基于有源补偿子电路的GaN HEMT大信号模型改进方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种对GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信 号模型的构建方法，可用于对GaNHEMT器件的电路设计，更加精确地预测电路在大信号状 态下的工作时性能。 技术背景
[0002] 随着当今国防建设、通讯产业和航空航天技术的发展，对设备的射频系统提出了 越来越高的要求：小型化、耐高温、抗辐射、大功率、超高频、适合在恶劣环境下工作等。以 GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料和器件成为研究的热点，在未来的通讯和国防中，研 究和开发出可以工作在更高频率和具有更大功率的高性能半导体材料和器件具有十分重 要的意义。
[0003] 随着外延材料质量的不断提高，器件工艺的不断完善，AlGaN/GaNHEMT器件的发 展十分迅速。近年来，器件的特性指标飞速发展，尤其是AlGaN/GaNHEMT器件的微波功率 特性，器件的输出功率和功率密度都得到大幅度的提高。除制造工艺技术和器件特性外， AlGaN/GaNHEMT的建模工作也一直是人们研究的重点。由于在射频微波领域的突出应用， AlGaN/GaNHEMT器件模型研究一直是器件研究领域的一个重要组成部分。器件模型包括小 信号模型和大信号模型。对于小信号，不论国内还是国外，小信号建模的工作都取得了一定 的进展，其中S参数法应用得最为广泛。而大信号建模历来都是微波功率器件分析的难点 所在。而且AlGaN/GaNHEMT大信号模型绝大部分都是建立在GaAs材料基础上，并且基本 都是套用MESFET相关模型，没有考虑GaN材料与GaAs材料之间的差异，这样器件模型会有 一定误差。
[0004] 常用的GaNHEMT器件模型通常可分为经验解析模型和表格基模型两类。
[0005] -、经验解析模型，也叫等效电路模型，即针对实际工艺制作的不同器件，采用相 应的测试和参数提取技术，用参数拟合和优化方法得出制作单片电路所需的各种器件模 型，其优点是函数关系和算法简单，非常适合于宽带大信号射频放大器。但这些模型都需要 提取一定量的拟合参数，且模型精度越高，所需拟合的参量就越多，因而增加了算法的复杂 度。
[0006] 二、表格基模型，也称数据基模型，是建立在大量测试基础上的模型，因为它是器 件电参数的真实反映，与工艺线的结合更加紧密，与实际的器件特性更加接近。但表格基模 型的灵活性和实用性要比经验解析模型差，对于大栅宽器件需要更多的公式和测量更多的 数据，降低了其伸缩性并加大了统计平均模型的难度。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种基于有源补偿子电路的GaNHEMT器件大信号模型改 进方法，以解决上述现有GaNHEMT器件模型的不足，实现对器件kink效应区域和自热效应 区域的精确仿真，使得器件在大信号工作模式下静态工作点的确定和电路工作效率的预测 更加准确。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] (1)对所用器件进行测量，并将测量数据通过拟合得到高电子迀移率晶体管大信 号模型EEHEMT1的参数；
[0010] (2)将所用器件测量得到的直流DCI-V输出曲线写入到一个电流源内；
[0011] (3)将所述EEHEM1大信号等效电路模型与电流源进行并联，组成有源补偿核，分 别在有源补偿核的源极、栅极和漏极三个电极各串联一个电感，用来阻挡交流信号，同时在 有源补偿核的栅极和漏极各串联一个直流源，用来提供直流功率，构成有源补偿子电路，该 有源补偿子电路的漏源电流Ids_to_hS:
[001 2] Ids-branch(Vds，Vgs) Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(Vds，Vgs) '
[0013] 其中IdsEEHEMT11为有源补偿子电路中高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1的 源漏电流，Ids__s_dS有源补偿子电路中包含直流DCI-V输出曲线数据的电流源的源漏电 流。
[0014] (4)在有源补偿子电路的源极串联一个电压源，形成一个源极电位可调的有源补 偿子电路，再将该源极电位可调的有源补偿子电路与所述EEHEMT1大信号等效电路模型并 联，即将该源极电位可调的有源补偿子电路的源极与所述EEHEMT1模型的漏极相连，将源 极电位可调的有源补偿子电路的漏极与所述EEHEMT1模型的源极相连，得到改进后GaN高 电子迀移率晶体管HEMT大信号模型，该改进后的GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信号模 型源漏电流Ids表示为：
[0015] Ids(Vds，Vgs) -Ids-EEHEMT1-2(Vds，Vgs)_(Ids-EEHEMT1-1(Vds，Vgs)Ids-measured(vds，vgs))，
