CC BY
22APRIL 27-28, 2023
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С
ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ Ловшенко И.Ю.1, Кратович П.С.2, Новиков П.Э.3, Корсак К.В.4, Стемпицкий В.Р.5
1'2'3'4'5Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г.
Минск, 2ОАО «Минский НИИ радиоматериалов», г. Минск https://doi.org/10.5281/zenodo.7859900
Аннотация. В данной работе приведен краткий обзор доступных компактных моделей приборных структур транзисторов с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) на основе GaAs. Представлены результаты приборно-технологического моделирования ТВПЭ с проектными нормами 0,2 мкм, разработки методов определения (экстракции) параметров компактной модели ASM-HEMT. Выполнено сравнение результатов моделирования характеристик ТВПЭ с данными экспериментальных измерений.
Ключевые слова: Транзисторы с высокой подвижностью электронов, экстракиця, моделирование, компактная модель, ASM-HEMT.
ВВЕДЕНИЕ
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) находят применение в СВЧ-электронике, усилителях мощности, мобильной связи, а также военной промышленности [1]. Их применение обусловлено высокой подвижностью носителей заряда и стойкостью к ионизирующему излучению. Способность полупроводниковых приборов работать на более высоких частотах связана со скоростью электронов. В связи с этим в СВЧ-электронике активно применяются приборные структуры на основе GaAs. Использование транзисторов на основе арсенида галлия позволяет получить больший коэффициент усиления, а также линейность коэффициента усиления в широкой полосе частот, в том числе при низких температурах. ТВПЭ обеспечивают более высокий КПД при одинаковом напряжении питания и благодаря меньшим емкостным эффектам позволяют использовать более высокую частоту и большую полосу пропускания.
Для моделирования работы электрических компонентов существуют разные виды компактных моделей, различающиеся по архетиктуре, принципу построения, возможностям и другим различным критериям [2]. Для моделирования ТВПЭ были разработаны эмпирические (EEHEMT [3], Angelov [4] и Angelov GaN [5]) и физические (ASM-HEMT [6] и MVSG [7]) компактные модели, а также компактная модель на основе нейросетей (DynaFET [8]). Все приведенные модели обладают необходимыми критериями для выполнения моделирования. Модели EEHEMT и Angelov позволяют достаточно быстро проводить моделирование и отличаются легкостью процесса экстракции, а также не требуют данных о технологии изготовления прибора. Модель DynaFET обладает самой высокой точностью, однако процесс экстракции параметров затруднителен, и данная модель не обладает геометрической масштабируемостью. Модели ASM-HEMT и MVSG хоть и не настолько точные, как DynaFET, но являются геометрически масштабируемыми, а также позволяют моделировать наибольшее число параметров из всех вышеперечисленных моделей. Таким образом, на основе анализа доступных компактных
APRIL 27-28, 2023
моделей сделан вывод, что рациональнее всего при моделировании применение физической модели ASM-HEMT, т.к. имеет большое число экстрагируемых параметров, обладает геометрической масштабируемостью.
Таким образом, целью работы является разработка методов определения (экстракции) параметров модели ASM-HEMT, включающей блок, описывающий деградацию электрических характеристик ТВПЭ на основе GaAs под влиянием специальных внешних воздействующих факторов.
СТРУКТУРА ТВПЭ
Приборная структура двухканального псевдоморфного ТВПЭ (DpHEMT) на основе GaAs с проектными нормами 0,2 мкм представлена на рисунке 1, а. В качестве материала подложки выступает арсенид галлия толщиной 200 мкм. Для донорного слоя используется AlGaAs толщиной 40 нм и концентрацией 2-1018 см-3. Буферный слой выполнен из GaAs и AlGaAs, толщина который равна 0,2 мкм и 40 нм соответсвенно. Активный слой выполнен их GaAs толщиной 60 нм. Для металлизации используется система Ti/Au. В качестве межслойной изоляции и пассивации используется полимер Cyclotene 4022-35 толщиной 3,5 мкм.
В программном пакете Victory Device компании Silvaco заданы параметры фрагмента приборной структуры ТВПЭ. Работа выхода исток-стоковых контактов составляет 3,7 эВ, контакта затвора - 5,2 эВ. Для получения величин тока стока близких к результатам измерения проведена корректировка энергии сродства электрона для GaAs в разных областях приборной структуры. Ширина запрещенной зоны полупроводниковых материалов рассчитывается в соответствии с концентрацией примеси, температурой и т.п. Конфигурация зонной диаграммы для заданных условий при напряжениях на затворе
Уз = 0 В и стоке Vc = 0,1 В представлена на рисунке 1, б.
о Л 1 1
-Зона проводимости
Валентная зона
Контактный слой
Барьерный слой
Донорный слой Спейсер Активный слой Спейсер Донорный слой
Буферный слой Подложка
m
<п §
О)
а
ш I
о
W77Ä - Металл | | -GaAs
- AlGaAs
0,04
0,08 0,12 0,16 Глубина, мкм
0,20 0,24
б
Рисунок 1 - Приборная структура ТВПЭ (а) и зонная диаграмма в области затвора
при напряжении на затворе УЗ = 0 В и стоке УС = 0,1 В (б) ЭКСТРАКЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
Вольтамперные характеристики, используемые в процессе экстракции, получены в результате проведения натурных экспериментов. В соответствии с базовой стратегией экстракции параметров модели, отвечающих за описание поведения приборной сруктуры
936
0
2
а
APRIL 27-28, 2023
при DC-анализе, которая включает в себя 21 этап посредством применения модуля Utmost4 программного комплекса Silvaco определен набор параметров модели ASM -HEMT. Полученные с использованием экстрагированных значений параметров модели зависимости соответствуют результатам натурного эксперимента кроме области малых токов стока, соответствующих напряжению на затворе Уз от -0,7 до -1 В, для которой наблюдается критическая ошибка, т.е. полное расхождение результатов.
