平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，涉及特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法技术领域。所述方法包括如下步骤：通过直流测试参数提取以及经验公式计算肖特基二极管的零偏结电容，在ADS模拟软件中建立起肖特基二极管的非线性结模型；在高频结构电磁场仿真软件中，建立完成所述肖特基二极管的三维电磁仿真结构模型；以非线性结模型和三维电磁仿真结构模型为基础，设计所需应用频率的倍频器模块；以测试数据修正已经建立的所述肖特基二极管的非线性结模型。所述方法利用基于测量的经验公式对模型进行描述，同时根据实际测试结果，修正其中的经验公式，因此模型更加精准。
【专利说明】
平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法
技术领域
[0001] 本发明设及特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方 法技术领域，尤其设及一种平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法。
【背景技术】
[0002] 广义太赫兹（THz)波是指频率在0.1 -IOTHz范围内的电磁波，其中ITHz = 1000 GHz。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，TOz技术是国际科技界公认的一个非常 重要的交叉前沿领域。
[0003] 目前国内外开展了很多利用平面GaAs倍频肖特基二极管开展太赫兹波段倍频源 的研究工作，倍频模块设计的关键在于肖特基二极管在太赫兹频段的模型，模型是工艺和 电路设计的桥梁，模型的正确与否关系到设计的成败，如何建立平面GaAs倍频二极管在太 赫兹频段的精准模型，成为了一个很重要的课题。
[0004] 自二十世纪九十年代W来，国内外对二极管精确建模从各个方面开展了大量的工 作，并采用了不同的方法对其进行研究，但在THz频段的研究还处于起步阶段。其分析方法 国际上提出的主要有W下3种：（1)基于测量的行为特性或线性理论的等效电路模型法， 特点是基于仪器测量的方式是通过提取的非线性参数来建立器件等效模型从而完成系统 电路的优化设计。基于测量的行为特性的等效电路模型法为非线性器件分析和设计提供了 一种快速且有效的方法;根据线性理论得到的等效电路模型，可W通过简单的结构，快速得 到器件各参数之间的变化规律。但是运些分析模型的求解依赖于不确定的参数，尤其在THz 频段由于测量仪器和测量方法的限制很难精确提取器件的非线性参数。运也就使得采用等 效电路建模的方式来实现THz频段器件的精确设计不切实际;若采用线性理论的等效电路 模型法无法精确地反应器件的行为特性。
[0005] (2)闭合经验公式法，其特点：闭合经验公式法是在半导体器件物理学、固体物理 学、量子物理学的基础上采用经典公式方法根据器件的物理结构对器件工作时的物理过程 进行推导，从而将获得的经验参数转化成非线性模型用于系统电路的优化设计。但是基于 传统的半导体器件物理基础推导经验闭合表达式的方程式在8毫米波频段很常见，运些分 析模型在^506化频段还算准确，但在更高频率它就不能准确的描述整个器件工作过程中 的复杂物理现象。尤其在THz频段量子效应贯穿其中，经验公式很不准确。
[0006] (3)二极管=维电磁模型分析法，其特点是二极管电磁=维模型建模是最新提出 的毫米波、T化非线性器件先进设计方法的重要组成部分。1998年，维吉尼亚大学J. L. 化Sler在其博±论文中首次提出了基于微探针的二极管=维建模方法，并在此基础上设 计了5856化混频器，双边带变频损耗达到7.3地，噪声溫度达23801(。2004年，8.化加1日3 在其博±论文中，开展了反向并联二极管=维建模研究，在模型中考虑了寄生参量的影响， 并设计了330G化分谐波混频器，其最小DSB转换损耗达到5.7地。目前J. L. Hesler所在 的VDI和B. Thomas所在的肝L实验室，均在毫米波/T化非线性器件研制上处于世界领 先地位。虽然二极管电磁S维模型分析方法是目前分析THz频段器件比较准确的一种方 法，但是仍不完善。J丄.Hesler的论文提出的基于微探针的二极管建模方法，解决了二极 管非线性结在模型中引入的问题，但模型中寄生参量默认为一定值；B. Thomas在 J丄.Hesler模型的基础上进行了改进，模型中考虑了寄生参量随频率变化的问题，但是仍 然忽略了二极管装配误差、二极管导电胶厚度、腔体加工误差等因素对二极管模型W及整 个电路模型的影响。国内加工工艺相对于国外先进水平仍有不少差距，工艺因素的影响不 可忽略，需要在模型中加 W考虑。
