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直流I-V参数提取
DC模型参数提取流程对于ASM-GaN-HEMT模型可以总结在下图中。
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在模型中设置物理参数#xff0c;如L#xff08;沟道长度#xff09;、W#xff08;沟道宽度#xff09;、NF#xff08;栅指数#xf…参数提取程序
直流I-V参数提取
DC模型参数提取流程对于ASM-GaN-HEMT模型可以总结在下图中。
以下步骤描述了该流程
在模型中设置物理参数如L沟道长度、W沟道宽度、NF栅指数、TBAR势垒层厚度、LSG源栅极间距和LDG漏栅极间距。这些参数通常由器件工艺技术人员提供。首先提取过程专注于获取线性VD条件参数。从线性漏极电流与偏置电压条件即VD在50至100毫伏范围内的ID−V G特性曲线中我们可以提取诸如V OFF和NFACTOR等参数。其中V OFF代表截止电压这是一个非常重要的参数。对V OFF的初步估算值可以从ID−V G曲线线性尺度中得到即当ID开始上升时对应的V G值。随着参数提取流程的推进这个粗略值可以逐步微调以达到最佳拟合效果。NFACTOR参数则控制着器件亚阈值区的斜率可以通过将模型拟合到VD条件下的ID−V G特性曲线对数尺度上来提取这一参数。在获取了V OFF和NFACTOR之后应从线性VD条件下的ID−V G特性中提取载流子低场迁移率U0以及载流子垂直电场依赖参数UA和UB。通过使用U0、UA和UB这三个参数可以准确模拟出线性VD条件下跨导GM及其导数GM′和GM″。这里需要注意的是串联电阻也会影响线性ID−V G特性。为了这一步骤的准确性将串联电阻参数RSC、NS0ACCS、D、MEXPACSS、D的值保持在合理范围内是很有帮助的。串联电阻参数后续会进行微调的初始值可以通过特殊测量方法如TLM结构获得或者简单地接近于先前提取的器件参数值。完成线性VD条件下的拟合后接下来应从高VD条件中提取参数。如同前面所述我们首先关注高VD条件下的ID−V G特性并从中提取次截止电压或低电流区的参数。由于漏极诱导势垒降低效应在高VD条件下截止电压会减小这一现象可以通过提取DIBL参数ETA0和VDSCALE来建模表示。同时在高VD条件下亚阈值斜率也会恶化这在ASM-GaN-HEMT模型中可以通过参数CDSCD进行模拟描述。接下来对高VD条件下高于Voff的ID−V G曲线进行拟合。这一拟合的关键参数包括速度饱和参数V SAT、通道长度调制参数LAMBDA以及非线性串联电阻参数NS0ACCS, S, MEXPACCS, D和U0ACCS, D。这些参数可以通过在 linear尺度上拟合高VD条件下的ID − V G特性来提取。V SAT最好从中间电流水平下提取此时在高VD条件下的GM随V G增大而上升。非线性串联电阻会导致GM随着V G增加而下降相关参数应调整以适应该区域。自热效应在高电流和高漏电压区域也会产生影响因此器件的热阻值应根据特殊测量、TCAD模拟或先前的经验设定为一个合理的数值。通过本步骤中指示的参数可以实现不同VD条件下跨导的精确建模。完成这一步骤后建议回到线性ID-V G特性并进行更为精细的调整以进一步提升拟合效果。接下来应关注输出特性ID−V D。由于在不同VD条件下ID-V G已经完成拟合因此ID-V D应该已经被准确地模拟出来。如有需要可以对参数进行微调以进一步提升模型的精确度。
上述步骤完成了ASM-GaN-HEMT模型在室温下的直流参数提取流程。对于模拟其他温度下的直流I-V特性该模型中已实现了对关键模型参数的温度缩放方程。通过使用这些温度参数可以在多种温度下模拟直流I-V特性。
射频参数提取 ASM GaN模型的本征器件及其寄生效应用于全射频模型
