GaN HEMT射频等效电路建模研究

李 超， 王 军

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引 言

第三代宽禁带半导体材料GaN基的高电子迁移率晶体管(hihg-electron-mobility transistor,HEMT)不仅具有宽的禁带(3.47eV)，而且具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及热稳定性好等特性，因此,在制备高温、高频、高压及大功率器件方面备受关注，在军用和民用市场有着广阔的应用前景。

GaN HEMT作为功率放大电路的核心器件，在研究分析功率放大电路的性能指标时，需对GaN HEMT功率器件的射频信号进行建模。由于生产过程中的工艺误差、模型的不确定性以及环境因素的影响，GaN HEMT功率器件的等效电路模型的研究尚未成熟。GaN HEMT功率器件的等效电路模型需考虑器件的非线性特性，如自热效应和陷阱效应。常见的GaN HEMT经典大信号非线性模型有Curtice,EEHEMT,Angelov-GaN,ASM-HEMT和MVSG-HV等模型。

本文通过综合考虑10 μm×90 μm的GaN HEMT功率器件的本征物理特性、测试互连线的寄生特性及模型的准确性，选用了一种适用于射频等效电路模型，提出一种简化提取模型参数建立了射频大信号模型拓扑。模型包含了GaN HEMT功率器件的直流IV,栅电流、非线性电容、寄生参数、陷阱效应及噪声等特性。将所建等效电路模型通过符号定义器件(SSD)移植于射频电子设计自动化(EDA)软件ADS2016中，通过仿真参数模拟结果与测量的参数结果对比，验证了本文方法的实用性和准确性。

1 器件介绍与大信号模型

GaN HEMT器件作为第三代半导体材料，其器件结构和机理与传统的FET晶体管类似，在异质结的界面由于存在能带的不连续性，构成势阱，将载流子限制在一个很薄的二维平面内，构成二维电子气(2DEG)，形成导电沟道。

GaN HEMT经典的器件物理结构如图1所示，从下至上依次为SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、Si3N4钝化层，其中,势垒层和缓冲层是异质结材料最主要的部分[1]。了解GaN HEMT器件的物理结构对射频等效电路模型研究具有指导意义。

图1 AlGaN/GaN HEMT结构示意

GaN HEMT功率器件主要应用于高温大功率场合，常用的射频大信号等效电路模型如图2所示[2]，此模型能够正确描述漏源电压从零开始到雪崩击穿电压之间的整个变化状态。该等效电路较复杂且包含了较多的非线性元件(Cgs，Cgd等)，因此,不能直接求解非线性源漏电流Ids与偏置电压(Vds，Vgs)的关系。可以在某一具体偏置下求解模型中的线性元件值，再求解Ids的关系式。

图2 GaN HEMT大信号等效电路模型

2 GaN HEMT大信号模型拓扑

GaN HEMT功率器件的寄生参数包含Lg，Ls，Ld，Rg，Rs，Rd。寄生参数值为线性元件，不随温度、电流的变化而变化，本文使用一组测量的Z参数数据，分析提取GaN HEMT功率器件的寄生参数值。GaN HEMT功率器件中非线性源和漏极电阻跟随漏极电流的增大而增大，这是由于该区域电子速度的饱和所致，漏极源极的电阻值取决于流经该区域的电流量，因此，可以将电阻Rd，Rs，Rg纳入电流模型Ids中[3]。本文所采用大信号等效电路模型是基于器件表面电位形式的漏极电流和本征端子电荷的表达式来同时模拟GaN HEMT器件的直流特性和本征电容。通过拟合直流特性的一些关键模型参数的提取流程，建立基于表面电位的与漏极电流相关的Ids模型，将Rg，Rd和Rs的影响嵌入Ids电流模型中，通过gm和gds的值体现Rd,Rg和Rs值的变化，且在推导过程中忽略它们而不影响模型的精度，从而能够显著地简化了大信号信号等效电路的建模过程。

图3 Im(Z)与频率f的实测数据

由图3可知，在偏置点Vds=5 V，Ids=100 mA/mm下，频率f1=25.5 GHz,f2=23.8 GHz处取得极小值，根据式(1)、式(2)，取频率的导数，其在局部极小值处等于零[4，5]，因此可以得到

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

方程(1)～(5)是利用Z参数矩阵虚部的倒数与频率的函数关系式求解寄生参数的值，其中Lgg(dd)=Lg(d)+Ls。

GaN HEMT功率器件的非线性特性包含陷阱效应、自热效应及噪声等。精确的陷阱模型对于估计GaN HEMT的大信号射频行为是至关重要的[6]。本文对陷阱效应建模，如图4所示。

图4 陷阱效应模型

两个RC子电路用于建模表征陷阱效应，分别用于栅极滞后和漏极滞后。将电压Vtrap1，Vtrap2反馈到大信号等效电路模型中更新其关键参数，如式(6)～式(9)所示

