[发明专利]一种表面势紧凑模型参数提取方法

说明书

本发明公开了一种表面势紧凑模型参数提取方法，属于功率器件技术领域。本发明所述方法具体为：根据非线性电流‑电压(I‑V)模型中各参数所具有的不同物理意义，对模型参数进行分块；再通过分别拟合模型参数所对应的实测脉冲I‑V或静态I‑V转移特性曲线，得到各分块后的模型参数；最后通过对比仿真与实测值，证明该参数提取方法具有较高的精度。本发明所述方法的最大优势在于操作简便，可快速、准确地完成氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT表面势紧凑模型参数的提取，提高GaN HEMT器件建模的效率。

技术领域

本发明属于功率器件技术领域，涉及一种表面势紧凑模型参数提取方法，具体涉及一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的模型参数提取方法。

背景技术

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)具有高频、大功率、高效率等特性优势，不仅是近年来国内外半导体器件方面研究的热点，且在高效率微波功率放大器中具有广阔的应用前景。准确的大信号模型对于器件及电路的研究具有重要意义，非线性电流-电压(I-V)模型作为器件大信号模型的核心，其模型参数的提取是器件大信号模型建模的基础。目前常用的GaN HEMT器件模型主要可分为经验基模型与物理基模型两类。

经验基模型的建模方法主要是利用器件的等效电路结构，结合器件的测试数据，建立输入输出关系的数学模型。具有模型简单，建模效率高，收敛性好，建模过程易于标准化，便于用常用的电路仿真软件等优点。对于GaN HEMT器件的经验基大信号模型而言，模型具有较多的拟合参数，现有技术的参数提取工作量大、且单纯的数值优化很容易造成参数取值的不合理性，从而加大建模的复杂程度。同时也给模型的多偏置适用性及宽频带应用带来了很大的挑战。2014年，电子科技大学的汪昌思等人提出了一种包含环境温度效应的GaN HEMT大信号热电模型，该模型采用了两个热电子网络分别表征器件的自热效应和环境温度效应导致的电流下降现象，利用数值有限元热仿真分析法，可提取热电子网络中的热阻和热容参数。再通过引入等效栅压，结合脉冲I-V测试技术，可准确模拟器件的陷阱效应。2015年，电子科技大学闻彰等人提出了一种包含自热效应和陷阱效应的GaN HEMT经验基大信号模型参数提取方法，该方法采用了分块提取的思想，首先将所有参数分为与自热效应相关、与陷阱效应相关以及与自热效应和陷阱效应均无关三类参数。再通过拟合不同偏置状态下的脉冲I-V转移特性曲线，依次提取出模型与热效应和陷阱效应无关参数、热参数及陷阱参数。最后利用软件编程实现。该提取方法提取精度较高，提高了经验基模型建模效率。但由于物理基模型相比于经验基模型，物理参数增多，拟合参数明显减少，该参数提取方法不再适用。

物理基模型目前主要可分为三类：表面势模型(例如ASM-HEMT)、电荷控制模型(MVSG)、分区模型(QPZD)。相比于GaN HEMT经验基大信号模型，物理基大信号模型是将各种物理效应直接引入物理方程中，再由器件的物理参数推导而来，因此模型参数更少，且参数大多具有明确的物理意义，能够反映器件的物理本质。但由于物理机理过于复杂、参数多值性等问题，使得模型收敛性较差。2017年，电子科技大学的武庆智等人提出了一种包含自热效应和陷阱效应的GaN HEMT多谐波表面势大信号模型，通过将结温增量嵌入载流子迁移率来表征模型的自热效应，并利用ANSYS软件热仿真提取得到热阻值及迁移率中引入的的温度相关参数值。陷阱效应则通过等效栅压来表征，通过拟合不同偏置状态下的脉冲I-V曲线，可得到表征陷阱效应的陷阱参数。但该方法暂未实现流程化，与实现快速高效的GaNHEMT器件建模仍存在一定的差距。同年，印度理工学院坎普尔分校的Sheikh Aamir Ahsan等人提出了一种物理基多偏置GaN HEMT大信号模型参数提取方法，给出了模型参数的具体提取流程：首先通过拟合静态I-V转移特性曲线，提取得到夹断电压、亚阈值斜率、低场迁移率等物理参数，再通过拟合静态I-V曲线，提取得到接入电阻的二维电子气密度、饱和电子速率，最后通过模拟器件自热效应，可提取得到等效热阻值。该方法能够提取出模型中的物理参数，但该方法未考虑用于修正I-V模型的经验参量，引入该经验参量的目的是对静态I-V曲线的低栅压区及高栅压区进行修正，使模型更加准确。

发明内容