一種基于片上測(cè)試系統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT器件大信號(hào)建模方法

史麗云， 沈 溧, 唐 旻， 高建軍

(1. 上海交通大學(xué) 高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電磁兼容研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240;2. 華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 上海 200241)

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一種基于片上測(cè)試系統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT器件大信號(hào)建模方法

史麗云1， 沈 溧2, 唐 旻1， 高建軍2

(1. 上海交通大學(xué) 高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電磁兼容研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240;2. 華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 上海 200241)

AlGaN/GaN材料是目前最吸引人的半導(dǎo)體材料之一。AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管 ( HEMT)器件的建模方法主要基于傳統(tǒng)的GaAs FET模型分析方法，未考慮材料本身的新特性。通過使用片上測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)值分析方法，提出了一種AlGaN/GaN HEMT器件的大信號(hào)模型，該模型中的寄生參數(shù)值可通過特殊測(cè)試結(jié)構(gòu)和數(shù)值優(yōu)化方法獲得，模型中的直流參數(shù)可以通過改進(jìn)傳統(tǒng)STATZ直流模型獲得，改進(jìn)后模型的直流參數(shù)隨著柵-源電壓的變化而變化，比傳統(tǒng)STATZ模型準(zhǔn)確度提高了約10%。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，在0.1～40 GHz的頻率范圍內(nèi)，模型參數(shù)提取結(jié)果與器件測(cè)量結(jié)果吻合良好。

AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管; 大信號(hào); 模型; 片上(在片)測(cè)試

0 引 言

AlGaN/GaN材料是目前最吸引人的半導(dǎo)體材料之一。采用AlGaN/GaN摻雜結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transister, HEMT)器件，因具有高傳輸速率，高功率容量，低功率損耗，低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，在微波毫米波放大器領(lǐng)域以及光電子器件領(lǐng)域得到了巨大關(guān)注，并且展示出了優(yōu)異的特性[1-3]。隨著射頻微波高速電路的快速發(fā)展，人們對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件模型的準(zhǔn)確度要求越來越高，因?yàn)闇?zhǔn)確的模型可以大大提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。目前AlGaN/GaN HEMT器件的建模方法主要基于傳統(tǒng)的GaAs FET模型分析方法，AlGaN/GaN的許多新特性的影響，比如電荷俘獲效應(yīng)、自熱效應(yīng)、色散效應(yīng)等，都沒有被考慮進(jìn)去[4-7]。本文采用在片測(cè)量參數(shù)提取方法，提出了一種改進(jìn)的AlGaN/GaN HEMT器件大信號(hào)模型，首先給出了寄生參數(shù)的提取步驟；然后根據(jù)提取的寄生參數(shù)值，提出了一種改進(jìn)的 STATZ直流模型；并且介紹了建模所需的在片測(cè)量系統(tǒng)，最后對(duì)模型參數(shù)值和器件測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比。

1 寄生參數(shù)提取

AlGaN/GaN HEMT器件的物理結(jié)構(gòu)截面見圖1。該器件采用MOCVD方法，襯底基片為6H-SiC，包括AlN緩沖層，GaN保護(hù)層和AlGaN勢(shì)壘層，源極和漏極采用的金屬為Ti/Al/Ni/Au, 柵極的金屬為Ni/Au，柵寬為100 μm，柵長(zhǎng)為1.3 μm，截止電壓為-4.8 V。實(shí)驗(yàn)樣品由中國(guó)科技電子集團(tuán)第十三研究所提供。

圖1 AlGaN/GaN HEMT器件物理結(jié)構(gòu)截面圖

圖2給出了AlGaN/GaN HEMT器件大信號(hào)模型等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。該模型中Cpgi、Cpdi和Cpdgi分別代表柵極、源極和漏極之間的交叉電容；Cpgo、Cpdo和Cpdgo代表主要由焊盤引起的寄生電容；Lg、Ld和Ls分別代表柵極、源極和漏極饋線的寄生電感；Rs、Rd分別代表源極和漏極的寄生電阻；Rg為柵極的分布電阻；Cgs、Cgd和Cds為柵-源、柵-漏和漏-源之間的本征電容。