[0016] 其中，IdsEEHEMT11为有源补偿子电路中高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1的 源漏电流，Ids__s_d为含有直流DCI-V输出曲线数据的电流源的源漏电流，IdsEEHEMT12为与 源极电位可调的有源补偿子电路相并联的高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1的源 漏电流，Vds为改进后的GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信号模型的源漏电压，Vgs为改进 后的GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信号模型的栅源电压。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1)本发明将等效电路模型和表格基模型相结合，建立的GaN高电子迀移率晶体管 HEMT大信号模型，既具有等效电路模型的灵活性与实用性，又具有表格基模型的真实性；
[0019] 2)本发明通过有源补偿子电路对原始GaN高电子迀移率大信号模型的源漏电流 进行修正，使得改进后模型的直流DCI-V仿真曲线与测试曲线实现零误差的拟合，成功解 决了现有模型无法对GaN高电子迀移率晶体管HEMT表现处的kink效应和自热效益同时精 确拟合的缺点，降低了对原始大信号模型直流DCI-V曲线建模精度的要求，减少了建模时 优化的步骤，节省了建模所需的时间，同时提高了模型仿真的精度；
[0020] 3)本发明在有源补偿子电路的三个电极串联三个理想电感，隔离了交流信号，因 此有源补偿子电路不会对原始大信号模型的交流性能产生影响；
[0021] 4)使用本发明建立的GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信号模型，在电路设计阶段 能对器件静态工作点和电路的效率能做出更为准确的预测，在实际电路设计中更加简单、 准确和实用。
【附图说明】
[0022] 图1为现有的AlGaN/GaNHEMT器件结构示意图；
[0023] 图2为本发明对图1建模的主流程图；
[0024] 图3为本发明中提取高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1参数的子流程图；
[0025] 图4为本发明中提取图1寄生电容的开路结构图；
[0026] 图5为本发明中提取图1寄生电容和寄生电阻的短路结构图；
[0027] 图6为现有高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1的等效原理图；
[0028] 图7为本发明为改进电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1而增设的有源补偿子 电路的原理图；
[0029] 图8为本发明改进后的高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1电路原理图；
[0030] 图9为图7有源补偿子电路的直流DC I-V曲线图；
[0031] 图10为改进前、后高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1的直流DC I-V仿真 曲线与实际器件的直流DC I-V测试曲线对比图；
[0032] 图11为用本发明改进后的高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1仿真得到的 转移曲线和跨导曲线与实际器件测试得到的转移曲线和跨导曲线的对比图；
[0033]图12为改进前、后的高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1散射参数仿真曲线 与实际器件散射参数测试曲线对比图；
[0034] 图13为在最佳偏置点下改进前后的高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1性 能仿真曲线与实际器件的性能测试曲线随输入信号变化的对比图。 具体实施方案
[0035] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0036] 本实例以AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管HEMT器件为例，建立通过有源补偿子电 路改进的GaN高电子迀移率晶体管HEMT大信号模型。
[0037] 参照图1，AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管HEMT器件，其自下而上包括2英寸的 4H_SiC衬底、100nm厚A1N成核层、1. 6um厚的GaN缓冲层、lnm的A1N插入层、20nm厚非掺杂 AlGaN势皇层、60nmSiN钝化层、Ti/Al/Ni/Au欧姆源电极和欧姆漏电极、Ni/Au/Ni肖特基 栅，其中栅宽为l〇X125um，，栅长为0· 4um，栅-栅、栅-源、栅-漏间距分别为40um、0. 7um 和 2. 8um〇
[0038]参照图2，本发明对图1建模的主流程图包括如下步骤：
[0039]步骤1，设置高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1参数
[0040] 参照图6,高电子迀移率晶体管大信号模型EEHEMT1是一款用于描述器件特性的 模型。在模型的参数提取过程中，模型方程与参数提取技术是同时进行，这是为了保证方程 中的所有参数都可以通过测试数据进行提取。尽管该模型适用于参数自动提取技术，但是 其中依然包含了一些可以直接通过目测曲线得出的数据；与其他常用模型相比，增加了参 数的个数，但是拟合精度也同步得到了提高；由于模型中的表达式都是非多项式的形式，因 此该模型不存在局限性，可以在很大的动态范围内精确描述器件特性；在高电子迀移率晶 体管大信号模型EEHEMT1的等效电路中，Q为栅极寄生电容，C2为漏极寄生电容，C3为栅极 与漏极之间的相互作用形成的寄生电容；1^为栅极引线寄生电感，L2S漏极引线寄生电感，L3为源极引线寄生电