專利名稱：一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(GaAs FET)溫度影響模型的建立方法，它是微波功率器件仿真分析領(lǐng)域的一種等效電路模型實(shí)現(xiàn)方法，致力于表征GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)的溫度影響，評(píng)估其在高溫環(huán)境下的參數(shù)退化程度，以降低應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
GaAs FET具有噪聲系數(shù)低、頻帶寬、抗輻射能力強(qiáng)和電源附加效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于構(gòu)成有源相控陣?yán)走_(dá)的T/R組件。GaAs FET的性能受溫度影響較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，其電學(xué)特性會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。例如跨導(dǎo)在高溫環(huán)境下會(huì)顯著降低，這會(huì)對(duì)電路的工作性能產(chǎn)生不良影響。器件溫度的改變主要源于環(huán)境溫度(或熱沉溫度)的變化以及器件的自 升溫效應(yīng)。隨著GaAsFET輸出功率的不斷提高，自升溫效應(yīng)將更加顯著，器件的工作環(huán)境也將變得更加惡劣。目前，主要通過(guò)建立器件經(jīng)驗(yàn)分析模型的方式來(lái)描述GaAsFET的輸入輸出特性，如Statz模型、TriQuint模型和Angelov模型等。在表征模型參數(shù)受溫度的影響程度時(shí)，這些經(jīng)驗(yàn)分析模型采用的均是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合的方法，而沒(méi)有揭示出溫度影響的物理機(jī)制，因此在器件被制造和測(cè)量之前是不能預(yù)測(cè)其性能參數(shù)以及溫度影響的。如果能夠在微波EDA軟件中建立GaAs FET的物理基等效電路模型，就可以實(shí)現(xiàn)GaAs FET性能參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)溫度對(duì)其性能參數(shù)的影響。這不僅有助于器件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)也可以為器件的散熱設(shè)計(jì)提供必要的參考。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，該方法可操作性強(qiáng)，能夠預(yù)測(cè)溫度對(duì)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管性能參數(shù)的影響。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，該方法具體步驟如下步驟I :建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖以GaAs FET的結(jié)構(gòu)組成、材料屬性、工藝參數(shù)、工作原理等信息為輸入，建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖，等效電路圖中包含與偏置有關(guān)的本征元件和與偏置無(wú)關(guān)的寄生元件。步驟2 :確定等效電路模型元件與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系將等效電路模型中的本征元件和寄生元件表征為以器件幾何尺寸和材料屬性為自變量的函數(shù)表達(dá)式。步驟3 :研究確定模型元件受溫度影響的物理機(jī)制依據(jù)模型元件與GaAs FET物理結(jié)構(gòu)、材料屬性等之間的關(guān)系，分析模型元件受溫度影響的物理機(jī)制，確定對(duì)溫度變化敏感的物理參量。步驟4 :建立模型元件與溫度之間的函數(shù)關(guān)系對(duì)于受溫度影響明顯的物理參量，建立其與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，從而將模型元件表征為以器件物理參量和溫度值為自變量的函數(shù)表達(dá)式。步驟5 =GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實(shí)現(xiàn)依據(jù)建立的GaAs FET等效電路模型，在微波EDA軟件中搭建等效電路圖，并對(duì)電路圖中的本征元件和寄生元件進(jìn)行參數(shù)定義，確定可調(diào)參量，最后對(duì)等效電路模型進(jìn)行封裝。步驟6 :模擬GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系通過(guò)微波EDA軟件中的直流仿真控制器和S參數(shù)仿真控制器分別進(jìn)行不同溫度值下的直流參數(shù)掃描和S參數(shù)掃描，以表征GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。
其中，步驟I中所述的建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖可以通過(guò)大量公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)、報(bào)告等獲得，在實(shí)際應(yīng)用前需結(jié)合待分析對(duì)象的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正，如對(duì)寄生元件的合理取舍。其中，步驟2中所述的函數(shù)自變量具體包括柵極長(zhǎng)度、柵極寬度、柵源間距、摻雜濃度、溝道深度、耗盡層厚度、GaAs介電常數(shù)、載流子遷移率、肖特基自建勢(shì)、電子飽和速度等。各個(gè)本征元件和寄生元件的取值直接影響了模型的準(zhǔn)確程度，模型元件與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系復(fù)雜，因此需要首先對(duì)GaAs FET的制作工藝進(jìn)行充分調(diào)研，明確其內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，以及各部分的材料屬性和幾何參數(shù)，并通過(guò)對(duì)其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的合理簡(jiǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模型元件的表征。