适用于5G毫米波频段等应用的新兴SiC基GaN半导体技术

先进的半导体技术在5G和卫星通信的射频和微波应用发展中发挥着重要作用，下一代系统正朝着毫米波频段发展。支持这些半导体技术的流程设计和实用模型对于设计人员成功开发产品至关重要。因此，提供MMIC和RFIC设计解决方案的EDA软件供应商必须与领先的代工厂密切合作，以确保其产品能提供更高的集成度和更高的性能，同时降低成本和尺寸。
本文重点介绍III-V族宽禁带半导体器件建模技术，特别是新一代通信和防御系统中应用于毫米波功率放大器（PA）的United Monolithic Semiconductors（UMS）公司的GH25（0.25μm栅极长度）SiC基GaN工艺。通过使用GH25工艺设计套件（PDK）开发的多种设计的仿真和测量结果验证模型精度，PDK作为开发框架，将指导未来的工作，以支持不断发展的工艺技术，如目前处于认证阶段的GH15 0.15μm SiC基GaN工艺。诸如此类的工艺非常适合5G应用，如Ka频段（29.5至36GHz）10W的PA，以及用GaAs工艺将SiC基GaN PA和其他RF功能集成在一起实现的2W前端模块（24至30GHz）。

　　GaN技术和建模挑战
　　短栅极的GaN器件已经证明了其作为毫米波PA的优异性能。这些GaN晶体管具有更高的工作电压和更低的器件寄生效应，与GaAs相比具有更高的输出功率密度、更宽的带宽和更高的DC到RF效率。为了利用这种更强的性能，设计人员需要一种可扩展的模型，能够在威廉希尔官方网站 仿真过程中准确地捕获器件的复杂行为。GaN器件中的捕获和热分析代表了晶体管建模的真正挑战。
　　在仿真中可以通过各种方法表示器件，包括物理模型、行为模型和紧凑模型。物理模型结合了器件的物理方面来预测性能，但对于威廉希尔官方网站 仿真而言过于复杂。行为模型通常用于在系统仿真中表征整个无线电模块，但不能提供必要的细节来支持实际的放大器设计工作。
　　紧凑型模型基于曲线拟合，使用能够最佳拟合测量数据的函数和参数值，例如脉冲I/V和S参数。为获得可靠的威廉希尔官方网站 仿真结果，模型在整个工作范围内精确复制晶体管响应至关重要。这些经验模型中的参数没有基本依据，但模型方程的物理一致性，是保证在模型表征范围之外获得用于设计的良好模型外推的必要条件。
　　技术/器件开发与器件建模工作之间必然存在很强的联系。表征和建模方法需要通过完善的工艺/模型鉴定程序进行验证，该程序已被证明可为代工厂的半导体工艺提供可靠的器件模型（如图1所示）。对于GaN器件，开发GaAs技术的诀窍和背景在许多情况下指导了当前的模型开发工作。已建立的低频GaN工艺也有助于推进最新短栅极器件的建模。考虑陷阱和晶体管自热现象1需要提取非线性模型。除了电气特性外，UMS建模团队还对器件热行为和其他非平稳效应进行了全面研究，以提高其非线性器件建模的质量。
　　
　　图1：包含测量、模型提取和验证的有源器件建模的主要步骤
　　该拟合过程和特征数据可用于使用如NI AWR设计平台进行晶体管模型的开发，可以预测当这些器件嵌入匹配/偏置网络并被RF信号激发时的整体MMIC行为。模型组合成了支持Microwave Office威廉希尔官方网站 设计软件的PDK，具有电气和物理布局信息，能够使用GaN或GaAs工艺设计MMIC。

　　模型/PDK开发
　　表征有源器件以开发可扩展的晶体管模型是开发工艺设计套件中最重要的步骤。可扩展的模型允许设计者改变器件的外围（栅极宽度和栅极指针（gate finger）的数量）以获得所需的性能。一个挑战是在所需的栅极外围和操作条件范围内精确地开发模型。
　　器件建模过程通过测量获得器件特性，以及通过如图1所示的器件和威廉希尔官方网站 级仿真进行验证。代工厂还提供一系列专用于多种用途的型号。例如，考虑到0.25μm技术，支持低噪声放大器（LNA）设计的可扩展线性模型包括10至20V漏极偏置的噪声特性。用于高功率应用可扩展的非线性热模型，具有中到大的栅极外围，提供超过10至30V漏极偏置的电热模型精度。专用于开关应用的非线性冷模型具有2种拓扑结构（串联和并联），具有适用于各种栅极电压的模型精度。

　　模型提取
　　紧凑型晶体管模型的典型等效威廉希尔官方网站 如图2所示。该模型包括外在线性参数和内在非线性参数。首先，提取晶体管的外部寄生元件（R、L和C），以便使用准确的方程将S参数数据反嵌入内部参考平面并提取内部参数（Cgs、Cgd、Gm、Gd、Cds、Ri、Tau、Rgd）。寄生元件的精确提取基于冷场效应晶体管（FET）S参数测量（Vds=0）和器件的电磁（EM）仿真电数据。
　　
　　图2：具有外在寄生效应的等效威廉希尔官方网站 模型中的非线性源
　　下一步是确定内在元素的值。对于GaN器件，主要的非线性是漏极-源极电流以及栅极-源极和栅极-漏极电容，以及输入肖特基二极管行为。
　　高电子迁移率晶体管（HEMT）会受到捕获现象的影响。陷阱是半导体中限制空穴移动的位置，主要是由于GaN材料中的晶体缺陷，如晶格中的杂质和表面或界面处的悬空键，如图3所示。这些缺陷在半导体的带隙内产生陷阱中心2。陷阱的寄生电荷影响在GaN基晶体管中二维电子气通道3的密度。
　　
　　图3：宽禁带半导体中陷阱中心的位置
　　已经观察到铝GaN（AlGaN）/GaN HEMT中的各种捕获效应，包括跨导频率色散、电流崩塌、栅极和漏极滞后瞬变以及受限的微波功率输出。主要漏极滞后效应取决于电压偏置和通道温度，传统上使用准等温脉冲I/V和脉冲S参数数据而不是连续波（CW）测量。脉冲I/V和S参数技术是在具有低占空比的快速脉冲的开启周期期间测量S参数。瞬时栅极和漏极偏置从选定的稳定静态偏置移动到I/V平面上的另一个点，以更好地复制操作行为，其中热和陷阱条件由静态偏置条件设置（如图4所示）。脉冲宽度保持足够短以避免在脉冲持续期间的强烈温度变化，从而在准等温条件下获得晶体管的脉冲I/V测量值。
　　
　　图4：用于表征器件特性的脉冲技术
　　通过此测量方案获得的数据被用于拟合内部方程的参数，用于提高在较大Vgs和Vds下提高源电流衍生式（Gm/Gd）的准确度。类似地，UMS栅极电荷方程改善了对电容器随栅极和漏极电压变化的描述。
　　然而，脉冲I/V和S参数表征不足以描述GaN晶体管中的漏极滞后效应。实际上，GaN HEMT中的捕获现象存在若干时间常数，其中一些短于可用于测试的最短脉冲持续时间。这些陷阱的电荷直接取决于RF动态操作下器件上的电压，这要通过基于包络检测的专用模块在模型中加以考虑4。