[0007] 倍频二极管和混频二极管的区别在于倍频二极管的阳极结个数更多，其目的是为 了承载更多的输入功率，由于倍频二极管注入的功率较大，二极管的自热效应比较严重，需 要在建立模型的时候考虑二极管的相关热效应。同时由于太赫兹频段很宽，需要分频段建 立平面GaAs倍频二极管的模型。但是既考虑二极管结的热电修正效应，又考虑倍频二极管 的=维电磁寄生模型，尤其是考虑到二极管的接地端口的匹配模型，尚未见到报道。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建 模方法，所述方法利用基于测量的经验公式对模型进行描述，同时根据实际测试结果，修正 其中的经验公式，因此模型更加精准。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种平面GaAs倍频二极管在 太赫兹频段的建模方法，其特征在于所述方法包括如下步骤： 1) 根据设计版图查看GaAs基倍频肖特基二极管的阳极直径，同时查看GaAs基倍频肖特 基二极管在实际流片测试过程中阳极尺寸大小，根据扫描电镜测试的尺寸结果，W及经验 公式计算所述肖特基二极管的零偏结电容； 2) 对加工完成的GaAs基倍频肖特基二极管进行直流测试，获得GaAs基倍频肖特基二极 管在直流测试中的电流电压数据，根据电流电压数据，结合零偏结电容的计算，在ADS模拟 软件中建立起肖特基二极管的非线性结模型； 3) 结合GaAs基倍频肖特基二极管的设计版图和加工工艺，在高频结构电磁场仿真软件 中，建立完成所述肖特基二极管的=维电磁仿真结构模型； 4) W步骤2)建立的所述二极管的非线性结模型和步骤3)建立的所述二极管的=维电 磁仿真结构模型为基础，设计所需应用频率的倍频器模块； 5) 对设计的倍频器进行测试，W测试数据修正已经建立的所述肖特基二极管的非线性 结模型，并使用修正后的二极管的非线性结模型结合步骤3)中的=维电磁仿真结构模型， 建立新的所需应用频率的倍频器模块。
[0010] 进一步的技术方案在于:所述步骤1)中具体的经验计算公式；
其中巧《代表零偏结电容，&代表GaAs材料的介电常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖 特基结的直径，啡代表耗尽层的宽度。
[0011] 进一步的技术方案在于:步骤2)中使用半导体参数测试仪4200来获得所述二极管 在直流测试中的电流电压数据。
[0012] 进一步的技术方案在于:步骤2)中通过直流测试，得到GaAs基倍频肖特基二极管 的串联电阻Rs，饱和电流Is, W及理想因子n，击穿电压W反向电流通过10微安时，所述肖特 基二极管两端的电压为击穿电压。
[0013] 进一步的技术方案在于:所述步骤3)中建立完成肖特基二极管的=维电磁模型， 需要考虑二极管在使用过程中的具体应用，并设置好参数提取所必须的波端口，波端口的 大小要大于阳极结的直径，阳极结波端口为同轴探针波端口，再加上步骤2)建立的肖特基 二极管非线性结模型，构建一个初步的GaAs基倍频肖特基二极管电路级模型。
[0014] 进一步的技术方案在于:步骤5)中在修正GaAs基倍频肖特基二极管非线性结模型 时，修正理想因子n、串联电阻RsW及口^1结电容。
[0015] 进一步的技术方案在于:所述模型的适用频率范围为IOOG化到500G化，其中可分 段建立GaAs基倍频肖特基二极管的模型。
[0016] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述方法是基于GaAs基倍频肖特基二 极管的实际材料结构、流片版图W及实际的工艺误差，对二极管进行精准的=维电磁模型 建立，并结利用基于测量的经验公式进行描述，同时根据实际测试结果，修正其中的经验公 式，因此模型更加精准。因太赫兹频段很宽，可W根据需要设计的倍频中屯、频率，W中屯、频 率为中屯、，分频段建立GaAs基倍频肖特基二极管的模型。此外，模型的建立过程考虑了热对 理想因子的影响，进一步提高了模型建立的准确性。
【附图说明】
[0017] 图1是一种四阳极结GaAs倍频肖特基二极管； 图2是倒装焊接在石英基板上的肖特基二极管； 图3是倍频二极管波端口设置_输入波端口； 图4是倍频二极管波端口设置_接地端波端口； 图5是倍频二极管波波端口设置_阳极结波端口 图6是初步建立的电路级二极管模型； 图7是修正后的电路级二极管模型； 其中：1、阳极2、第一波端口 3、第二波端口 4、第=波端口 5、第一输入端口 6、第一 输出端口 7、第一接地端口 8、第二接地端口 9、参考地。