模型元件與物理結(jié)構(gòu)間的函數(shù)關(guān)系可以參照相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，如Peter H. Ladtoooke模型可以用來(lái)描述本征元件和寄生元件與器件物理結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系。其中，步驟3中所述模型元件受溫度影響的物理機(jī)制具體包括肖特基自建勢(shì)、夾斷電壓、載流子遷移率、電子飽和速度等諸多物理參量的溫度影響規(guī)律。其中，步驟4中所述物理參量與溫度之間的函數(shù)關(guān)系可以通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得，也可以通過(guò)借助相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬軟件(如Silvaco和Medici)實(shí)現(xiàn),最后通過(guò)采用數(shù)值擬合的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度影響機(jī)制的準(zhǔn)確描述。其中，步驟5中所述的微波EDA軟件可以優(yōu)先選擇Agilent Technologies公司推出的Advanced Design System(ADS)。該軟件便于進(jìn)行直流參數(shù)和S參數(shù)仿真,且建立的器件模型可以直接用于設(shè)計(jì)微波功率放大器。其中，步驟6中所述的直流參數(shù)指靜態(tài)直流電流-電壓(I-V)特性曲線，S參數(shù)包括Sn、S12, S21和S22。S參數(shù)又稱為散射參量，它是微波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的一種參量。S參數(shù)是由歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓定義的。3、本發(fā)明提供了一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其優(yōu)點(diǎn)主要有(I)能夠仿真砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管性能參數(shù)與其物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，方便器件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化。(2)能夠預(yù)測(cè)溫度對(duì)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管性能參數(shù)的影響，可以為器件的散熱設(shè)計(jì)提供必要的參考，以保證散熱條件能夠更為有效地滿足器件的正常工作要求。(3)建立的器件模型具有較好的可移植性，可直接用于微波功率放大器的設(shè)計(jì)和T/R的行為級(jí)仿真。


圖I為本發(fā)明實(shí)施方法流程框圖
圖2為溫度對(duì)GaAs電子飽和速度的影響示意3為在微波EDA軟件中建立的GaAs FET等效電路模型示意4為不同溫度值下的GaAs FET靜態(tài)直流特性示意5(a)為不同溫度值下的GaAs FET散射參量S11示意5 (b)為不同溫度值下的GaAs FET散射參量S12示意5 (C)為不同溫度值下的GaAs FET散射參量S21示意5 (d)為不同溫度值下的GaAs FET散射參量S22示意中和公式中的符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表I。 表I圖中和公式中的符號(hào)說(shuō)明
U0GaAs載流子遷移率~ g。 跨導(dǎo) IT~源極寄生電感
電子飽和速度t 肖特基自建勢(shì)漏極寄生電阻
~有源層摻雜濃度閾值電壓 R； 柵極寄生電阻
~耗盡層漏端擴(kuò)展長(zhǎng)度 ^夾斷電壓源極寄生電阻
~有源層厚度漏極電流 Rl 輸出電阻
~耗盡層厚度飽和漏極電流 R； 本征溝道電阻
~柵極金屬電阻率 L； 柵極長(zhǎng)度 Cl漏極-源極本征電容
~柵極金屬厚度 Fe 柵極寬度柵極-漏極本征電容
~GaAs絕對(duì)介電常數(shù)柵極-漏極間距柵極-源極本征電容
~真空磁導(dǎo)率 L； 柵極-源極間距漏極寄生焊盤(pán)PAD電容
"q電子電荷量 ~ 漏極寄生電感 ~ 柵極寄生焊盤(pán)PAD電容
~時(shí)間延遲 ^ 柵極寄生電感柵極-漏極寄生焊盤(pán)PAD電容
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施案例，對(duì)本發(fā)明所述的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型建立方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。案例柵長(zhǎng)為Iym的離子注入型GaAs FET，柵源間距為I ii m，柵寬為300 ii m，有源層摻雜濃度為I. OX IO17CnT3,有源層厚度為0. 2 ii m,柵極金屬厚度為0. 5 y m,柵極金屬為Au。見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，該方法具體步驟如下步驟I :GaAs FET等效電路圖目前有很多種，在此選用了較為成熟的Curtice模型，并在此基礎(chǔ)上增加了寄生電感、寄生焊盤(pán)PAD電容。步驟2 :在進(jìn)行直流參數(shù)分析時(shí)，漏極電流Ids采用Statz-Pucel模型。飽和漏極電流Idss與器件物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系參照了 S. D' Agostino給出的結(jié)果；在非飽和區(qū)，Ids的取值借鑒了 Statz模型中tanh函數(shù)的近似表達(dá)式。具體表達(dá)式為
_0] Ids (Vds, Vgs) = Ip (Vgs) fCLM (Vds, Vgs) P(a，Vds)當(dāng)