焊盤寄生電容值的提取主要通過一個(gè)開路結(jié)構(gòu)的測(cè)試夾具獲取[9]，該夾具沒有晶體管只有焊盤，其具體等效電路模型見圖3(a)，Cpgo,Cpdo和Cpdgo可以直接測(cè)試開路夾具的Y參數(shù)(YijO)獲取，具體公式如下：

圖2 HEMT器件大信號(hào)模型等效電路

(1)

(2)

(3)

寄生電感和寄生電阻的提取可以通過一個(gè)短路結(jié)構(gòu)的測(cè)試夾具獲取，該夾具包括焊盤、饋線以及一個(gè)短路的晶體管，其等效電路圖見圖3(b)。首先獲取整個(gè)電路的Y參數(shù)，然后對(duì)Cpgo,Cpdo和Cpdgo去嵌，將去嵌后的Y參數(shù)轉(zhuǎn)化成Z參數(shù)(ZijS)。Lg,Ld,Ls,Rs,Rd和Rg可以由圖中虛線框部分的Z參數(shù)獲得:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

電極間的交叉電容Cpgi,Cpdi和Cpdgi可以通過迭代法[10]，與本征電容一起進(jìn)行優(yōu)化得到：

(10)

式中:ZINT代表本征電容(Cgs,Cgd,Cds)；ZEXT代表電極間的交叉電容；ωk為角頻率。優(yōu)化過程中的誤差可由下式計(jì)算獲得[11]：

(11)

(12)

(a) 開路測(cè)試結(jié)構(gòu)等效電路

(b) 短路測(cè)試結(jié)構(gòu)等效電路

圖3 測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)等效電路圖

2 直流參數(shù)提取

STATZ直流模型是GaAs HEMT經(jīng)典直流模型之一[12]。該模型中電流和電壓的關(guān)系如下式所示：

(13)

式中：α、β、λ和b為STATZ直流模型的擬合參數(shù);Uth為截止電壓。

當(dāng)Ids趨向于零時(shí)，Uth可由下式獲得：

(14)

在飽和工作區(qū)(Uds≥3/α),當(dāng)Ugs≈Uth時(shí)，可由式(15)、(16)獲得λ和β值；當(dāng)Ugs?Uth時(shí)，可由式(17)獲得b的值。在線性工作區(qū) (Uds<3/α), 當(dāng)Ugs≈Uth時(shí)，α的值可由式 (18)獲得：

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：Ids1和Ids2為在不同偏置電壓下的漏-源電流;Uds1和Uds2為與之對(duì)應(yīng)的漏-源電壓。

在AlGaN/GaN HEMT器件中，α,β,λ和b不再是固定的數(shù)值，而是與柵-源電壓Ugs變化有關(guān)的變量[13]，如圖4所示，α隨著Ugs的增加而變大，β、λ和b則是隨著Ugs的增加而減小，因此傳統(tǒng)的STATZ直流模型需要改進(jìn)。根據(jù)圖4所示，對(duì)α,β,λ和b的提取值，進(jìn)行公式擬合，得到擬合曲線的計(jì)算式為：

(19)

(20)

(21)

(22)

(a) α、β的擬合值與提取值比較

圖4 直流模型參數(shù)的公式擬合值與參數(shù)提取值的比較

3 在片測(cè)試系統(tǒng)搭建與結(jié)果討論

本模型是基于在片測(cè)試系統(tǒng)提取的，具體的在片測(cè)試系統(tǒng)搭建框圖如圖5所示，圖中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為Keysight PNA N5227A，直流偏置電壓由Agilent B1500A提供，所有的測(cè)試都是在Cascade探針臺(tái)上進(jìn)行，探針采用pitch為150 μm ACP探針，軟件ICCAP為自動(dòng)化測(cè)試提供了便利條件[14]。

