一种GaNHEMT非线性噪声模型建立方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种GaN HEMT非线性噪声模型建立方法。

背景技术：

器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，在电路设计和工艺设计之间发挥着桥梁的作用。精确的器件模型显得越来越重要，这不仅会提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有非常高的二维电子气(2-DEG)浓度、高饱和电子迁移速度和高功率密度等优点，使得GaN HEMT器件在低噪声应用领域具有GaAs器件无法比拟的优势，例如：具有更好的线性特性，在相同的噪声系数下具有更高的动态范围；具有更大的宽带特性，适合做超宽带器件；能承受更高的烧毁输入功率，可以增加整机的抗干扰能力，简化前级保护电路。因此，GaN HEMT低噪声器件及其单片集成电路(MMIC)，已成为其在微波功率器件应用后的又一个热点。

GaN HEMT的噪声模型主要用于设计GaN微波低噪声放大器芯片。传统的噪声模型主要针对GaAs pHEMT或MESFET等器件类型，这类低噪声器件的输入信号功率一般不会太大，器件工作在线性区域，噪声模型基于小信号等效电路，无需描述器件非线性状态下的噪声特性。但GaN HEMT器件由于其独有的性能优势，在大功率输入的情况下，仍然能保持较好的噪声性能，因此可以被用于设计低噪声功率放大器。在这种应用场景下，GaN HEMT的噪声模型需要具备模拟器件在非线性状态下的噪声特性的能力，这是传统的器件噪声模型所没有的。

技术实现要素：

本发明实施例通过提供一种GaN HEMT非线性噪声模型的建立方法，解决了传统的线性噪声模型不能用于设计GaN HEMT低噪声功率放大器的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种GaN HEMT非线性噪声模型的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立GaN HEMT非线性等效电路模型；

S2、将所述GaN HEMT非线性等效电路模型中的本征区域引入噪声源后，获得三个噪声源的表达式；

S3、在不同漏源电流偏置条件下，获取GaN HEMT非线性等效电路模型中的沟道噪声系数随漏源电流的变化关系；

S4、根据所述沟道噪声系数随漏源电流的变化关系，获得完整的漏极噪声电流源随漏源电流变化的表达式，并根据在GaN HEMT非线性等效电路模型中引入三个噪声源，建立GaN HEMT非线性噪声模型。

进一步地，S1具体包括：

对GaN HEMT器件做去嵌入处理；

建立GaN HEMT器件的小信号等效电路模型，在多偏置条件下，分别提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数和本证参数；

根据所述小信号等效电路模型中的本征参数随偏置变化的数值，并结合I-V、C-V的测试数据，建立GaN HEMT的非线性等效电路模型。

进一步地，在S1之后，对GaN HEMT器件进行负载牵引测试，获得测试数据，将所述GaN HEMT的非线性等效电路模型嵌入电路仿真软件进行仿真模拟，获得模型仿真数据，对比所述模型仿真数据与测试数据，若对比吻合，确定所述GaN HEMT的非线性等效电路模型准确。

进一步地，对GaN HEMT器件做去嵌入处理，具体为：

对GaN HEMT器件采用开路结构和短路结构的方法做去嵌入处理。

进一步地，所述三个噪声源具体为表示栅极泄漏电流引起的散粒噪声电流源，漏极沟道噪声电流源，本征电阻产生的热噪声电压源。

进一步地，所述S3，具体包括：

将S2中获得的三个噪声源接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，并获得在预设偏置条件下的噪声模型；

将所述噪声模型嵌入电路仿真软件中进行仿真，模拟仿真获得GaN HEMT器件的噪声系数仿真值；

测试GaN HEMT器件在所述预设偏置条件下的噪声系数测试值；

将所述噪声系数仿真值与所述噪声系数测试值进行对比，提取沟道噪声系数的值，并获得所述沟道噪声系数随漏源电流变化的关系。

进一步地，在将S2中获得的三个噪声源接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，并获得在预设偏置条件下的噪声模型之后，还包括：

