GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，涉及二極管建模【技術(shù)領(lǐng)域】。利用基于測量的經(jīng)驗(yàn)公式描述混頻肖特基二極管結(jié)的非線性結(jié)特性，即利用熱電子發(fā)射模型對(duì)二極管結(jié)進(jìn)行公式描述；通過建立GaAs基混頻肖特基二極管的三維電磁模型，利用商用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS獲得寄生參量在毫米波及太赫茲頻段的S參數(shù)；最終在電路仿真軟件例如ADS中建立GaAs基混頻肖特基二極管對(duì)應(yīng)的電路級(jí)模型；通過將建立的模型和實(shí)際封裝測試的二極管S參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，然后修正其中的二極管結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，最終獲得GaAs基混頻肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的精準(zhǔn)模型。
【專利說明】GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及二極管建?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（THz)波是指頻率在0· 3-3THZ范圍內(nèi)的電磁波，其中l(wèi)THz=1000GHz。THz 波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置，太赫茲技術(shù)是國際科技界公認(rèn)的一個(gè)非常重要的交 叉前沿領(lǐng)域。
[0003]目前國內(nèi)外開展了很多利用GaAs基混頻肖特基二極管開展混頻相干檢測的研究 工作，混頻模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于肖特基二極管在太赫茲頻段的模型，模型是工藝和電路設(shè) 計(jì)的橋梁，模型的正確與否關(guān)系到設(shè)計(jì)的成敗，如何建立GaAs基混頻肖特基二極管在太赫 茲頻段的精準(zhǔn)模型，成為了 一個(gè)很重要的課題。
[0004]>自二十世紀(jì)九十年代以來，國內(nèi)外對(duì)二極管精確建模從各個(gè)方面開展了大量的工 作，并采用了不同的方法對(duì)其進(jìn)行研究，但在太赫茲頻段的研究還處于起步階段。國際上提 出的分析方法主要有以下3種： (1)基于測量的行為特性或線性理論的等效電路模型法，特點(diǎn)是基于儀器測量的方式， 通過提取的非線性參數(shù)來建立器件等效模型，從而完成系統(tǒng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；跍y量的 行為特性的等效電路模型法為非線性器件分析和設(shè)計(jì)提供了一種快速且有效的方法；根據(jù) 線性理論得到的等效電路模型，可以通過簡單的結(jié)構(gòu)，快速得到器件各參數(shù)之間的變化規(guī) 律。但是這些分析模型的求解依賴于不確定的參數(shù)，尤其在太赫茲頻段，由于測量儀器和測 量方法的限制，很難精確提取器件的非線性參數(shù)。這也就使得采用等效電路建模的方式來 實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段器件的精確設(shè)計(jì)不切實(shí)際；若采用線性理論的等效電路模型法無法精確地 反應(yīng)器件的行為特性。
[0005] (2)閉合經(jīng)驗(yàn)公式法，其特點(diǎn)是閉合經(jīng)驗(yàn)公式法是在半導(dǎo)體器件物理學(xué)、固體物理 學(xué)、量子物理學(xué)的基礎(chǔ)上采用經(jīng)典公式方法根據(jù)器件的物理結(jié)構(gòu)對(duì)器件工作時(shí)的物理過程 進(jìn)行推導(dǎo)，從而將獲得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)化成非線性模型用于系統(tǒng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是基于 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)閉合表達(dá)式的方程式在8毫米波頻段很常見，這些分 析模型在1-50GHZ頻段還算準(zhǔn)確，但在更高頻率它就不能準(zhǔn)確的描述整個(gè)器件工作過程中 的復(fù)雜物理現(xiàn)象。尤其是太赫茲頻段量子效應(yīng)貫穿其中，經(jīng)驗(yàn)公式很不準(zhǔn)確。
[0006] (3)二極管三維電磁模型分析法：其特點(diǎn)是二極管電磁三維模型建模是最新提出 的毫米波、太赫茲非線性器件先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。1998年，維吉尼亞大學(xué)J. L. Hesler在其博士論文中首次提出了基于微探針的二極管三維建模方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè) 計(jì)了 585GHz混頻器，雙邊帶變頻損耗達(dá)到7. 3dB，噪聲溫度達(dá)2380K。2004年，B. Thomas 在其博士論文中，開展了反向并聯(lián)二極管三維建模研究，在模型中考慮了寄生參量的影響， 并設(shè)計(jì)了 330GHz分諧波混頻器，其最小DSB (載波的幅度調(diào)制）轉(zhuǎn)換損耗達(dá)到5. 7dB。目 L. Hesler所在的VDI實(shí)驗(yàn)室和B. Thomas所在的JPL實(shí)驗(yàn)室，均在暈米波/THz 非線性器件研制上處于世界領(lǐng)先地位。雖然二極管電磁三維模型分析方法是目前分析太赫 茲頻段器件比較準(zhǔn)確的一種方法，但是仍不完善。J.L. Hesler的論文提出的基于微探針 的二極管建模方法，解決了二極管非線性結(jié)在模型中引入的問題，但模型中寄生參量默認(rèn) 為一定值；B. Thomas在J.L. Hesler模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，模型中考慮了寄生參量隨 頻率變化的問題，但是仍然忽略了二極管裝配誤差、二極管導(dǎo)電膠厚度、腔體加工誤差等因 素對(duì)二極管模型以及整個(gè)電路模型的影響。國內(nèi)加工工藝相對(duì)于國外先進(jìn)水平仍有不少差 距，工藝因素的影響不可忽略，需要在模型中加以考慮。但是上述方法均沒有在設(shè)計(jì)之初就 對(duì)模型進(jìn)行二次修正，在實(shí)際過程中，往往需要幾輪實(shí)驗(yàn),才能得到較好的結(jié)果。