毫米波GaN HEMT功率器件准物理大信号模型研究

发布时间：2020-12-31 18:33

　　氮化镓（GaN）高电子迁移率（High Electron Mobility Transistor,HEMT）晶体管具有工作频率高、输出功率密度大、功率效率高等特点,已经广泛应用于雷达、卫星、5G等通信系统中。准确、简单、可缩放、物理意义清晰的器件模型对电路设计、器件优化都至关重要。工作在W波段（75～110 GHz）的GaNHEMT器件,由于寄生效应复杂,模型参数变得不易提取,模型的高频精度和缩放性都有待改进。近几年新兴的GaN HEMT准物理区域划分（Quasi-Physical Zone Division,QPZD）模型具有参数少、准确性高、物理意义明确等特点,但模型的表达式和参数提取方面仍存在问题,显著的短沟道效应在模型中也缺乏考虑。因此,面对短沟道GaN HEMT器件的高频应用,以及对准确、简洁、物理意义明确的大信号模型的需求,建立可应用到W波段、包含主要短沟道效应的准物理大信号模型具有重要意义。本文基于国产0.1μm工艺,对毫米波GaNHEMT功率器件的准物理大信号模型进行了深入研究:1.毫米波小信号模型研究。针对W波段小信号寄生效应复杂的问题,提出了新的模型等效电路和参数提... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：134 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１?ＧａＮ器件在通信中的应用??

能，提高芯片的市场竞争力。??对于第三代半导体器件之一的ＧａＮ?ＨＥＭＴ功率器件，在毫米波频段，由于??器件沟道长度变小引起的短沟道效应、高频引起的寄生效应，使传统的低频长沟??道模型在毫米波频段，尤其是Ｗ波段（７５￣１１０?ＧＨｚ）难以应用，使用传统低频??模型所做的电路设计也跟实际测试有较大偏差。由于当前对于高频、短沟道器件，??仍然缺乏较准确又简洁的的大信号模型，所以研宄适用频率到Ｗ波段的ＧａＮ??ＨＥＭＴ功率器件模型具有重要的意义。??器件１?｜模型丨?｜电路??Ｈ??图１．２器件灌型－电路之间的关系??在众多ＧａＮ?ＨＥＭＴ的大信号模型中，经验基模型由于其灵活性、准确性，??得到了广泛的使用；物理基模型由于其物理意义明确，以及模型对微波功率管和??２??

，??使模型更适用于ＧａＮ器件的建模。??２０００年，德国斯图加特大学Ｃｈｉｇａｅｖａ等人提出了?１４元件小信号等效电路??模型，是低频建模中应用较为广泛的模型［８２］。作者提出，相比于ＧａＡｓＨＥＭＴ器??件，ＧａＮＨＥＭＴ导带不连续性更大，所以为了更准确的对寄生电阻进行提取，需??要通过在栅极加较高的前向偏置电压，来对ＳＵ的容性进行抑制。??２００５年，来自德国卡塞尔大学Ｋｏｍｐａ团队的Ｊａｍｄａｌ提出了?ＧａＮ?ＨＥＭＴ经??典的包含２２个元件的小信号等效电路模型［８３］，如图１．３所示。论文中首次引入??了电容参数ＣＷ，，，ＣＭ，，Ｃ＿，用于模拟空气桥引入的极间电容，以及电容参数??Ｇ＾／，Ｇ＃／，用于描述栅极的漏电。在寄生电容的提取方面，通过全局优化算法，??进一步提高了模型的准确性。同年，同样是来自Ｋｏｍｐａ团队的Ｚａｍｕｄｉｏ利用器??件的尺寸计算出了寄生电容的估计值，并且通过优化算法确定了寄生电容的最优??解。???｜ｉ????＾???ｔ?Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ?ＦＥＴ??ｇ——?ｒ．???Ｕ?〇??丄ｃｖ??Ｃｐｇａ?＝＝?．：?Ｒ／?：?Ｃｐａｒ－?ＣｐＡ；－－：????Ｋ－－－Ｊ??Ｏ??１????ｏ??Ｓ?Ｓ??图１．３经典的２２参数小信号等效电路模型网??２００６年，意大利的Ｃｒｕｐｉ等人提出了通过多偏置对小信号模型参数进行提取??方法［８４］。因为Ｓｎ和Ｓ２２在栅极前向偏置的条件下，会较为明显的受到电容效应??的影响，所以要在小信号等效电路中加入栅极电容和沟道电容。??２００８年，都柏林大学的Ｂｒａｄｙ等人在输出点到取ｓ上引入了时间常数

【参考文献】：
期刊论文
[1]宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展[J]. 郝跃.  科技导报. 2019(03)
[2]Ka波段GaN HEMT功率器件[J]. 廖龙忠,张力江,孙希国,何先良,崔玉兴,付兴昌.  半导体技术. 2015(07)
[3]微波、毫米波GaN HEMT与MMIC的新进展[J]. 赵正平.  半导体技术. 2015(01)
[4]0.15μm栅长Ka波段GaN功率HEMT器件[J]. 周建军,董逊,孔岑,孔月婵,李忠辉,陈堂胜,陈辰.  固体电子学研究与进展. 2012(01)
[5]含有Al组分阶变AlGaN过渡层的Si基AlGaN/GaN HEMT[J]. 倪金玉,董逊,周建军,孔岑,李忠辉,李亮,彭大青,张东国,陆海燕,耿习娇.  固体电子学研究与进展. 2011(06)
[6]Si衬底上5.1W/mm功率密度的GaN HEMT[J]. 冯志宏,尹甲运,袁凤坡,刘波,梁栋,默江辉,张志国,王勇,冯震,李效白,杨克武,蔡树军.  半导体学报. 2007(12)
[7]Si衬底GaN基材料及器件的研究[J]. 滕晓云,刘彩池,郝秋艳,赵丽伟,张帷.  半导体技术. 2006(02)
[8]蓝宝石衬底AlGaN/GaN功率HEMTs研制[J]. 邵刚,刘新宇,和致经,刘键,魏珂,陈晓娟,吴德馨.  电子器件. 2004(03)
[9]跨导为220 mS/mm的AlGaN/GaNHEMT[J]. 张小玲,吕长志,谢雪松,何焱,侯英梁,冯士维,李志国,曾庆明.  固体电子学研究与进展. 2004(02)
[10]Au-AlGaN/GaN HFET研制与器件特性[J]. 张锦文,闫桂珍,张太平,王玮,宁宝俊,武国英.  半导体学报. 2002(04)



本文编号：2950108