VT(Trap)=VT+(VTR×Vtrap2)

(6)

η0(Trap)=η0+(η0R×Vtrap2)

(7)

CCD(Trap)=CCD+(CCDR×Vtrap2)

(8)

Rds(Trap)=Rds-(RR1×Vtrap1)+(RR2×Vtrap2)

(9)

式中VT为GaN HEMT功率器件的夹断电压，η0为漏断势垒电压参数，Rds为GaN HEMT功率器件接入区域电阻，CCD为迁移率退化因子，将陷阱模型得到的参数反馈到大信号等效电路模型中。随着设备工作功率的增加，设备的局部温度可能会远远高于环境温度，导致设备特性发生显著变化。这种效应称为自热效应。当器件通道长度减小时，横向电场增大，需要求解二维泊松方程来精确计算通道内的电荷密度[7]。在夹断电压Vth=Vds×η中引入一个参量，其中,η为与通道长度有关的短通道效应参数。则可以通过GaN HEMT功率器件的表面电荷表征电流Ids

(10)

(11)

ψds(1+λVds)

(12)

(13)

本文的GaN HEMT的等效电路模型是基于表面电位(ψ)及其栅极电压(Vg)和漏极电压(Vd)偏差而变化的分析建模，包含漏端势垒降低(DIBL)、迁移率退化、通道长度调制(CLM)等[8]。式(10)、式(11)表示栅极电荷(Qgi)和漏极(电荷Qdi)，其中，Ns0表示载流子的密度，Vsa表示载流子的饱和速度，U0表示载流子迁移率。GaN HEMT功率器件从栅极边缘到漏极/源接点有一个间隙,这些区域称为接入区域。电子速度的准饱和现象发生在通路区域，这些区域有效地表现为一个非线性电阻Rds。

其中GaN HEMTs中的栅极触点是肖特基结，有电流流入或流出栅极端，这取决于所施加的电压。然而，以热离子发射作为电流流动机制的标准肖特基二极管模型，不能解释在这些器件中看到的高栅泄漏。而弗伦克尔·普尔(FP)模型较好地描述了反向泄漏。将FP模型与表面电位计算相结合，得到栅电流模型[9]。如式(14)所示，其中，β表示势垒高度，Es表示GaN的表面电场

(14)

(15)

(16)

3 射频等效电路模型验证

为了验证本文提出的GaN HEMT大信号等效电路模型的准确性, 本文将所建的等效电路通过SSD移植于射频电子设计自动化(EDA)软件ADS2016中，SSD的方法是根据各节点电压、电流的关系构建各端口相关方程，从而描述各本征部件随栅压、漏压变化的规律，通过仿真散射参数、Ids及效率的模拟结果与测量的结果进行对比验证，根据上一节推导的数学表达式,利用MATLAB仿真软件进行仿真, 大信号等效电路模型中关键参数如表1所示。其中，GaN HEMT功率器件是10 μm×90 μm的器件,栅极到源节点和栅极到漏极节点之间的接入区域长度分别为200 nm和1.7 μm。

表1 GaN HEMT射频等效电路的关键参数

如图5所示，在不同偏置下，GaN HEMT功率器件的在ADS中仿真的散射参数与实测的散射参数相吻合，验证了模型的准确性。

图5 在不同偏置下，1～50 GHz测量与仿真散射参数

根据所建模型仿真得到Ids-Vgs与Ids-Vds的数据图，如图6、图7所示，图6中Vds分别为1，5,9 V，图7中Vgs电压值从-4.5～2.5 V，可以看出射频等效电路模型与实测数据相吻合，证明了所建的射频等效电路模型的有效性。将GaN HEMT功率器件应用于功率放大电路，通过负载牵引、源牵引技术，得到在偏置Vd=5 V，Id=100 mA/mm下，通过频率扫描仿真得到模型的输出功率(Pout)、增益(Gain)和功率附加效率(PAE)与输入功率(Pin)的函数关系,如图8所示。由图8可知，模型数据与测量数据能很好的吻合，体现了模型的精确性，同时模型出现了增益压缩，说明此模型对后续GaN HEMT功率器件的非线性特性研究有很大的帮助。

图6 实测值Vgs与模型拟合值比较

图7 模型与测量的Ids与Vds的关系

图8 同一偏置下，模型与测量的Pout,Gain和PAE比较

4 结 论

本文是根据GaN HEMT功率器件的本征物理特性，给出了射频等效电路模型，综合分析GaN HEMT的非线性(陷阱效应、自热效应及噪声等)求解源漏电流Ids方程。将射频等效电路模型以SSD的方式嵌入ADS2016中，仿真的S参数、Ids参数和功率参数与10 μm×90 μm的GaN HEMT功率器件实测数据相对比，验证了模型和方法的有效性和准确性。