專利名稱：一種砷化鎵場效應管溫度影響模型的建立方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種砷化鎵場效應管(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域的一種等效電路模型實現(xiàn)方法，致力于表征GaAs FET關鍵性能參數(shù)的溫度影響，評估其在高溫環(huán)境下的參數(shù)退化程度，以降低應用風險，屬于微電子技術領域。
背景技術：
GaAs FET具有噪聲系數(shù)低、頻帶寬、抗輻射能力強和電源附加效率高等優(yōu)點，廣泛應用于構成有源相控陣雷達的T/R組件。GaAs FET的性能受溫度影響較大，當溫度變化時，其電學特性會相應地發(fā)生改變。例如跨導在高溫環(huán)境下會顯著降低，這會對電路的工作性能產(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。隨著GaAsFET輸出功率的不斷提高，自升溫效應將更加顯著，器件的工作環(huán)境也將變得更加惡劣。目前，主要通過建立器件經(jīng)驗分析模型的方式來描述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，這些經(jīng)驗分析模型采用的均是對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合的方法，而沒有揭示出溫度影響的物理機制，因此在器件被制造和測量之前是不能預測其性能參數(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，就可以實現(xiàn)GaAs FET性能參數(shù)的計算機仿真，進而可以預測溫度對其性能參數(shù)的影響。這不僅有助于器件設計人員進行結構設計和工藝參數(shù)優(yōu)化，同時也可以為器件的散熱設計提供必要的參考。

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效應管溫度影響模型的建立方法，該方法可操作性強，能夠預測溫度對砷化鎵場效應管性能參數(shù)的影響。2、技術方案本發(fā)明一種砷化鎵場效應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物理結構的等效電路圖以GaAs FET的結構組成、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物理結構的等效電路圖，等效電路圖中包含與偏置有關的本征元件和與偏置無關的寄生元件。步驟2 :確定等效電路模型元件與物理結構的關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)表達式。步驟3 :研究確定模型元件受溫度影響的物理機制依據(jù)模型元件與GaAs FET物理結構、材料屬性等之間的關系，分析模型元件受溫度影響的物理機制，確定對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)關系對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)表達式。步驟5 =GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實現(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，并對電路圖中的本征元件和寄生元件進行參數(shù)定義，確定可調(diào)參量，最后對等效電路模型進行封裝。步驟6 :模擬GaAs FET關鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關系通過微波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關鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關系。
其中，步驟I中所述的建立能夠反映GaAs FET物理結構的等效電路圖可以通過大量公開發(fā)表的文獻、報告等獲得，在實際應用前需結合待分析對象的特點對其進行適當修正，如對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、電子飽和速度等。各個本征元件和寄生元件的取值直接影響了模型的準確程度，模型元件與物理結構之間的關系復雜，因此需要首先對GaAs FET的制作工藝進行充分調(diào)研，明確其內(nèi)部的物理結構，以及各部分的材料屬性和幾何參數(shù)，并通過對其物理結構進行必要的合理簡化，最終實現(xiàn)對各個模型元件的表征。模型元件與物理結構間的函數(shù)關系可以參照相關的經(jīng)驗公式，如Peter H. Ladtoooke模型可以用來描述本征元件和寄生元件與器件物理結構之間的函數(shù)關系。其中，步驟3中所述模型元件受溫度影響的物理機制具體包括肖特基自建勢、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)關系可以通過查閱相關文獻獲得，也可以通過借助相關的計算機模擬軟件(如Silvaco和Medici)實現(xiàn),最后通過采用數(shù)值擬合的手段實現(xiàn)對溫度影響機制的準確描述。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計微波功率放大器。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)絡中應用最多的一種參量。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效應管溫度影響模型的建立方法，其優(yōu)點主要有(I)能夠仿真砷化鎵場效應管性能參數(shù)與其物理結構之間的關系，方便器件設計人員進行結構設計和工藝參數(shù)優(yōu)化。(2)能夠預測溫度對砷化鎵場效應管性能參數(shù)的影響，可以為器件的散熱設計提供必要的參考，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計和T/R的行為級仿真。


圖I為本發(fā)明實施方法流程框圖
圖2為溫度對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說明見表I。 表I圖中和公式中的符號說明
U0GaAs載流子遷移率~ g。 跨導 IT~源極寄生電感
