一种基于片上测试系统的AlGaN/GaN HEMT器件大信号建模方法

史丽云， 沈 溧, 唐 旻， 高建军

(1. 上海交通大学 高速电子系统设计与电磁兼容研究教育部重点实验室， 上海 200240;2. 华东师范大学 信息科学技术学院, 上海 200241)



一种基于片上测试系统的AlGaN/GaN HEMT器件大信号建模方法

史丽云1， 沈 溧2, 唐 旻1， 高建军2

(1. 上海交通大学 高速电子系统设计与电磁兼容研究教育部重点实验室， 上海 200240;2. 华东师范大学 信息科学技术学院, 上海 200241)

AlGaN/GaN材料是目前最吸引人的半导体材料之一。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 ( HEMT)器件的建模方法主要基于传统的GaAs FET模型分析方法，未考虑材料本身的新特性。通过使用片上测试系统，结合数值分析方法，提出了一种AlGaN/GaN HEMT器件的大信号模型，该模型中的寄生参数值可通过特殊测试结构和数值优化方法获得，模型中的直流参数可以通过改进传统STATZ直流模型获得，改进后模型的直流参数随着栅-源电压的变化而变化，比传统STATZ模型准确度提高了约10%。实验测量结果表明，在0.1～40 GHz的频率范围内，模型参数提取结果与器件测量结果吻合良好。

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管; 大信号; 模型; 片上(在片)测试

0 引 言

AlGaN/GaN材料是目前最吸引人的半导体材料之一。采用AlGaN/GaN掺杂结构的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transister, HEMT)器件，因具有高传输速率，高功率容量，低功率损耗，低噪声的优点，在微波毫米波放大器领域以及光电子器件领域得到了巨大关注，并且展示出了优异的特性[1-3]。随着射频微波高速电路的快速发展，人们对AlGaN/GaN HEMT器件模型的准确度要求越来越高，因为准确的模型可以大大提高产品研发的成功率，缩短研发周期，降低研发成本。目前AlGaN/GaN HEMT器件的建模方法主要基于传统的GaAs FET模型分析方法，AlGaN/GaN的许多新特性的影响，比如电荷俘获效应、自热效应、色散效应等，都没有被考虑进去[4-7]。本文采用在片测量参数提取方法，提出了一种改进的AlGaN/GaN HEMT器件大信号模型，首先给出了寄生参数的提取步骤；然后根据提取的寄生参数值，提出了一种改进的 STATZ直流模型；并且介绍了建模所需的在片测量系统，最后对模型参数值和器件测量值进行了对比。

1 寄生参数提取

AlGaN/GaN HEMT器件的物理结构截面见图1。该器件采用MOCVD方法，衬底基片为6H-SiC，包括AlN缓冲层，GaN保护层和AlGaN势垒层，源极和漏极采用的金属为Ti/Al/Ni/Au, 栅极的金属为Ni/Au，栅宽为100 μm，栅长为1.3 μm，截止电压为-4.8 V。实验样品由中国科技电子集团第十三研究所提供。

图1 AlGaN/GaN HEMT器件物理结构截面图

图2给出了AlGaN/GaN HEMT器件大信号模型等效电路的拓扑结构[8]。该模型中Cpgi、Cpdi和Cpdgi分别代表栅极、源极和漏极之间的交叉电容；Cpgo、Cpdo和Cpdgo代表主要由焊盘引起的寄生电容；Lg、Ld和Ls分别代表栅极、源极和漏极馈线的寄生电感；Rs、Rd分别代表源极和漏极的寄生电阻；Rg为栅极的分布电阻；Cgs、Cgd和Cds为栅-源、栅-漏和漏-源之间的本征电容。

焊盘寄生电容值的提取主要通过一个开路结构的测试夹具获取[9]，该夹具没有晶体管只有焊盘，其具体等效电路模型见图3(a)，Cpgo,Cpdo和Cpdgo可以直接测试开路夹具的Y参数(YijO)获取，具体公式如下：

图2 HEMT器件大信号模型等效电路

(1)

(2)

(3)

寄生电感和寄生电阻的提取可以通过一个短路结构的测试夹具获取，该夹具包括焊盘、馈线以及一个短路的晶体管，其等效电路图见图3(b)。首先获取整个电路的Y参数，然后对Cpgo,Cpdo和Cpdgo去嵌，将去嵌后的Y参数转化成Z参数(ZijS)。Lg,Ld,Ls,Rs,Rd和Rg可以由图中虚线框部分的Z参数获得:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

电极间的交叉电容Cpgi,Cpdi和Cpdgi可以通过迭代法[10]，与本征电容一起进行优化得到：

(10)

式中:ZINT代表本征电容(Cgs,Cgd,Cds)；ZEXT代表电极间的交叉电容；ωk为角频率。优化过程中的误差可由下式计算获得[11]：

(11)

(12)

(a) 开路测试结构等效电路

(b) 短路测试结构等效电路

图3 测试夹具结构等效电路图

2 直流参数提取

STATZ直流模型是GaAs HEMT经典直流模型之一[12]。该模型中电流和电压的关系如下式所示：

(13)