Предложена новая упрощенная методика определения параметров модели (таблица 1). Некоторые этапы процедуры экстракции, выделенные разработчиками модели ASM-HEMT и характеризующиеся одинаковыми условиями проведения, были объединены для достижения лучших результатов. Характеристики, полученные с использованием экстрагированных значений параметров модели, соответствуют результатам натурного эксперимента, что свидетельствует об эффективности исследуемой методики экстракции и внесенных усовершенствований. Максимальная относительная погрешность схемотехнического моделирования с использованием экстрагированного набора параметров в сравнении с экспериментальными данными составила не более 42,26 % (в области низких токов стока).
Таблица 1
Этапы стратегии экстракции параметров модели ASM-HEMT.
Этап Параметр Используемые характеристики и условия
1 VOFF, UA Зависимость 1с(Уз) при напряжении на стоке ¥с= 0,05, 1 В; УЗ изменяется в диапазоне [-0,9...0] В
2 CDSCD, VDSCALE, ETA0, NFACTOR Зависимость Тс(Уз) и gm(Уз) при напряжении на стоке Ус= 0,05, 1 В; Уз изменяется в диапазоне [-0,9...0] В
3 U0, NFACTOR, VOFF Зависимость 1с(Уз) и gm(Уз) при напряжении на стоке Ус= 0,05, 1 В; Уз изменяется в диапазоне [-0,9...0] В
4 NS0ACCS, NS0ACCD Зависимость 1с(Ус) и gs(Уc) при напряжении на затворе Уз = 0, -0,2, -0,4, -0,6 В; Vc изменяется в диапазоне [0...3] В;
5 VSAT, VSATACCS Зависимость 1с(Уз) и gm(Уз) при напряжении на стоке Ус= 0,05, 1 В; Уз изменяется в диапазоне [-0,9...0] В
6 RSC, RDC Зависимость 1с(Ус) и gs(Уc) при напряжении на затворе Уз= 0, -0,2, -0,4, -0,6 В; Ус изменяется в диапазоне [0...3] В
Компактная модель ТВПЭ реализована на языке описания аппаратуры Verilog-A и интегрирована в программный комплекс компании Cadence. На рисунке 2 представлено сравнение результатов моделирования характеристик ТВПЭ, рассчитанных на основе экстрагированного набора параметров модели ASM-HEMT в программных комплексах компании Cadence и Silvaco (Utmost/SmartSpice), с данными экспериментальных измерений. Показано, что модель написанная на Verilog-A вносит дополнительный вклад в ошибку равный 5,4 %, 8,7 %, 16,2 % и 3,7 % (средняя относительная ошибка равна 8,5 %, 11,1 %, 23,3 % и 44,1 %) при напряжении на затворе равном 0, -0,2, -0,4, и -0,6 В соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполнен сравнительный анализ различных типов компактных моделей, используемых для моделирования электрических характеристик ТВПЭ на основе GaAs. Проведено приборно-технологическое моделирование структуры ТВПЭ на основе GaAs с
937
APRIL 27-28, 2023
проектными нормами 0,2 мкм в программном комплексе компании Silvaco. Приведена стратегия экстракции параметров и проведена настройка физической модели ASM -HEMT, обеспечивающей адекватное моделирование электрических характеристик. В программном комплексе компании Cadence получены электрические характеристики ТВПЭ с длиной канала равной 200 нм, шириной - 20 мкм.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Напряжение на стоке FC, В
—0—V3=0 (измерение) "'V3=-0,2 (измерение) ~ ° _V3=-0,4 (измерение) ' V3=-0,6 (измерение)
—К—V3=0 (Utmost4) --Х- V3=-0,2 (Utmost4) - К - V3=-0,4 (Utmost4) —Х- • V3=-0,6 (Utmost4)
-л—V3=0 (Cadence) -o- V3=-0,2 (Cadence) - □ - V3=-0,4 (Cadence) -л- • V3=-0,6 (Cadence)
Рисунок 2 - Cравнение результатов моделирования характеристик ТВПЭ с данными экспериментальных измерений
REFERENCES
1. Khandelwal S. Physics-based compact models: An emerging trend in simulation-based GaN HEMT power amplifier design. // 2019 IEEE 20th Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON). IEEE, 2019, с. 1-4.
2. Коколов А. А., Шеерман Ф. И., Бабак Л. И. Обзор математических моделей СВЧ полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2, 2010, с. 118-126.
3. EEHEMT Models: Keysight Advanced Design System. Documentation, P. 454-480.
4. Angelov I. et al. An empirical table-based FET model. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Т. 47, №. 12, 1999, с. 2350-2357.
APRIL 27-28, 2023
5. Emekar S. et al. Modified angelov model for an exploratory GaN-HEMT technology with short, few-fingered gates. // 2017 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD). IEEE, 2017, c. 117-120.
6. Khandelwal S. Advanced SPICE Model for GaN HEMTs: A New Industry-Standard Compact Model for GaN-based Power and RF Circuit Design. // Springer Nature, 2022, c. 188.
7. Radhakrishna U. et al. MIT virtual source GaNFET-high voltage model: A physics based compact model for HV-GaN HEMTs. // Physica Status Solidi, T. 11, №. 3-4, 2014, c. 848 -852.
8. Xu J. et al. Dynamic FET model-DynaFET-for GaN transistors from NVNA active source injection measurements. // 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014, c. 1-3.