将所述噪声模型仿真的四个噪声参数的仿真值与GaN HEMT器件的测试值进行对比，若对比吻合，确定所述GaN HEMT的噪声模型准确。

进一步地，S4具体为：

根据S3中的沟道噪声系数随漏源电流的变化关系，按照经验规律，通过参数拟合的方式，获得沟道噪声系数随漏源电流变化的表达式；

根据获得的沟道噪声系数随漏源电流变化的表达式，获得完整的漏极噪声电流源随漏源电流变化的表达式；

将所述三个噪声源的表达式接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，获得GaN HEMT非线性噪声模型。

进一步地，在S4之后，还包括：将GaN HEMT非线性噪声模型的仿真数据与测试数据进行对比，在对比吻合时，确定所述GaN HEMT非线性噪声模型的准确。

采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

1、可以模拟GaN HEMT器件在非线性状态下的噪声特性，即器件的噪声参数随输入功率的变化，可用于设计GaN HEMT低噪声功率放大器。

2、基于50Ω噪声测试系统，无需昂贵的信号源阻抗协调器，并且模型参数提取简单。

3、引入栅极电流对GaN HEMT器件噪声性能的影响，模型精度更高。

附图说明

图1为本发明实施例中GaN HEMT非线性噪声模型的建立方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中小信号等效电路拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例中噪声等效电路结构示意图；

图4a-图4d为本发明实施例中GaN HEMT器件的四个噪声参数分别随频率的变化关系。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种GaN HEMT非线性噪声模型的建立方法，解决了传统的线性噪声模型不能用于设计GaN HEMT低噪声功率放大器的问题。

为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种GaN HEMT非线性噪声模型的建立方法，如图1所示，包括：S1，建立GaN HEMT非线性等效电路模型；S2，将GaN HEMT非线性等效电路模型中的本征区域引入噪声源后，获得三个噪声源的表达式；S3、在不同漏源电流偏置条件下，获取GaN HEMT非线性等效电路模型中的沟道噪声系数随漏源电流的变化关系；S4、根据沟道噪声系数随漏源电流的变化关系，获得完整的漏极噪声电流源随漏源电流变化的表达式，并根据在GaNHEMT非线性等效电路模型中引入三个噪声源，建立GaN HEMT非线性噪声模型。

在具体的实施方式中，S1具体包括：对GaN HEMT器件做去嵌入处理；建立GaN HEMT器件的小信号等效电路模型，在多偏置条件下，分别提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数和本证参数；根据小信号等效电路模型中的本征参数随偏置变化的数值，并结合I-V、C-V的测试数据，建立GaN HEMT的非线性等效电路模型。

具体地，为了模拟GaN HEMT的非线性特性，如增益压缩、效率、谐波等，需建立晶体管的非线性模型。该步骤中，以一个栅长为0.7μm，栅宽为150μm，Al组分为35％的GaN HEMT器件为实例，采用GaN HEMT非线性等效电路模型的建模流程，建立GaN HEMT非线性等效电路模型。

首先，对该GaN HEMT器件(测试结构)做去嵌入处理，由于在片测试时，校准通常仅能将测试参考面移动到视频探针端面，此时测得的数据包含了测试结构的影响，为了得到实际GaN HEMT的性能参数，需要对该测试器件做去嵌入处理，常用的去嵌入处理时采用开路结构和短路结构的方法，利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。

然后，GaN HEMT小信号等效电路模型是建立非线性等效电路模型的基础。本步骤中，建立GaN HEMT器件的小信号等效电路模型，选取含16个参数的小信号等效电路拓扑，其中有7个本征参数和9个寄生参数，这些参数在模型有效频率范围内都是不随频率变化的量。9个寄生参数为FET常规的寄生参数网络，包括栅极、漏极和源极的寄生电感、电容和电阻。该等效电路模型的拓扑结构示意图如图2所示，其中虚线框内的部分表示GaN HEMT的本征参数，ing和ind分别表示等效的栅极和漏极噪声电流源。