目前，最常用的兩種校準(zhǔn)方法是TRL (Thru-Reflect-Line) 和SOLT (Short -Open-Load-Thru)。TRL方法優(yōu)點(diǎn)在于所需要校準(zhǔn)件簡(jiǎn)單，不需要理想的開路短路器件，該方法更適用于非同軸測(cè)試環(huán)境，比如共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)測(cè)試，該方法對(duì)校準(zhǔn)帶寬有要求，一般要求工作帶寬為起始頻率的8倍[15-16]，因此更適用于窄帶校準(zhǔn)。SOLT更多依賴于校準(zhǔn)件的性能指標(biāo)，而且所需要的校準(zhǔn)件比較多，校準(zhǔn)比較復(fù)雜，但是它是一種寬帶校準(zhǔn)方法，可以在40 GHz的范圍內(nèi)提供良好的穩(wěn)定的校準(zhǔn)參數(shù)。通過上述對(duì)兩者各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)的比較,我們選用了SLOT校準(zhǔn)方法。

圖5 S參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

我們?cè)谲浖嗀DS里面，在0.1～40 GHz范圍內(nèi)，對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件進(jìn)行了S參數(shù)仿真；通過采用開路測(cè)試結(jié)構(gòu)、短路測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)量數(shù)值，提取寄生參數(shù)，具體提取值見表1。

表1 GaN HEMT器件模型寄生參數(shù)提取值

為了驗(yàn)證本文提出的模型，我們將AlGaN/GaN HEMT模型S參數(shù)仿真值與實(shí)際測(cè)量值在0.1～40 GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示，兩者具有良好的一致性。

圖6 模型仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

(Uds= 6 V，Ugs= -3.8 V)

測(cè)量了AlGaN/GaN HEMT器件的直流I—U特性。通過對(duì)表1寄生參數(shù)值去嵌，可以獲得本征參數(shù)的直流I—U特性。改進(jìn)型STATZ直流模型各個(gè)擬合值如表2所示。在圖7中，將模型中的I-U曲線的模型值和測(cè)量值進(jìn)行比較，AlGaN/GaN HEMT器件的改進(jìn)型STATZ模型比傳統(tǒng)STATZ模型準(zhǔn)確度提高了10%左右。

表2 改進(jìn)型STATZ模型參數(shù)提取值 (Uth= -4.8 V)

圖7 AlGaN/GaN HEMT器件的I—U特性模型值與測(cè)量值對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種改進(jìn)的AlGaN/GaN HEMT器件大信號(hào)模型。模型中的寄生參數(shù)可以由開路結(jié)構(gòu)、短路結(jié)構(gòu)測(cè)試和數(shù)值優(yōu)化方法提取，直流模型在傳統(tǒng)的STATZ模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，比傳統(tǒng)STATZ模型準(zhǔn)確度提高了約10%。通過軟件ADS對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了仿真，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得了良好的一致性，從而驗(yàn)證了本模型的精確性。

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A Large-signal Modeling Method for AlGaN/GaN HEMT Using On-wafer Measurement

SHILi-yun1,SHENLi2,TANGMin1,GAOJian-jun2

(1. Key Laboratory of Design and Electromagnetic Compatibility of High Speed Electronic Systems of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Information and Science Technology, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

AlGaN/GaN is one of the most attractive semiconductor materials. The modeling method for AlGaN/GaN device is mainly based on the traditional FET GaAs model analysis method, without considering the new characteristics of AlGaN/GaN. A parameter-extraction approach for large-signal model of the AlGaN/GaN HEMTs is proposed in this paper. The values of the parasitic parameters are extracted by using test structure and empirical optimization pracedure. An improved empirical model for the DC characteristics is presented in this paper. The improvement consists in allowing the Statz model paramseters to vary with gate-source voltage. Good agreement is obtained between the modeled and measured results in the frequency range of 0.1～-40 GHz.

AlGaN/GaN HEMT; large-signal; model; on-wafer measurement

2015-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目61234001

史麗云(1986-)，女， 河北保定人，碩士，助理工程師，主要研究方向是微波測(cè)試測(cè)量。

Tel.：021-34204353; E-mail：shily@sjtu.edu.cn

TN 386

A

1006-7167(2016)09-0082-04