三条件下测试AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，对S参数去嵌得到本征Y参数，根据所述本振Y参数获取本征参数。所述本征参数包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、跨导gm、跨导延迟因子τ、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd。栅源本征电容Cgs可看成是空间电荷区为介质，在栅极与源极及栅极与沟道之间形成的电容之和；与之类似地，栅漏本征电容Cgd则是栅极与漏极及栅极与沟道之间形成的电容之和；漏源本征电容Cds用来表征源漏电极之间的耦合电容。跨导gm用来衡量输入栅源电压Vgs的变化在输出漏源电流Ids上的该变量，该物理参数给出了器件的内部增益，是衡量微波和毫米波应用时的重要器件指标。所述跨导延迟因子τ表征Vgs变化时栅下空间点何去的电荷由一个稳态重新分布到另一个稳态所需的时间；本征沟道电阻Ri为沟道与源极之间的电阻。所述第三条件为Vgs＜0V，Vds＞0的正向偏置条件；其中，Vgs表示栅源电压，Vp表示夹断电压，Vds表示源-漏电压。在一实施例中，在Vgs＝-2V，Vds＝4V条件下测量得到的S参数包含了寄生参数和本征参数，而在Vgs<Vp、Vds＝0和Vgs＝Vp、Vds＝0的条件下已经得到了寄生参数，通过S参数、Y参数、Z参数之间的转换，去嵌得到本征Y参数。按下列公式对S参数去嵌得到本征Y参数：其中，AlGaN/GaNHEMT器件中，栅源和栅漏间的传导电流情况可等效为在栅源和栅漏间存在一个肖特基二极管，栅电流在肖特基二极管中传导时所受到的阻碍用Gfs、Gfd表征，其中，显然，当所加栅电压大于二极管的开启电压时，肖特基二极管导通，Rgsf和Rgdf的值较小，而Ggsf和Ggdf的值较大。根据上述的本征Y参数的实部和虚部可以求出除了Gfs和Gfd以外的8个本征参数，参考表2。表2Vgs＝-2V，Vds＝4V时得到共面波导模型的本征参数Cgd/fF42.2Rds/kΩ49.8Cgs/fF99.3Rgd/Ω135.2Cds/fF22.3RiΩ20.6Rfd/kΩ53.5gm/mS28.2Rfs/kΩ165.3τ/ps0.4通过做Re(Y12i)～ω2的曲线可以求出Gfd，通过做Re(Y11i)～ω2的曲线，可以求出Gfs+Gfd，从而得到Gfs和Gfd的值。在一实施例中，所述方法还包括验证所述AlGaN/GaNHEMT器件的S参数的步骤。在一实施例中，利用IC-CAP系统和探针台测量AlGaN/GaNHEMT器件的S参数，如图4所示。当然，还可以利用测试架，在矢量网络分析仪中测量AlGaN/GaNHEMT器件的S参数。同时，将AlGaN/GaNHEMT小信号模型在ADS中仿真，频率范围为200MHz到50GHz，通过仿真也可以得到AlGaN/GaNHEMT小信号模型的S参数，如图5所示。通过对比图4和图5，可以看出，测量的S参数和仿真的S参数基本一致，也即，当增设栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容之后的AlGaN/GaNHEMT小信号模块能够很准确地反映AlGaN/GaNHEMT器件的工作状态，相对与传统的小信号模块，其准确率大大提高了。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3