[發明專利]一種GaN HEMT器件多物理場耦合大信號模型建立方法

有效

• 申請號: 201810260358.6
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108416167B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 陳勇波
• 申請（專利權）人: 成都海威華芯科技有限公司
• 主分類號: G06F30/3308
• 分類號: G06F30/3308
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;張巨箭

本發明公開了一種GaN HEMT器件多物理場耦合大信號模型建立方法，包括以下步驟：S1：分別建立器件熱參數、電參數和應力參數與器件物理參數的映射關系；S2：基于物理基大信號模型建模理論，推導大信號模型內核的解析表達式；S3：分別將熱?電耦合、熱?力耦合和力?電耦合量化嵌入大信號模型內核中，得到修正后的大信號模型內核；S4：將修正后的大信號模型內核帶入模型等效電路拓撲中，構成完整的電?熱?力多物理場耦合大信號模型。本發明引入了GaN外延層中應力的影響，從而完整描述器件的電?熱?力多物理場耦合效應，提升GaN HEMT器件模型精度，并且模型可用于指導新型器件設計和工藝改進。

技術領域

本發明涉及半導體集成電路制造領域，尤其涉及一種GaN HEMT器件多物理場耦合大信號模型建立方法。

背景技術

AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）具有非常高的二維電子氣(2DEG)濃度、高飽和電子遷移速度和高擊穿電壓等優點，使得GaN HEMT器件在微波功率應用領域具有GaAs器件無法比擬的優勢，是目前研究和應用的熱點，在通信、雷達、電子戰等領域得到了越來越廣泛的應用。

由于GaN自身熱導率不高，加上材料特性和工藝限制，很難直接采用同質外延方法（GaN襯底生長GaN外延）來制備性能質量良好的微波功率器件。目前大多采用異質外延的方法，即在異質的襯底材料上直接外延生長或采用剝離轉移的技術來形成GaN HEMT器件和電路。常用的GaN HEMT器件襯底材料有碳化硅（SiC）、硅（Si）、藍寶石、以及目前最新的金剛石等。這些襯底材料與GaN外延的晶格類型、晶格常數和熱膨脹系數都有不同程度的失配，特別是Si和金剛石襯底。從而在GaN外延中，由于襯底失配引入的應力無法完全弛豫。因此，在GaN HEMT器件內部微納尺度環境下，存在電、熱和應力三種物理能量的相互激勵和耦合，從而產生電-熱-力多物理場耦合效應。

晶體管器件模型在電路設計和工藝設計之間發揮著橋梁的作用，精確的器件模型，對指導器件優化設計、減少迭代次數、縮短研制周期、以及減小開發成本，有非常重要的作用。由于GaN HEMT器件的電性能對熱和應力的影響非常敏感，因此，器件的大信號模型必須考慮電-熱-力多物理場耦合效應的影響。而傳統的GaN HEMT器件大信號模型建模方法，目前只初步實現了熱-電耦合的大信號模型，關于電-熱-力多物理場耦合效應的GaN HEMT器件大信號模型還未見相關報道。因此，目前精確的GaN HEMT器件模型，已成為器件性能優化和電路設計的瓶頸。而對多物理耦合效應的準確建模，是提升GaN HEMT器件大信號模型精度的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種GaN HEMT器件多物理場耦合大信號模型建立方法，解決傳統的GaN HEMT器件大信號模型對多物理場耦合效應描述不全面，從而導致模型精度較低的問。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種GaN HEMT器件多物理場耦合大信號模型建立方法，包括以下步驟：

S1：分別建立器件熱參數、電參數和應力參數與器件物理參數的映射關系；

S2：基于物理基大信號模型建模理論，推導大信號模型內核的解析表達式；

S3：分別將熱-電耦合、熱-力耦合和力-電耦合量化嵌入大信號模型內核中，得到修正后的大信號模型內核；

S4：將修正后的大信號模型內核帶入模型等效電路拓撲中，構成完整的電-熱-力多物理場耦合大信號模型。

進一步地，所述的熱參數包括器件的材料熱導率、界面熱阻，所述的電參數包括器件溝道二維電子氣濃度和電子遷移率，所述的應力參數包括器件材料的熱膨脹系數、彈性系數、泊松比，所述器件物理參數是指器件物理結構和物理機理相關的參數。

進一步地，步驟S1中，建立熱參數與器件物理參數的映射關系包括以下子步驟：