【具体实施方式】
[0018] 下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019] 在下面的描述中阐述了很多具体细节W便于充分理解本发明，但是本发明还可W 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可W在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0020] 本发明公开了一种平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，所述方法可W 通过W下几个步骤来完成，具体的W如附图1所示具有四个肖特基结的倍频二极管进行说 明。
[0021] 第一步，需要根据设计版图查看GaAs基倍频肖特基二极管的阳极直径，同时查看 GaAs基倍频肖特基二极管在实际流片测试过程中阳极尺寸大小，根据扫描电镜测试的尺寸 结果，根据经验公式计算肖特基二极管的零偏结电容。 具体的计算公式^
其中巧《代表零偏结电容，&代表GaAs材料的介电 常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖特基结的直径，吨代表耗尽层的宽度。W肖特基二 极管外延层渗杂浓度为2el7cnf3为例，假设阳极直径为2微米，其零偏结电容的大小约为 6.8fF。
[0022] 第二步，对加工完成的GaAs基倍频肖特基二极管进行直流测试，可W基于半导体 参数测试仪4200来获得GaAs基倍频肖特基二极管在直流测试中的电流电压数据。
[0023] 通过直流测试，可W得至化aAs基倍频肖特基二极管的串联电阻Rs,饱和电流Is, W 及理想因子n，对于GaAs基倍频肖特基二极管，其击穿电压也是一个很关键的数值，击穿电 压W反向电流通过10微安时，肖特基二极管两端的电压为击穿电压。W肖特基二极管外延 层渗杂浓度2el7cnf3为例，假设阳极直径为2微米，其串联电阻的大小Rs-般为1.5到5欧姆， 饱和电流IS-般为10到1 OOf A，n值在1.1到1.3之间。
[0024] 根据I-V(电流-电压)测试，结合结电容的计算，可W在ADS中建立起肖特基二极管 的非线性结模型。其中Is值，W测试得到的数据为准。而理想因子、串联电阻Rs和零偏置结 电容，只是一个初值，并不是精准模型的最终值。运是由于在倍频过程中，肖特基二极管会 产生较强的自热效应，而理想因子受热会有变化。串联电阻在直流测试当中的数值，由于其 不能反映高频下的趋肤效应，串联电阻Rs会有所增加。
[0025] 第S步，结合GaAs基倍频肖特基二极管的设计版图和加工工艺，在高频结构电磁 场仿真软件中建立起GaAs基倍频肖特基二极管的高频仿真结构模型。建立完成肖特基二极 管的=维电磁模型，需要考虑二极管在使用过程中的具体应用，建立如附图2所示倒装焊接 在石英电路上的=维电磁仿真模型，并设置好参数提取所必须的波端口，波导口的设置如 图3-图5所示。
[0026] W四个阳极结的肖特基二极管进行为例说明，最终需要在电路软件中提取一个S 参数包，S参数包的端口个数为8个，主要是包括输入输出波端口，接地端两个波端口 W及四 个阳极结波端口。本发明提出建立阳极结个数加四个的波端口设置，如果肖特基二极管的 阳极结个数为6个，则需要建立10个波端口用于提取所需的寄生参量。具体的输入波端口如 附图3所示，输出波导口为附图3所示平面的对面(附图3所示长方体的另一个平行面）。两个 接地端波端口为附图4所示的波端口 3W及所示波导口 3平面的对面。附图5为倍频二极管阳 极结波端口，阳极结波端口为4个，具体的波端口设置位置与附图1中的阳极结区域相同。波 端口的大小要稍微大于阳极结的直径。阳极结波端口为同轴探针波端口。再加上第一步建 立的肖特基二极管非线性结模型，就可W构建一个初步的GaAs基倍频肖特基二极管电路级 模型，建立的初步电路级模型如附图6所示。
[0027] 第四步，W第二步建立的非线性二极管结模型和第=步建立的二极管=维电磁模 型为基础，设计一款所需应用频率的倍频器模块，W倍频器的测试数据修正已经建立的倍 频二极管模型。
