基于GaN工艺的HEMT晶体管电荷模型建立及萃取方法与流程

基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立及萃取方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立及萃取方法。


背景技术：

2.在gan hemt mmic设计中，准确的gan hemt器件模型是保证实际流片的芯片特性达到设计指标的重要保障。因此基于gan hemt工艺的晶体管器件模型需要能够表征出真实器件的直流特性和交流特性。所以在模型中除了需要引入寄生的电阻电容效应之外，还需要包括电流模型和电荷模型，如图1所示为等效电路图。
3.目前，紧凑型模型联盟(cmc)推出的用于氮化镓器件的先进spice模型(asm)，能够应用在非线性电荷的描述上，但asm模型仅适用于在单个漏极电压上的使用，具体模型为：该asm模型的仿真结果如图2所示，图2中，横坐标表示栅源电压，带圆圈的曲线为实测的栅源电容，不带圆圈的曲线为asm模型的仿真栅源电容，多条曲线表示在不同漏源电压下实测的栅源电容或仿真栅源电容。从图可以看出，asm模型中栅源电容随着漏源电压增大的相关性和实际器件存在较大的差异。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立及萃取方法，所建立的晶体管电荷/电容模型能够支持基于gan工艺的hemt晶体管的电荷/电容描述，特别是沟道开启后栅源电容、栅源电压和漏源电压的关系描述，模型准确性得到了有效提高。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一方面，一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法，包括：
7.基于外部输入的栅极电压、漏极电势和源极电势，获得栅极沟道电压；
8.基于栅极电荷密度、栅极根数、栅极长度和单根栅极的宽度，获得栅极电荷；
9.基于漏极电势和源极电势，获得漏源电势差；
10.基于所述栅极沟道电压、栅极电荷和漏源电势差，建立用于表征晶体管器件开启后电荷值与漏源电压相关性的电荷模型；
11.对所述电荷模型的电荷值进行微分，建立用于表征栅源电容、栅源电压和漏源电压相关性的电容模型。
12.优选的，基于外部输入的栅极电压、漏极电势和源极电势，获得栅极沟道电压，具体如下：
[0013][0014]
其中，v
gm
表示栅极沟道电压；v
g0
表示外部输入的栅极电压；psid表示漏极电势；
psis表示源极电势。
[0015]
优选的，基于栅极电荷密度、栅极根数、栅极长度和单根栅极的宽度，获得栅极电荷，具体如下：
[0016]cgq
＝cg
×
wg×
nf
×
lg[0017]
其中，c
gq
表示栅极电荷；cg表示栅极电荷密度；wg表示单根栅极的宽度；nf表示栅极根数；lg表示栅极长度。
[0018]
优选的，基于漏极电势和源极电势，获得漏源电势差，具体如下：
[0019]
psids＝psid-psis
[0020]
其中，psids表示漏源电势差；psid表示漏极电势；psis表示源极电势。
[0021]
优选的，基于所述栅极沟道电压、栅极电荷和漏源电势差，获得用于表征晶体管器件开启后电荷值与漏源电压相关性的电荷模型，具体如下：
[0022][0023]
其中，qg表示电荷模型的电荷值；c
gp
表示栅极电荷；v
gm
表示栅极沟道电压；psids表示漏源电势差；v
tv
表示阈值电压；tanh表示双曲正切函数；λa表示第一电荷系数；λb表示第二电荷系数；vk表示膝点漏源电压；ln表示对数函数。
[0024]
另一方面，一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型参数萃取方法，包括：
[0025]
s501，获取晶体管的电容-电压特性的测试曲线；
[0026]
s502，确定晶体管电荷模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响电容-电压特性的变化趋势的模型参数，所述核心参数的标定值根据工艺/外延设定、基于经验计算公式而确定或通过对所述晶体管进行测试而确定；所述辅助参数为影响电容-电压特性的变化精度的模型参数；将辅助参数的经验初值设置为辅助参数的调节值；
[0027]
s503，将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述晶体管模型；
[0028]