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟I :建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖；以GaAs FET的結(jié)構(gòu)組成、材料屬性、工藝參數(shù)、工作原理信息為輸入，建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖，等效電路圖中包含與偏置有關(guān)的本征元件和與偏置無(wú)關(guān)的寄生元件； 步驟2 :確定等效電路模型元件與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系；將等效電路模型中的本征元件和寄生元件表征為以器件幾何尺寸和材料屬性為自變量的函數(shù)表達(dá)式； 步驟3 :研究確定模型元件受溫度影響的物理機(jī)制；依據(jù)模型元件與GaAs FET物理結(jié)構(gòu)、材料屬性之間的關(guān)系，分析模型元件受溫度影響的物理機(jī)制，確定對(duì)溫度變化敏感的物理參量； 步驟4 :建立模型元件與溫度之間的函數(shù)關(guān)系；對(duì)于受溫度影響明顯的物理參量，建立其與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，從而將模型元件表征為以器件物理參量和溫度值為自變量的函數(shù)表達(dá)式； 步驟5 =GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實(shí)現(xiàn)；依據(jù)建立的GaAs FET等效電路模型，在微波EDA軟件中搭建等效電路圖，并對(duì)電路圖中的本征元件和寄生元件進(jìn)行參數(shù)定義，確定可調(diào)參量，最后對(duì)等效電路模型進(jìn)行封裝； 步驟6 :模擬GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系；通過(guò)微波EDA軟件中的直流仿真控制器和S參數(shù)仿真控制器分別進(jìn)行不同溫度值下的直流參數(shù)掃描和S參數(shù)掃描，以表征GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟I中所述的建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)獲得，在實(shí)際應(yīng)用前需結(jié)合待分析對(duì)象的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行修正，如對(duì)寄生元件的合理取舍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟2中所述的函數(shù)自變量具體包括柵極長(zhǎng)度、柵極寬度、柵源間距、摻雜濃度、溝道深度、耗盡層厚度、GaAs介電常數(shù)、載流子遷移率、肖特基自建勢(shì)、電子飽和速度；模型元件與物理結(jié)構(gòu)間的函數(shù)關(guān)系參照相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，如Peter H. Ladbrooke模型用來(lái)描述本征元件和寄生元件與器件物理結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟3中所述模型元件受溫度影響的物理機(jī)制具體包括肖特基自建勢(shì)、夾斷電壓、載流子遷移率、電子飽和速度的溫度影響規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟4中所述物理參量與溫度之間的函數(shù)關(guān)系通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)獲得，也能借助計(jì)算機(jī)模擬軟件如Silvaco和Medici實(shí)現(xiàn),最后通過(guò)采用數(shù)值擬合的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度影響機(jī)制的準(zhǔn)確描述。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟5中所述的微波EDA軟件優(yōu)先選擇Advanced Design System即ADS,該軟件便于進(jìn)行直流參數(shù)和S參數(shù)仿真，且建立的器件模型直接用于設(shè)計(jì)微波功率放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，其特征在于步驟6中所述的直流參數(shù)指靜態(tài)直流電流-電壓(I-V)特性曲線；S參數(shù)包括Sn、S12,S21 和 S22。
全文摘要
一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管溫度影響模型的建立方法，該方法有六大步驟步驟1建立能夠反映GaAs FET物理結(jié)構(gòu)的等效電路圖；步驟2確定等效電路模型元件與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系；步驟3研究確定模型元件受溫度影響的物理機(jī)制；步驟4建立模型元件與溫度之間的函數(shù)關(guān)系；步驟5GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實(shí)現(xiàn)；步驟6模擬GaAs FET關(guān)鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。本發(fā)明能夠仿真砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管性能參數(shù)與其物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，能夠預(yù)測(cè)溫度對(duì)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管性能參數(shù)的影響，方便器件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化。它在微電子技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102663200SQ20121012294
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者付桂翠, 張棟, 張超, 谷瀚天 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)