接着，根据上述中确定的GaN HEMT小信号等效电路模型，采用常规的cold-FET(冷场)和hot-FET(热场)测试方法，在多个偏置条件下，分别提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数和本征参数，外部寄生参数可以认为不随偏置条件而变化，而本征参数随偏置条件变化，为下一步骤建立GaNHEMT非线性模型做准备。其中，该GaN HEMT器件在漏源电压Vds＝5V，漏源电流Ids＝11mA的偏置条件下，计算得到GaN HEMT的16个小信号等效电路网络参数值如表下表所示：

最后，根据上述中提取的本征参数随偏置变化的数值，并结合直流I-V、C-V的测试数据(电流随电压的变化，电容随电压的变化)，可以建立GaNHEMT的非线性等效电路模型。所述非线性等效电路模型中最重要的两个非线性参量为漏极非线性电流Ids和栅极非线性电荷Qg。描述这两个非线性参量的模型公式很多，比较常用的如EE-HEMT模型和Angelov模型及基于它们的改进形式。本实例中选取的非线性模型公式为Angelov-GaN模型。

上述是建立GaN HEMT非线性等效电路模型的具体步骤，为了验证该GaNHEMT非线性等效电路模型的准确性，在S1之后，对GaN HEMT器件进行负载牵引测试，获得测试数据，将GaN HEMT的非线性等效电路模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)进行仿真模拟，获得模型仿真数据，对比该模型仿真数据与测试数据，若对比吻合，确定该GaN HEMT的非线性等效电路模型准确。

在S2中，需要获得GaN HEMT本征区域噪声源公式，将图2中GaN HEMT小信号等效电路拓扑的本征区域(即虚线框中的部分)，引入噪声源后的噪声等效电路如图3所示。模型中包含三个噪声源，分别为：表示栅极泄漏电流引起的散粒噪声电流源igL，漏极沟道噪声电流源ic，本征电阻Ri产生的热噪声电压源υnRi。相比于传统的晶体管噪声等效电路模型，本发明提出的模型，由本征电阻Ri的热噪声电压源υnRi替代传统模型中的感应栅极噪声电流源，引入了栅极泄漏电流对噪声的影响，并且忽略了噪声源之间的相关性，简化了模型的复杂度。需要说明的是，实际上栅极泄漏电流IgL由两部分组成，分别为栅源泄漏电流Igs和栅漏泄漏电流Igd(IgL＝Igs+Igd)，但由于在噪声等效电路中，IgL置于栅源之间或者栅漏之间对最终的器件噪声的影响是一样的，因此在下面的实例中，都采用IgL置于栅源间的形式。

由散粒噪声电流的相关理论，可以得到栅极泄漏电流IgL产生的散粒噪声表达式为：

本实例中，该GaN HEMT器件在漏源电压Vds＝5V，漏源电流Ids＝11mA的偏置条件下，测试得到的IgL＝22μA。

本征电阻Ri产生的热噪声电压源的均方值为：

为了合理的简化模型，在保证模型精度的前提下，式(2)中认为Ri产生的热噪声电压源不随漏源偏置电流变化。

另外，为了方便嵌入到GaN HEMT非线性等效电路模型中，将代表沟道噪声的漏极噪声电流源直接表示为与漏源电流Ids相关的表达式：

其中，q为电子电量常数，α是一个与偏置电流相关的噪声模型参数，将其命名为沟道噪声系数，将在S3中根据GaN HEMT在50Ω源阻抗条件下的噪声系数测试数据计算其值。

在获得三个噪声源表达式之后，执行S3。

具体地，S3具体包括：将S2中获得的三个噪声源接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，并获得在预设偏置条件下的噪声模型；将该噪声模型嵌入电路仿真软件中进行仿真，模拟仿真获得GaN HEMT器件的噪声系数仿真值；测试GaN HEMT器件在预设偏置条件下的噪声系数测试值；将噪声系数仿真值与噪声系数测试值进行对比，提取沟道噪声系数的值，并获得沟道噪声系数随漏源电流变化的关系。