式中：α、β、λ和b为STATZ直流模型的拟合参数;Uth为截止电压。

当Ids趋向于零时，Uth可由下式获得：

(14)

在饱和工作区(Uds≥3/α),当Ugs≈Uth时，可由式(15)、(16)获得λ和β值；当Ugs≫Uth时，可由式(17)获得b的值。在线性工作区 (Uds<3/α), 当Ugs≈Uth时，α的值可由式 (18)获得：

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：Ids1和Ids2为在不同偏置电压下的漏-源电流;Uds1和Uds2为与之对应的漏-源电压。

在AlGaN/GaN HEMT器件中，α,β,λ和b不再是固定的数值，而是与栅-源电压Ugs变化有关的变量[13]，如图4所示，α随着Ugs的增加而变大，β、λ和b则是随着Ugs的增加而减小，因此传统的STATZ直流模型需要改进。根据图4所示，对α,β,λ和b的提取值，进行公式拟合，得到拟合曲线的计算式为：

(19)

(20)

(21)

(22)

(a) α、β的拟合值与提取值比较

图4 直流模型参数的公式拟合值与参数提取值的比较

3 在片测试系统搭建与结果讨论

本模型是基于在片测试系统提取的，具体的在片测试系统搭建框图如图5所示，图中矢量网络分析仪为Keysight PNA N5227A，直流偏置电压由Agilent B1500A提供，所有的测试都是在Cascade探针台上进行，探针采用pitch为150 μm ACP探针，软件ICCAP为自动化测试提供了便利条件[14]。

目前，最常用的两种校准方法是TRL (Thru-Reflect-Line) 和SOLT (Short -Open-Load-Thru)。TRL方法优点在于所需要校准件简单，不需要理想的开路短路器件，该方法更适用于非同轴测试环境，比如共面波导结构测试，该方法对校准带宽有要求，一般要求工作带宽为起始频率的8倍[15-16]，因此更适用于窄带校准。SOLT更多依赖于校准件的性能指标，而且所需要的校准件比较多，校准比较复杂，但是它是一种宽带校准方法，可以在40 GHz的范围内提供良好的稳定的校准参数。通过上述对两者各自的优势与劣势的比较,我们选用了SLOT校准方法。

图5 S参数测试系统

我们在软件ADS里面，在0.1～40 GHz范围内，对AlGaN/GaN HEMT器件进行了S参数仿真；通过采用开路测试结构、短路测试结构的测量数值，提取寄生参数，具体提取值见表1。

表1 GaN HEMT器件模型寄生参数提取值

为了验证本文提出的模型，我们将AlGaN/GaN HEMT模型S参数仿真值与实际测量值在0.1～40 GHz频率范围内进行对比，结果如图6所示，两者具有良好的一致性。

图6 模型仿真结果与实际测量结果对比图

(Uds= 6 V，Ugs= -3.8 V)

测量了AlGaN/GaN HEMT器件的直流I—U特性。通过对表1寄生参数值去嵌，可以获得本征参数的直流I—U特性。改进型STATZ直流模型各个拟合值如表2所示。在图7中，将模型中的I-U曲线的模型值和测量值进行比较，AlGaN/GaN HEMT器件的改进型STATZ模型比传统STATZ模型准确度提高了10%左右。

表2 改进型STATZ模型参数提取值 (Uth= -4.8 V)

图7 AlGaN/GaN HEMT器件的I—U特性模型值与测量值对比

4 结 语

本文提出了一种改进的AlGaN/GaN HEMT器件大信号模型。模型中的寄生参数可以由开路结构、短路结构测试和数值优化方法提取，直流模型在传统的STATZ模型基础上进行了改进，比传统STATZ模型准确度提高了约10%。通过软件ADS对模型参数进行了仿真，与实验测量参数结果进行对比，获得了良好的一致性，从而验证了本模型的精确性。

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A Large-signal Modeling Method for AlGaN/GaN HEMT Using On-wafer Measurement

SHILi-yun1,SHENLi2,TANGMin1,GAOJian-jun2

(1. Key Laboratory of Design and Electromagnetic Compatibility of High Speed Electronic Systems of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Information and Science Technology, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

AlGaN/GaN is one of the most attractive semiconductor materials. The modeling method for AlGaN/GaN device is mainly based on the traditional FET GaAs model analysis method, without considering the new characteristics of AlGaN/GaN. A parameter-extraction approach for large-signal model of the AlGaN/GaN HEMTs is proposed in this paper. The values of the parasitic parameters are extracted by using test structure and empirical optimization pracedure. An improved empirical model for the DC characteristics is presented in this paper. The improvement consists in allowing the Statz model paramseters to vary with gate-source voltage. Good agreement is obtained between the modeled and measured results in the frequency range of 0.1～-40 GHz.

AlGaN/GaN HEMT; large-signal; model; on-wafer measurement

2015-10-29

国家自然科学基金重点项目61234001

史丽云(1986-)，女， 河北保定人，硕士，助理工程师，主要研究方向是微波测试测量。

Tel.：021-34204353; E-mail：shily@sjtu.edu.cn

TN 386

A

1006-7167(2016)09-0082-04