s504，对所述晶体管模型的电荷值进行微分，获得对应的电容模型；
[0029]
s505，获取所述电容模型的电容-电压特性的仿真曲线；
[0030]
s506，判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否达到预设阈值；若是，执行s507；若否，执行s508；
[0031]
s507，将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
[0032]
s508，对辅助参数的调节值进行修改后，返回s503。
[0033]
优选的，所述核心参数包括电压核心参数和电荷核心参数；所述电压核心参数包括栅极沟道电压、漏源电势差和阈值电压；所述电荷核心参数包括栅极电荷；所述辅助参数包括第一电荷系数和第二电荷系数。
[0034]
优选的，所述晶体管的电荷模型，表示如下：
[0035][0036]
其中，qg表示电荷模型的电荷值；c
gp
表示栅极电荷；v
gm
表示栅极沟道电压；psids表示漏源电势差；v
tv
表示阈值电压；tanh表示双曲正切函数；λa表示第一电荷系数；λb表示第
二电荷系数；vk表示膝点漏源电压；ln表示对数函数。
[0037]
优选的，所述栅极沟道电压，表示如下：
[0038][0039]
其中，v
gm
表示栅极沟道电压；v
g0
表示外部输入的栅极电压；psid表示漏极电势；psis表示源极电势；
[0040]
所述栅极电荷，表示如下：
[0041]cgq
＝cg
×
wg×
nf
×
lg[0042]
其中，c
gq
表示栅极电荷；cg表示栅极电荷密度；wg表示单根栅极的宽度；nf表示栅极根数；lg表示栅极长度；
[0043]
所述漏源电势差，表示如下：
[0044]
psids＝psid-psis
[0045]
其中，psids表示漏源电势差。
[0046]
优选的，获取晶体管的电容-电压特性的测试曲线，具体包括：
[0047]
获取晶体管的二端口s参数矩阵；
[0048]
将所述二端口s参数矩阵转换成二端口y参数矩阵；
[0049]
基于所述二端口y参数矩阵获取晶体管器件的栅源电容，并建立栅源电容、栅源电压和漏源电压的测试曲线。
[0050]
本发明具有如下有益效果：
[0051]
(1)本发明一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法，所建立的晶体管电荷/电容模型能够支持基于gan工艺的hemt晶体管的电荷/电容描述，特别是沟道开启后栅源电容、栅源电压和漏源电压的关系描述，模型准确性得到了有效提高；
[0052]
(2)本发明一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型参数萃取方法，将晶体管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对电容-电压特性影响较小的辅助参数，采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。
[0053]
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法及模型参数萃取方法不局限于实施例。
附图说明
[0054]
图1为传统的基于gan工艺的hemt晶体管模型的等效电路；
[0055]
图2为传统的基于gan工艺的hemt晶体管电容模型的仿真曲线与测试曲线的比对图；
[0056]
图3为本发明的基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法的流程图；
[0057]
图4为本发明方法的电容模型的仿真曲线与测试曲线的比对图；
[0058]
图5为本发明的晶体管电荷模型参数萃取方法的流程图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
[0060]
参见图3所示，本发明一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法，包括：
[0061]
s301，基于外部输入的栅极电压、漏极电势和源极电势，获得栅极沟道电压；
[0062]
s302，基于栅极电荷密度、栅极根数、栅极长度和单根栅极的宽度，获得栅极电荷；
[0063]
s303，基于漏极电势和源极电势，获得漏源电势差；
[0064]
s304，基于所述栅极沟道电压、栅极电荷和漏源电势差，建立用于表征晶体管器件开启后电荷值与漏源电压相关性的电荷模型；
