微波GaN HEMT大信號模型的開發

微波GaN HEMT大信號模型的開發

Developmentof Nonlinear Large Signal Model for MicrowaveGaN HEMTs

尹成功、裴軼，蘇州能訊高能半導體有限公司

蘇州能訊高能半導體有限公司已發布了適合5G移動通信的寬頻、高效氮化鎵（GaN）功放管。為提供良好的用戶體驗，能訊與國內外建模團隊開發了微波GaNHEMT模擬模型。該模型支持主流的模擬軟體，如KeysightADS。設計人員只需按照使用手冊即可快速配置和使用模型。

模擬模型開發的背景

對於硅基、砷化鎵基的半導體器件，業界已經存在非常成熟的器件表徵和建模方案，如硅基器件中的BSIM模型系列，砷化鎵基器件中的Angelov、EEHEMT模型。但是對於微波GaN HEMT，目前還沒有一種完全通用且成熟的建模方案，這是因為GaN HEMT中存在諸多複雜的物理效應，如陷阱效應，而硅基或砷化鎵基器件模型中並未對這些效應進行充分表徵。另一方面，每個半導體廠商的GaN HEMT工藝線存在差異，即使現有的GaN HEMT建模方案也難以在不同廠商之間移植。

目前，微波GaN HEMT建模領域存在兩種主流建模路線，一種是完全基於測試數據的行為級模型或查表模型，如X-parameters，這種建模方案在測試數據範圍內模擬結果與測試結果對比非常精確，但是建模過程需要非常繁雜的測試數據，且模型模擬範圍不能超出測試範圍；另一種是通過測試數據推導獲得的經驗公式模型，如Angelov-GaN，這種建模方案可以預測測試數據範圍外的器件性能，但模擬精度不及行為級模型或查表模型。上述兩種建模路線各有優缺點，半導體器件廠商會根據客戶需求研發不同的模型。

線性小信號模型的開發

通常，電路設計人員得到的GaN HEMT模型為非線性大信號模型，使用這種模型可完成IV模擬、S參數模擬、Load pull模擬、諧波模擬、波形工程模擬等諸多模擬。而線性小信號模型則是建立非線性大信號模型的基礎，也是器件工程師進行器件性能分析、工藝監控的有力手段。

線性小信號模型的開發過程分為小信號等效電路拓撲結構建立和等效電路參數值提取兩部分。常見的小信號模型等效電路如圖1所示，其拓撲結構與MOS器件的π型等效電路非常相似，電路中的每一個模型參數都有相應的物理含義，如Cgs表示器件的輸入電容，Rds表示器件的輸出電阻。等效電路參數提取過程分為去嵌入外部寄生參數和提取本徵參數兩步，具體提取流程參見文獻[1]。

對於不同製造工藝的GaN HEMT，器件工程師可通過改變小信號等效電路拓撲結構或模型參數提取演算法來提高模型的擬合精度，比如我們通過加入與Cds串聯的Rdso提高了S22的擬合精度[2]，S參數的對比如圖2所示。

固化小信號模型電路拓撲結構和參數提取演算法後，可將整個過程編程實現模型參數自動提取，從而用於工藝監控或快速獲取多偏置點模型參數。圖3a和3b展示了總柵寬為0.58mm的GaN HEMT晶元中Cgs、Cgd隨偏置的變化，這種變化是晶元非線性的來源之一。

小信號模型模擬精度通過使用模擬數據與測試數據對比的方法來衡量，模擬和實測S參數的對比結果和誤差數據如圖4所示，誤差的計算方法參見文獻[3]。從圖4a和4b的對比結果看，我們的小信號拓撲結構和模型參數提取演算法在多偏置範圍內有很好的精度。

器件工程師通過分析小信號模型參數對微波電路的影響，可有目的地進行器件結構和版圖結構設計，最終為客戶提供更易調試、更高性能的功放管或晶元產品。

非線性大信號模型的開發

如前所述，主流的非線性大信號模型建模路線包括行為級建模和經驗公式建模，這兩種模型都能夠嵌入到EDA軟體中供電路設計人員使用。在初期模型開發中，我們建立了GaN HEMT的行為級模型，該模型在測試範圍內具有非常高

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