另外，由于 毫米波及太赫茲頻段很寬，需要分頻段建立相關(guān)模型，但是分頻段建立的模型未見報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫 茲頻段建模方法，基于測量的經(jīng)驗(yàn)公式，并且修正其中的部分參數(shù)，結(jié)合二極管三維電磁模 型法，建立了 GaAs基混頻肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的模型，模型精準(zhǔn)，能夠分 頻段建模，加快開發(fā)速度，降低了開發(fā)成本。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是： 一種GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，包括以下步驟： 第一步，根據(jù)GaAs基混頻肖特基二極管的設(shè)計(jì)版圖中的陽極尺寸，并測試實(shí)際流片過 程中的陽極尺寸，以掃描電鏡測試的陽極尺寸為準(zhǔn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算GaAs基混頻肖特基 二極管的結(jié)電容; 第二步,對(duì)加工完成的GaAs基混頻肖特基二極管進(jìn)行直流測試，根據(jù)測得的電流、電 壓數(shù)據(jù)，計(jì)算GaAs基混頻肖特基二極管的串聯(lián)電阻Rs，飽和電流Is，以及理想因子n，結(jié)合 結(jié)電容%，在ADS中建立起肖特基二極管的非線性結(jié)模型； 第三步，建立肖特基二極管的三維電磁模型，在高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS中建立GaAs基 混頻肖特基二極管的高頻仿真結(jié)構(gòu)模型； 第四步，將GaAs基混頻肖特基二極管倒裝焊接在石英電路上，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測 試GaAs基混頻肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的s參數(shù)；在第三步建立的GaAs基混 頻肖特基二極管三維電磁模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在HFSS中建立包含導(dǎo)電膠模型和外圍石 英電路的三維電磁模型，并在HFSS中抽取GaAs基混頻肖特基二極管寄生參量及外圍電路 的S參數(shù)包； 第五步，修正建立的GaAs基混頻肖特基二極管非線性結(jié)模型，主要是修正GaAs基混頻 肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容^。
[0009]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述第一步中的經(jīng)驗(yàn)公式為

【權(quán)利要求】
1. 一種GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，其特征在于包括以 下步驟： 第一步，根據(jù)GaAs基混頻肖特基二極管的設(shè)計(jì)版圖中的陽極尺寸，并測試實(shí)際流片過 程中的陽極尺寸，以掃描電鏡測試的陽極尺寸為準(zhǔn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算GaAs基混頻肖特基 二極管的結(jié)電容; 第二步，對(duì)加工完成的GaAs基混頻肖特基二極管進(jìn)行直流測試，根據(jù)測得的電流、電 壓數(shù)據(jù)，計(jì)算GaAs基混頻肖特基二極管的串聯(lián)電阻Rs，飽和電流Is，以及理想因子n，結(jié)合 結(jié)電容在ADS中建立起肖特基二極管的非線性結(jié)模型； 第三步，建立肖特基二極管的三維電磁模型，在高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS中建立GaAs基 混頻肖特基-極管的1?頻仿真結(jié)構(gòu)1旲型； 第四步，將GaAs基混頻肖特基二極管倒裝焊接在石英電路上，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測 試GaAs基混頻肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的S參數(shù)；在第三步建立的GaAs基混 頻肖特基二極管三維電磁模型的基礎(chǔ)上，在HFSS中建立包含導(dǎo)電膠模型和外圍石英電路 的三維電磁模型，并在HFSS中抽取GaAs基混頻肖特基二極管寄生參量及外圍電路的S參 數(shù)包； 第五步，修正建立的GaAs基混頻肖特基二極管非線性結(jié)模型，主要是修正GaAs基混頻 肖特基二極管在毫米波及太赫茲頻段的串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，其
特征在于所述第一步中的經(jīng)驗(yàn)公式為 ，其中^代表零偏結(jié)電容，€ Cjo 代表GaAs材料的介電常數(shù)，A代表肖特基結(jié)的結(jié)面積，D代表肖特基結(jié)的直徑，代表耗 盡層的寬度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，其 特征在于所述獲得GaAs基混頻肖特基二極管在直流測試中的電流、電壓數(shù)據(jù)通過半導(dǎo)體 參數(shù)測試儀4200獲得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法，其 特征在于所述第四步的石英電路采用共面波導(dǎo)形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基混頻肖特基二極管毫米波及太赫茲頻段建模方法， 其特征在于所述第五步中修正串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容Cj0的具體步驟為：將第四步中抽取的GaAs基混頻肖特基二極管寄生參量及外圍電路的S參數(shù)包導(dǎo)入到ADS中，結(jié)合第一步建立 的肖特基二極管非線性結(jié)模型，以直流測試的Rs和結(jié)電容Cjll為初值，優(yōu)化串聯(lián)電阻Rs和 結(jié)電容Cjn，并通過ADS計(jì)算S參數(shù)，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容的大小，使得仿真 的S參數(shù)和測試得到的S參數(shù)相接近，此時(shí)的串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容作為實(shí)際模型中的 串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容pjT〇。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104268355SQ201410534114
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】王俊龍, 楊大寶, 邢東, 梁士雄, 張立森, 趙向陽, 馮志紅 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所