首先将三个噪声源公式按照图3所示的端口对应关系，接入S1中得到的GaN HEMT非线性等效电路模型中，从而得到某一偏置条件下的GaN HEMT噪声模型，然后将该GaN HEMT噪声模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)进行仿真，模拟GaN HEMT器件的直流和噪声特性，其中，沟道噪声系数α是一个随偏置电流Ids变化的量，可以通过噪声系数测试数据来确定。

在50Ω源阻抗条件下，采用噪声系数分析仪或矢量网络分析仪，测试本实例中的GaN HEMT器件在各个漏源电流Ids偏置点下的噪声系数NF50，并与上述GaN HEMT噪声模型在相同偏置点下的噪声系数NF50仿真值进行对比，提取沟道噪声系数的值，得到随Ids变化的关系。

为了验证该噪声模型的准确性，将该噪声模型仿真的四个噪声参数的仿真值与GaNHEMT器件的测试值进行对比，若对比吻合，确定该GaN HEMT的噪声模型准确。

具体地，为了验证本方法提出的噪声模型的准确性，将模型仿真的四个噪声参数与测试值进行对比，分别为最小噪声系数NFmin、等效噪声阻抗Rn、最佳噪声源电导Gopt和最佳噪声源电纳Bopt，图4a-图4d中的Γopt表示最佳源反射系数。在漏源电压Vds＝5V，漏源电流Ids＝11mA的偏置条件下，该GaN HEMT器件的噪声参数随频率的变化关系，如图4a-图4d所示，图中符号表示该GaNHEMT器件的噪声测试数据(由传统的基于阻抗调谐器的测试方法得到)，实线表示本实例的噪声等效电路模型的仿真值，可以看出两者吻合良好，证明本发明提供的GaNHEMT噪声模型具有较高的精度。

在获得该沟道噪声系数随漏源电流变化的关系之后，执行S4。

具体地，根据S3中的沟道噪声系数随漏源电流的变化关系，按照经验规律，通过参数拟合的方式，获得沟道噪声系数随漏源电流变化的表达式；根据获得的沟道噪声系数随漏源电流变化的表达式，获得完整的漏极噪声电流源随漏源电流变化的表达式；将三个噪声源的表达式接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，获得GaNHEMT非线性噪声模型。

首先，根据S3得到的沟道噪声参数α随Ids变化的关系，建立经验公式，通过参数拟合的方式，得到α随漏源电流Ids变化的表达式。通过观察，发现α随Ids变化满足双曲正切函数tanh的变化规律，因此采用式(4)中的经验公式来表示α随Ids变化的关系。

α＝a1-a2·[tanh(a3·Ids)+tanh(a4·Ids)] (4)

其中，a1至a4为拟合参数。

将式(4)带入式(3)后，得到完整的漏极噪声电流源随Ids变化的表达式。最后，将三个噪声源表达式，按照S3中相同的方式，接入GaN HEMT非线性等效电路模型中，得到GaN HEMT非线性噪声模型。该非线性噪声模型在原有的Angelov-GaN非线性等效电路模型的功能基础上，加入了模拟GaNHEMT器件噪声特性的功能，例如，可以模拟器件的噪声参数随偏置电流或输入功率变化的关系。

最后，对获得的GaN HEMT非线性噪声模型进行验证，获得准确性。就是将GaN HEMT非线性噪声模型的仿真数据与测试数据进行对比，在对比吻合时，确定该GaN HEMT非线性噪声模型准确。

具体地，将S4中得到的GaN HEMT非线性噪声模型嵌入电路仿真软件中进行仿真，模拟不同偏置条件以及不同输入功率条件下的噪声特性，并与相同条件下器件的噪声参数测试数据进行对比。从结果来看，两者吻合良好，证明本发明提供的GaN HEMT非线性噪声模型具有较高的精度，可用于设计GaNHEMT低噪声功率放大器。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。