[0028] 第五步，如附图7所示，修正建立的GaAs基倍频肖特基二极管模型。主要是修正 GaAs基倍频肖特基二极管非线性结的结模型，修正理想因子、串联电阻W及结电容。W第四 步的测试数据为基础，通过修正理想因子、串联电阻W及结电容，由于是倍频过程中会产生 热效应，理想因子会降低，因此修正的理想因子会小于直流测试得到的理想因子。由于高频 趋肤效应，修正后的串联电子会大于直流测试得到的串联电阻。结电容应该在计算值周围 大约5fF的变化范围内进行优化。修正后的二极管结非线性模型结合=维电磁模型，使得模 拟仿真的倍频器数据和实际测试数据相吻合。认为修正后的模型即为二极管在该应用频段 的准确模型。
[0029] 考虑到太赫兹频段范围较宽，本模型的适用频率范围为IOOG化到500G化。其中可 W分段建立GaAs基倍频肖特基二极管的模型，具体可W根据要设计的中屯、频率进行分段建 立。例如可W W1OOG化-170G化建立一个模型；170GHZ-220G化建立一段模型。
[0030] 基于该方法建立的GaAs基倍频肖特基二极管的模型，由于考虑了二极管的S维寄 生参量模型，同时=维模型的建立根据实际版图和流片的测试结果，寄生参量的提取非常 准，由于考虑了倍频二极管过程中产生的自热效应，修正了二极管的非线性结模型，建立的 模型很准确。
【主权项】
1. 一种平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于所述方法包括如下 步骤： 1) 根据设计版图查看GaAs基倍频肖特基二极管的阳极直径，同时查看GaAs基倍频肖特 基二极管在实际流片测试过程中阳极尺寸大小，根据扫描电镜测试的尺寸结果，以及经验 公式计算所述肖特基二极管的零偏结电容； 2) 对加工完成的GaAs基倍频肖特基二极管进行直流测试，获得GaAs基倍频肖特基二极 管在直流测试中的电流电压数据，根据电流电压数据，结合零偏结电容的计算，在ADS模拟 软件中建立起肖特基二极管的非线性结模型； 3) 结合GaAs基倍频肖特基二极管的设计版图和加工工艺，在高频结构电磁场仿真软件 中，建立完成所述肖特基二极管的三维电磁仿真结构模型； 4) 以步骤2)建立的所述二极管的非线性结模型和步骤3)建立的所述二极管的三维电 磁仿真结构模型为基础，设计所需应用频率的倍频器模块； 5) 对设计的倍频器进行测试，以测试数据修正已经建立的所述肖特基二极管的非线性 结模型，并使用修正后的二极管的非线性结模型结合步骤3)中的三维电磁仿真结构模型， 建立新的所需应用频率的倍频器模块。2. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于： 所述步骤1)中具体的经验计算公式：其中^代表零偏结电容，&代 表GaAs材料的介电常数，A代表肖特基结的结面积，D代表肖特基结的直径，％代表耗尽层的 宽度。3. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于:步 骤2)中使用半导体参数测试仪4200来获得所述二极管在直流测试中的电流电压数据。4. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于:步 骤2)中通过直流测试，得到GaAs基倍频肖特基二极管的串联电阻Rs，饱和电流Is，以及理想 因子n，击穿电压以反向电流通过10微安时，所述肖特基二极管两端的电压为击穿电压。5. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于:所 述步骤3)中建立完成肖特基二极管的三维电磁模型，需要考虑二极管在使用过程中的具体 应用，并设置好参数提取所必须的波端口，波端口的大小要大于阳极结的直径，阳极结波端 口为同轴探针波端口，再加上步骤2)建立的肖特基二极管非线性结模型，构建一个初步的 GaAs基倍频肖特基二极管电路级模型。6. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于:步 骤5)中在修正GaAs基倍频肖特基二极管非线性结模型时，修正理想因子n、串联电阻Rs以及 结电容。7. 如权利要求1所述的平面GaAs倍频二极管在太赫兹频段的建模方法，其特征在于:所 述模型的适用频率范围为IOOGHz到500GHz，其中可分段建立GaAs基倍频肖特基二极管的模 型。
【文档编号】G06F17/50GK106023306SQ201610348058
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】王俊龙, 冯志红, 杨大宝, 邢东, 梁士雄, 张立森, 赵向阳
【申请人】中国电子科技集团公司第十三研究所