ASM-HEMT参数提取和模型验证测试

参数提取程序

直流I-V参数提取

DC模型参数提取流程对于ASM-GaN-HEMT模型可以总结在下图中。

以下步骤描述了该流程：

1. 在模型中设置物理参数，如L（沟道长度）、W（沟道宽度）、NF（栅指数）、TBAR（势垒层厚度）、LSG（源栅极间距）和LDG（漏栅极间距）。这些参数通常由器件工艺技术人员提供。
2. 首先，提取过程专注于获取线性VD条件参数。从线性漏极电流与偏置电压条件，即VD在50至100毫伏范围内的ID−V G特性曲线中，我们可以提取诸如V OFF和NFACTOR等参数。其中，V OFF代表截止电压，这是一个非常重要的参数。对V OFF的初步估算值可以从ID−V G曲线（线性尺度）中得到，即当ID开始上升时对应的V G值。随着参数提取流程的推进，这个粗略值可以逐步微调以达到最佳拟合效果。NFACTOR参数则控制着器件亚阈值区的斜率，可以通过将模型拟合到VD条件下的ID−V G特性曲线（对数尺度上）来提取这一参数。
3. 在获取了V OFF和NFACTOR之后，应从线性VD条件下的ID−V G特性中提取载流子低场迁移率U0以及载流子垂直电场依赖参数UA和UB。通过使用U0、UA和UB这三个参数，可以准确模拟出线性VD条件下跨导GM及其导数GM′和GM″。这里需要注意的是，串联电阻也会影响线性ID−V G特性。为了这一步骤的准确性，将串联电阻参数RSC、NS0ACCS、D、MEXPACSS、D的值保持在合理范围内是很有帮助的。串联电阻参数（后续会进行微调）的初始值可以通过特殊测量方法如TLM结构获得，或者简单地接近于先前提取的器件参数值。
4. 完成线性VD条件下的拟合后，接下来应从高VD条件中提取参数。如同前面所述，我们首先关注高VD条件下的ID−V G特性，并从中提取次截止电压或低电流区的参数。由于漏极诱导势垒降低效应，在高VD条件下，截止电压会减小，这一现象可以通过提取DIBL参数ETA0和VDSCALE来建模表示。同时，在高VD条件下亚阈值斜率也会恶化，这在ASM-GaN-HEMT模型中可以通过参数CDSCD进行模拟描述。
5. 接下来，对高VD条件下高于Voff的ID−V G曲线进行拟合。这一拟合的关键参数包括速度饱和参数V SAT、通道长度调制参数（LAMBDA）以及非线性串联电阻参数NS0ACCS, S, MEXPACCS, D和U0ACCS, D。这些参数可以通过在 linear尺度上拟合高VD条件下的ID − V G特性来提取。V SAT最好从中间电流水平下提取，此时在高VD条件下的GM随V G增大而上升。非线性串联电阻会导致GM随着V G增加而下降，相关参数应调整以适应该区域。自热效应在高电流和高漏电压区域也会产生影响，因此器件的热阻值应根据特殊测量、TCAD模拟或先前的经验设定为一个合理的数值。通过本步骤中指示的参数，可以实现不同VD条件下跨导的精确建模。完成这一步骤后，建议回到线性ID-V G特性，并进行更为精细的调整以进一步提升拟合效果。
6. 接下来，应关注输出特性ID−V D。由于在不同VD条件下ID-V G已经完成拟合，因此ID-V D应该已经被准确地模拟出来。如有需要，可以对参数进行微调以进一步提升模型的精确度。

上述步骤完成了ASM-GaN-HEMT模型在室温下的直流参数提取流程。对于模拟其他温度下的直流I-V特性，该模型中已实现了对关键模型参数的温度缩放方程。通过使用这些温度参数，可以在多种温度下模拟直流I-V特性。

射频参数提取

ASM GaN模型的本征器件及其寄生效应，用于全射频模型

在完成直流参数提取后，可以使用该模型模拟S参数。为此，需要考虑寄生组件，并围绕模型构建一个子电路以表示所有寄生电容和电感。与实际布局及测量参考平面位置相关的寄生元件需与ASM GaN模型的固有部分相结合。