電子飽和速度t 肖特基自建勢漏極寄生電阻
~有源層摻雜濃度閾值電壓 R； 柵極寄生電阻
~耗盡層漏端擴展長度 ^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絕對介電常數(shù)柵極-漏極間距柵極-源極本征電容
~真空磁導率 L； 柵極-源極間距漏極寄生焊盤PAD電容
"q電子電荷量 ~ 漏極寄生電感 ~ 柵極寄生焊盤PAD電容
~時間延遲 ^ 柵極寄生電感柵極-漏極寄生焊盤PAD電容
具體實施例方式下面結合具體的實施案例，對本發(fā)明所述的砷化鎵場效應管溫度影響模型建立方法進行詳細說明。案例柵長為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。見圖1，本發(fā)明一種砷化鎵場效應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，并在此基礎上增加了寄生電感、寄生焊盤PAD電容。步驟2 :在進行直流參數(shù)分析時，漏極電流Ids采用Statz-Pucel模型。飽和漏極電流Idss與器件物理結構之間的關系參照了 S. D' Agostino給出的結果；在非飽和區(qū)，Ids的取值借鑒了 Statz模型中tanh函數(shù)的近似表達式。具體表達式為
_0] Ids (Vds, Vgs) = Ip (Vgs) fCLM (Vds, Vgs) P(a，Vds)當
權利要求
1.一種砷化鎵場效應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物理結構的等效電路圖；以GaAs FET的結構組成、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物理結構的等效電路圖，等效電路圖中包含與偏置有關的本征元件和與偏置無關的寄生元件； 步驟2 :確定等效電路模型元件與物理結構的關系；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)表達式； 步驟3 :研究確定模型元件受溫度影響的物理機制；依據(jù)模型元件與GaAs FET物理結構、材料屬性之間的關系，分析模型元件受溫度影響的物理機制，確定對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)關系；對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)表達式； 步驟5 =GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實現(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，并對電路圖中的本征元件和寄生元件進行參數(shù)定義，確定可調(diào)參量，最后對等效電路模型進行封裝； 步驟6 :模擬GaAs FET關鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關系；通過微波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關鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關系。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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物理結構的等效電路圖通過現(xiàn)有技術獲得，在實際應用前需結合待分析對象的特點對其進行修正，如對寄生元件的合理取舍。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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、電子飽和速度；模型元件與物理結構間的函數(shù)關系參照相關的經(jīng)驗公式，如Peter H. Ladbrooke模型用來描述本征元件和寄生元件與器件物理結構之間的函數(shù)關系。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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制具體包括肖特基自建勢、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)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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)關系通過現(xiàn)有技術獲得，也能借助計算機模擬軟件如Silvaco和Medici實現(xiàn),最后通過采用數(shù)值擬合的手段實現(xiàn)對溫度影響機制的準確描述。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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計微波功率放大器。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種砷化鎵場效應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
一種砷化鎵場效應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物理結構的等效電路圖；步驟2確定等效電路模型元件與物理結構的關系；步驟3研究確定模型元件受溫度影響的物理機制；步驟4建立模型元件與溫度之間的函數(shù)關系；步驟5GaAs FET等效電路模型在微波EDA軟件中的實現(xiàn)；步驟6模擬GaAs FET關鍵性能參數(shù)隨溫度的變化關系。本發(fā)明能夠仿真砷化鎵場效應管性能參數(shù)與其物理結構之間的關系，能夠預測溫度對砷化鎵場效應管性能參數(shù)的影響，方便器件設計人員進行結構設計和工藝參數(shù)優(yōu)化。它在微電子技術領域里具有較好的實用價值和良好的應用前景。
文檔編號G06F17/50GK102663200SQ20121012294
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權日2012年4月24日
發(fā)明者付桂翠, 張棟, 張超, 谷瀚天 申請人:北京航空航天大學