[0065]
s305，对所述电荷模型的电荷值进行微分，建立用于表征栅源电容、栅源电压和漏源电压相关性的电容模型。
[0066]
本实施例中，基于外部输入的栅极电压、漏极电势和源极电势，获得栅极沟道电压，具体如下：
[0067][0068]
其中，v
gm
表示栅极沟道电压；v
g0
表示外部输入的栅极电压；psid表示漏极电势；psis表示源极电势。
[0069]
具体的，所述v
g0
表示外部输入给晶体管的栅极电压。栅极沟道电压v
gm
、漏极电势psid和源极电势psis为根据hemt的工艺和/或外延设定的参数，或者栅极沟道电压v
gm
、漏极电势psid和源极电势psis基于经验计算公式而确定。
[0070]
本实施例中，基于栅极电荷密度、栅极根数、栅极长度和单根栅极的宽度，获得栅极电荷，具体如下：
[0071]cgq
＝cg
×
wg×
nf
×
lg[0072]
其中，c
gq
表示栅极电荷；cg表示栅极电荷密度；wg表示单根栅极的宽度；nf表示栅极根数；lg表示栅极长度。
[0073]
本实施例中，基于漏极电势和源极电势，获得漏源电势差，具体如下：
[0074]
psids＝psid-psis
[0075]
其中，psids表示漏源电势差。
[0076]
同上，漏极电势psid和源极电势psis为根据hemt的工艺和/或外延设定的参数，或者漏极电势psid和源极电势psis基于经验计算公式而确定。
[0077]
本实施例中，基于所述栅极沟道电压、栅极电荷和漏源电势差，获得用于表征晶体管器件开启后电荷值与漏源电压相关性的电荷模型，具体如下：
[0078][0079]
其中，qg表示电荷模型的电荷值；c
gp
表示栅极电荷；v
gm
表示栅极沟道电压；psids表示漏源电势差；v
tv
表示阈值电压；tanh表示双曲正切函数；λa表示第一电荷系数；λb表示第二电荷系数；vk表示膝点漏源电压；ln表示对数函数。
[0080]
具体的，栅极电荷c
gp
、栅极沟道电压v
gm
和漏源电势差psids为基于计算公式而确定的。阈值电压v
tv
为根据晶体管的工艺和/或外延设定的参数。膝点漏源电压是指hemt器件
线性工作区和饱和工作区的分界点。当器件偏置在小于膝点电压的情况下，工作在线性区；当器件偏置在大于膝点电压的情况下，工作在饱和区，所述膝点漏源电压可通过直流输出特性曲线获取。第一电荷系数λa和第二电荷系数λb需要通过仿真拟合校准方法进行标定。
[0081]
进一步的，对所述电荷模型的电荷值进行微分，即可建立用于表征栅源电容、栅源电压和漏源电压相关性的电容模型。对所述电荷模型的电荷值进行微分为常规的数学方法，具体的电容模型本实施例未给出。
[0082]
进一步的，依据上述方法建立好电荷模型和电容模型后，本发明模型与测试曲线的比对图参见图4(图中的c
gs
表示漏源电容，vg表示栅极电压，v
ds
表示漏源电压)所示。由对比图可知，本发明的模型可以较好的拟合由于漏源电压变化带来的相关性差异。
[0083]
本发明一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型建立方法，所建立的晶体管电荷/电容模型能够支持基于gan工艺的hemt晶体管的电荷/电容描述，特别是沟道开启后栅源电容、栅源电压和漏源电压的关系描述，模型准确性得到了有效提高。
[0084]
参见图5所示，一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型参数萃取方法，包括：
[0085]
s501，获取晶体管的电容-电压特性的测试曲线；
[0086]
s502，确定晶体管电荷模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响电容-电压特性的变化趋势的模型参数，所述核心参数的标定值根据工艺/外延设定、基于经验计算公式而确定或通过对所述晶体管进行测试而确定；所述辅助参数为影响电容-电压特性的变化精度的模型参数；将辅助参数的经验初值设置为辅助参数的调节值；
[0087]
s503，将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述晶体管模型；
[0088]
s504，对所述晶体管模型的电荷值进行微分，获得对应的电容模型；
[0089]
s505，获取所述电容模型的电容-电压特性的仿真曲线；
[0090]
s506，判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否达到预设阈值；若是，执行s507；若否，执行s508；