完整的模型可以形象地表示为如图所示的三层结构：第一层是本征的ASM GaN模型；第二层是由Zex（其中x=g、d或s）表示的电极引线的电感、电阻和电容模型；第三层则是源极通孔、栅极和漏极集总区的寄生元件。第三层的寄生效应可以通过集中参数网络进行建模，或者直接利用电磁仿真得到的S2P文件对该区域进行建模。第二层的寄生元件可以通过文献中标准的提取流程获取。

通过使用正确的寄生网络，可以从测量数据和Y参数的虚部中观察到栅源、栅漏以及漏源电容。参数CGSO、ADOSI、BDOSI和V DSATCV可用于调整在不同Vds下的Cgs随Vgs变化的行为。CGSO应调整以设定Vgs偏压低于截止电压时Cgs的值。而ADOSI和BDOSI则可以调节Cgs随Vgs增加的速度。

接下来，对于Cgd随Vds变化的特性，可以通过调整CGDL参数来控制随着Vds增加时Cgd的减小。在拟合Cds参数时，可以使用CDSO、CJ0、AJ和DJ这几个参数。在高频下观察到的栅极电阻效应可以通过栅极电阻参数RSHG和XGW进行模拟。

小信号下的跨导gm和gds在不同偏置条件下的直接表现源于已经建模好的I-V行为，在低频条件下得出的结果会与测量数据较为接近。在更高频率下，由于自热导致的gm和gds的频率依赖性可以通过CTH0参数进行调节。

完成在多个直流偏置点处的S参数模型构建后，可以实现大信号射频模型对输入功率扫描曲线以及负载/源端拉动测量的模拟。对于大信号性能建模的重要区域之一是I-V曲线中的拐点区域（knee region）。这一区域主要由接入区电阻参数以及平滑参数DELTA、MEXPACCS和MEXPACCD所控制。

制造过程中的变异性提取

本节描述了一种方法，利用ASM-HEMT模型在蒙特卡洛（Monte-Carlo, MC）模拟中对电子器件性能参数的变异性进行建模。制造工艺导致了器件几何参数的变异性，这些参数包括但不限于栅极长度L、栅极宽度W、势垒层厚度T_bar、源极-栅极接入区长度L_sg以及漏极-栅极接入区长度L_dg。因此，通过标准偏差σ_G来衡量的器件几何参数的变异性包含了上述所有参数的变化情况：
$${\sigma }_G=({\sigma }_L,{\sigma }_{Tbar},{\sigma }_{Lsg},{\sigma }_W,{\sigma }_{Ldg}).$$
σ_G通常在晶圆厂制造过程中被监控。这些参数的变化可以通过晶圆厂公差信息直接设置到模型中。

在设置σ_G之后，可以对名义器件ASM-HEMT模型进行蒙特卡洛模拟，以观察和比较像跨导G_m这样的电学性能参数的变化与实际测量结果。

系统性提取模型参数的过程

通常情况下，仅依靠几何尺寸的变异性不足以完全表征电学性能参数的变异性。如图展示了一个系统性的流程，用于提取电学模型参数的变异性。如图所示，第一步是从电流到跨导比β（定义为β=I_ch/G_m,ch）中提取V OFF（阈值电压）的变异性。β应当从中间栅极电压下的线性区转移特性曲线获得，在此区域内，总电流不受接入区电阻限制。接下来，通过模拟I_ch的变化来提取载流子迁移率的变异性，然后通过包含串联电阻参数RS和RD的变化来模拟接入区电阻的变化。

用于电阻建模的接入区电阻模型

在ASM-HEMT中应用非线性接入区电阻模型可以模拟晶圆厂工艺中的二维电子气（2-DEG）电阻器。为了设置适应这种应用场景的模型，需要将模型中所有的场板功能关闭，即将FPMOD开关设为0。栅极长度应设定为最小值20e-9（即20纳米），并将阈值电压V OFF设为-10伏特。为了模拟两端电阻，需要将栅极和源极端子短接。电阻的总长度由LSG和LDG模型参数之和来设定。接入区的迁移率和饱和速度参数可用于模拟电阻的非线性行为。