在完成直流参数提取后可以使用该模型模拟S参数。为此需要考虑寄生组件并围绕模型构建一个子电路以表示所有寄生电容和电感。与实际布局及测量参考平面位置相关的寄生元件需与ASM GaN模型的固有部分相结合。
完整的模型可以形象地表示为如图所示的三层结构第一层是本征的ASM GaN模型第二层是由Zex其中xg、d或s表示的电极引线的电感、电阻和电容模型第三层则是源极通孔、栅极和漏极集总区的寄生元件。第三层的寄生效应可以通过集中参数网络进行建模或者直接利用电磁仿真得到的S2P文件对该区域进行建模。第二层的寄生元件可以通过文献中标准的提取流程获取。
通过使用正确的寄生网络可以从测量数据和Y参数的虚部中观察到栅源、栅漏以及漏源电容。参数CGSO、ADOSI、BDOSI和V DSATCV可用于调整在不同Vds下的Cgs随Vgs变化的行为。CGSO应调整以设定Vgs偏压低于截止电压时Cgs的值。而ADOSI和BDOSI则可以调节Cgs随Vgs增加的速度。
接下来对于Cgd随Vds变化的特性可以通过调整CGDL参数来控制随着Vds增加时Cgd的减小。在拟合Cds参数时可以使用CDSO、CJ0、AJ和DJ这几个参数。在高频下观察到的栅极电阻效应可以通过栅极电阻参数RSHG和XGW进行模拟。
小信号下的跨导gm和gds在不同偏置条件下的直接表现源于已经建模好的I-V行为在低频条件下得出的结果会与测量数据较为接近。在更高频率下由于自热导致的gm和gds的频率依赖性可以通过CTH0参数进行调节。
完成在多个直流偏置点处的S参数模型构建后可以实现大信号射频模型对输入功率扫描曲线以及负载/源端拉动测量的模拟。对于大信号性能建模的重要区域之一是I-V曲线中的拐点区域knee region。这一区域主要由接入区电阻参数以及平滑参数DELTA、MEXPACCS和MEXPACCD所控制。
制造过程中的变异性提取
本节描述了一种方法利用ASM-HEMT模型在蒙特卡洛Monte-Carlo, MC模拟中对电子器件性能参数的变异性进行建模。制造工艺导致了器件几何参数的变异性这些参数包括但不限于栅极长度L、栅极宽度W、势垒层厚度Tbar、源极-栅极接入区长度Lsg以及漏极-栅极接入区长度Ldg。因此通过标准偏差σG来衡量的器件几何参数的变异性包含了上述所有参数的变化情况 σ G ( σ L , σ T b a r , σ L s g , σ W , σ L d g ) . \sigma_{G}(\sigma_{L},\sigma_{Tbar},\sigma_{Lsg},\sigma_{W},\sigma_{Ldg}). σG(σL,σTbar,σLsg,σW,σLdg). σG通常在晶圆厂制造过程中被监控。这些参数的变化可以通过晶圆厂公差信息直接设置到模型中。
在设置σG之后可以对名义器件ASM-HEMT模型进行蒙特卡洛模拟以观察和比较像跨导Gm这样的电学性能参数的变化与实际测量结果。 系统性提取模型参数的过程
通常情况下仅依靠几何尺寸的变异性不足以完全表征电学性能参数的变异性。如图展示了一个系统性的流程用于提取电学模型参数的变异性。如图所示第一步是从电流到跨导比β定义为βIch/Gm,ch中提取V OFF阈值电压的变异性。β应当从中间栅极电压下的线性区转移特性曲线获得在此区域内总电流不受接入区电阻限制。接下来通过模拟Ich的变化来提取载流子迁移率的变异性然后通过包含串联电阻参数RS和RD的变化来模拟接入区电阻的变化。
用于电阻建模的接入区电阻模型
在ASM-HEMT中应用非线性接入区电阻模型可以模拟晶圆厂工艺中的二维电子气2-DEG电阻器。为了设置适应这种应用场景的模型需要将模型中所有的场板功能关闭即将FPMOD开关设为0。栅极长度应设定为最小值20e-9即20纳米并将阈值电压V OFF设为-10伏特。为了模拟两端电阻需要将栅极和源极端子短接。电阻的总长度由LSG和LDG模型参数之和来设定。接入区的迁移率和饱和速度参数可用于模拟电阻的非线性行为。