[0091]
s507，将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
[0092]
s508，对辅助参数的调节值进行修改后，返回s503。
[0093]
需要说明的是，每次调节值修改多少，可根据实际应用进行确定，本实施例不做具体限定。
[0094]
本实施例中，所述核心参数包括电压核心参数和电荷核心参数；所述电压核心参数包括栅极沟道电压、漏源电势差和阈值电压；所述电荷核心参数包括栅极电荷；所述辅助参数包括第一电荷系数和第二电荷系数。
[0095]
具体地，本技术所提供的晶体管电荷模型参数萃取方法，主要包括两类模型参数的确定：核心参数和辅助参数。其中，核心参数对晶体管的电容-电压特性的变化趋势起到主要的影响作用，当核心参数变化时将会影响整个电容-电压特性曲线的走向和走势；相对而言，辅助参数对电容-电压特性特性曲线的影响较小，辅助参数的变化将在小范围内影响电容-电压特性曲线的精度。
[0096]
鉴于核心参数与辅助参数的不同影响效果，本发明可先确定出核心参数的标定值，然后在确定了核心参数的基础上对辅助参数进行微调，直至基于晶体管电容模型得出
的仿真曲线与肖特基二级管的测试曲线基本一致，从而确定出辅助参数的标定值。
[0097]
本实施例中，所述晶体管的电荷模型，表示如下：
[0098][0099]
其中，qg表示电荷模型的电荷值；c
gp
表示栅极电荷；v
gm
表示栅极沟道电压；psids表示漏源电势差；v
tv
表示阈值电压；tanh表示双曲正切函数；λa表示第一电荷系数；λb表示第二电荷系数；vk表示膝点漏源电压；ln表示对数函数。
[0100]
优选的，所述栅极沟道电压，表示如下：
[0101][0102]
其中，v
gm
表示栅极沟道电压；v
g0
表示外部输入的栅极电压；psid表示漏极电势；psis表示源极电势；
[0103]
所述栅极电荷，表示如下：
[0104]cgq
＝cg
×
wg×
nf
×
lg[0105]
其中，c
gq
表示栅极电荷；cg表示栅极电荷密度；wg表示单根栅极的宽度；nf表示栅极根数；lg表示栅极长度；
[0106]
所述漏源电势差，表示如下：
[0107]
psids＝psid-psis
[0108]
其中，psids表示漏源电势差。
[0109]
具体的，所述v
g0
表示外部输入给晶体管的栅极电压。栅极沟道电压v
gm
、漏极电势psid和源极电势psis为根据hemt的工艺和/或外延设定的参数，或者栅极沟道电压v
gm
、漏极电势psid和源极电势psis基于经验计算公式而确定。对应的，栅极电荷c
gp
、栅极沟道电压v
gm
和漏源电势差psids为基于计算公式而确定的。阈值电压v
tv
为根据晶体管的工艺和/或外延设定的参数。膝点漏源电压是指hemt器件线性工作区和饱和工作区的分界点。当器件偏置在小于膝点电压的情况下，工作在线性区；当器件偏置在大于膝点电压的情况下，工作在饱和区，所述膝点漏源电压可通过直流输出特性曲线获取。第一电荷系数λa和第二电荷系数λb需要通过仿真拟合校准方法进行标定。
[0110]
进一步的，获取晶体管的电容-电压特性的测试曲线，具体包括：
[0111]
获取晶体管的二端口s参数矩阵；
[0112]
将所述二端口s参数矩阵转换成二端口y参数矩阵；
[0113]
基于所述二端口y参数矩阵获取晶体管器件的栅源电容，并建立栅源电容、栅源电压和漏源电压的测试曲线。
[0114]
具体的，将二端口s参数矩阵转换成二端口y参数矩阵的公式如下:
[0115]
[0116][0117][0118][0119]
该方法为现有技术，本实施例不再详细说明。
[0120]
进一步的，基于所述二端口y参数矩阵获取晶体管器件的栅源电容，公式如下：
[0121][0122]
本发明一种基于gan工艺的hemt晶体管电荷模型参数萃取方法，将晶体管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对电容-电压特性影响较小的辅助参数，采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。
[0123]
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
[0124]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。