高温应用中GaN HEMT大信号建模的ASM-HEMT

来源：An ASM-HEMT for Large-Signal Modeling of GaN HEMTs in High-Temperature Applications（JEDS 23年）

摘要

本文报道了一种用于模拟高温环境下氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的温度依赖性ASM-HEMT模型。我们对标准ASM-HEMT模型进行了改进，以准确捕捉在不同热板温度下收集到的直流和射频测量数据。文中报告了多个验证模型有效性的结果，包括直流-电压、脉冲-电压、散射参数以及负载牵引测量等。然后，利用该模型将GaN HEMT的性能外推至其验证时工作温度的两倍。这项研究对于理解和模拟高温环境应用中的GaN HEMT具有实用性。

关键词：氮化镓、高电子迁移率晶体管、高温、ASM-HEMT、负载牵引。

文章的研究内容

文章的研究内容是关于在高温应用中对氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）进行大信号建模的ASM-HEMT（Advanced Surface Potential Model）。研究的主要内容包括：

1. 温度依赖性ASM-HEMT的开发：为了在不同温度下准确捕捉GaN HEMT的直流（DC）和射频（RF）测量数据，对标准ASM-HEMT进行了修改。

2. 模型验证：通过与在不同夹具温度下收集的DC-IV、脉冲IV（PIV）、散射参数（S参数）和负载拉动（load-pull）测量结果的比较，验证了模型的准确性。

3. 模型参数的调整：对ASM-HEMT的关键参数进行了调整，以确保模型能够准确反映温度变化对GaN HEMT性能的影响。这包括对阈值电压（Voff）和由于漏极电压变化导致的亚阈值斜率变化（Cdscd）等参数的调整。

4. 射频模型的提取和验证：在核心DC ASM-HEMT提取和验证之后，研究了射频模型。通过在室温下提取外部寄生网络，并将其与核心ASM-HEMT结合，然后与在不同环境温度下收集的S参数测量结果进行比较，对模型进行了验证。

5. 大信号性能的预测：使用经过验证的温度可扩展ASM-HEMT模型，预测了GaN HEMT在模型验证温度的两倍（350°C）下的大信号性能。这包括在30 GHz频率下，对GaN HEMT的输出功率（POUT）和功率附加效率（PAE）进行了模拟，并与温度相关的负载拉动测量进行了比较。

6. 模型在350°C的预测：考虑到某些应用中GaN HEMT可能在比当前晶圆射频测量系统所能测试的更高环境温度下运行，研究了温度依赖性ASM-HEMT的外推，以提供超出晶圆测量能力的模型预测。

文章的研究目的是为了更好地理解和模拟在高温环境下GaN HEMT的性能，这对于设计适用于极端环境的集成电路（如高温应用）具有重要意义。

文章的创新点

1. 温度可扩展的ASM-HEMT模型：开发了一个能够在不同温度下准确模拟GaN HEMT性能的温度可扩展的ASM-HEMT模型。这个模型通过调整关键参数，如阈值电压和亚阈值斜率，来捕捉温度变化对器件性能的影响。

2. 模型参数的调整：对ASM-HEMT的标准参数进行了调整，特别是对阈值电压和亚阈值斜率参数引入了线性函数，以更好地适应温度变化。这种调整使得模型能够更准确地预测在高温环境下的器件性能。

3. 射频模型的提取和验证：在室温下提取了外部寄生网络，并将其与核心ASM-HEMT结合，然后通过与在不同环境温度下收集的S参数测量结果进行比较，验证了射频模型的准确性。

4. 大信号性能的预测：使用温度可扩展的ASM-HEMT模型，对GaN HEMT在高达350°C的高温环境下的大信号性能进行了预测。这种预测对于设计在极端温度条件下工作的集成电路非常有用。

5. 模型在350°C的外推：研究了在超出当前晶圆射频测量系统能力的温度下，GaN HEMT性能的模型外推。这为在没有实际测量数据的情况下设计集成电路提供了可能。

6. 负载拉动模拟：通过负载拉动模拟，研究了在高温条件下优化晶体管性能的可能性。这为在高温环境下优化GaN HEMT的性能提供了新的见解。

文章的研究方法

1. 温度可扩展的ASM-HEMT模型开发：基于标准ASM-HEMT模型，开发了一个能够适应不同温度条件的版本。这包括对模型参数进行调整，以确保在不同环境温度下都能准确模拟GaN HEMT的性能。

2. 直流（DC）模型的提取和验证：首先从室温下的GaN HEMT测量数据中提取DC参数，然后通过调整参数以匹配不同温度下的DC-IV和PIV测量结果来验证模型。

3. 射频（RF）模型的提取和验证：在验证了DC模型之后，研究了RF模型。这包括在室温下提取外部寄生网络，并将其与核心ASM-HEMT结合，然后与在不同环境温度下收集的S参数测量结果进行比较。

4. 大信号性能的模拟和验证：使用温度可扩展的ASM-HEMT模型进行大信号模拟，并将模拟结果与在不同环境温度下进行的负载拉动测量结果进行比较。

5. 模型在350°C的外推：在模型验证的温度范围内（25°C至175°C）收集数据后，将模型外推到350°C，这是当前晶圆射频测量系统无法直接测量的温度。通过模拟在350°C下的性能，为在更高温度下设计集成电路提供了指导。

6. 负载拉动模拟：在不同温度下进行负载拉动模拟，以优化晶体管在高温条件下的性能。这包括在25°C和350°C下进行模拟，并比较在这些温度下的最佳负载阻抗。

7. 实验测量：在实验中，使用可变环境温度的探针站和射频测量系统来收集GaN HEMT的DC和RF特性数据。这些数据用于验证和调整模型。

8. 模型参数的调整：根据实验数据，对模型参数进行调整，包括阈值电压、亚阈值斜率、寄生电容和寄生电阻等，以确保模型在不同温度下都能提供准确的预测。

文章的结论

1. 温度可扩展模型的有效性：研究者报告了一个温度可扩展的ASM-HEMT模型，该模型能够准确模拟在升高温度下GaN HEMT的直流和射频性能。通过在不同环境温度下收集的DC-IV、PIV、S参数和负载拉动测量结果来验证模型，证明了模型的有效性。

2. 模型参数的调整：为了更好地适应温度变化，对ASM-HEMT的关键参数进行了调整，包括阈值电压和亚阈值斜率。这些调整使得模型能够更准确地预测在高温环境下的器件性能。

3. 大信号性能的预测：使用温度可扩展的ASM-HEMT模型，研究者能够预测GaN HEMT在高达350°C的高温环境下的大信号性能。这表明模型可以用于设计和优化在极端温度条件下工作的集成电路。

4. 高温下的器件性能：模拟结果表明，在350°C的高温下，GaN HEMT的大信号Ka波段性能会显著下降。为了优化器件性能，需要进行负载拉动模拟，以调整最佳负载阻抗。

5. 设计指导：研究提供了在高温环境下优化GaN HEMT性能的方法，并通过模拟展示了如何通过调整负载阻抗来提高功率附加效率（PAE）。这为射频设计工程师在高温环境中设计和优化器件提供了指导。

6. 未来工作：这项工作为未来在高温环境下GaN HEMT的建模和设计提供了基础，有助于推动高温电子技术的发展，并为相关应用（如高速飞行器和深油钻探）中的半导体技术提供了支持。