一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法
专利汇可以提供一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种GaN HEMT器件多物理场耦合大 信号 模型建立方法，包括以下步骤：S1：分别建立器件热参数、电参数和应 力 参数与器件物理参数的映射关系；S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型 内核 的解析表达式；S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效 电路 拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。本发明引入了GaN 外延 层中 应力 的影响，从而完整描述器件的电-热-力多物理场耦合效应，提升GaN HEMT器件模型 精度 ，并且模型可用于指导新型器件设计和工艺改进。，下面是一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法专利的具体信息内容。
1.一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系；
S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；
S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；
S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
2. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述的热参数包括器件的材料热导率、界面热阻，所述的电参数包括器件沟道二维电子气浓度和电子迁移率，所述的应力参数包括器件材料的热膨胀系数、弹性系数、泊松比，所述器件物理参数是指器件物理结构和物理机理相关的参数。
3. 根据权利要求2所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：步骤S1中，建立热参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S111：采用循环迭代求解声子-玻尔兹曼方程的方法，分析GaN HEMT器件的过渡层/成核层材料与衬底界面质量、过渡层中的缺陷、以及GaN和衬底临近界面的不规则晶格，对包括声子散射机制、声子频率、声子寿命在内的影响规律，从而建立GaN HEMT器件热参数与声子散射的映射关系；
S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；
步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S121：基于GaN HEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaN HEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
4. 根据权利要求3所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述大信号模型内核，分别指大信号模型中的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg；所述的推导大信号模型内核的解析表达式的推导过程包括漏极电流源Ids推导子步骤、栅极电荷源Qg推导子步骤；所述的漏极电流源Ids推导子步骤包括以下子步骤：
S211：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到二维电子气浓度；
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
5. 根据权利要求4所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：对于步骤S3中的热-电耦合，包括以下子步骤：
S311：在步骤S1中建立的电参数与物理参数的映射关系的基础上，进一步加入温度的影响，分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：
S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程，分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：
S331：在GaN HEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度 发生改变；
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
在步骤S3中，将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中后，得到修正后的大信号模型内核。
6. 根据权利要求5所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：步骤S4中的模型等效电路拓扑包括本征元件和寄生元件；所述的本征元件包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、沟道本征电阻Ri、本征跨导Gm、栅漏本征电阻Rgd、栅漏本征二极管Dgd、栅源本征二极管Dgs；其中，Cgs和Cgd分别分别为栅极电荷源Qg对栅源电压Vgs和栅漏电压Vgd的偏导数；所述的寄生元件包括栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电感Lg1和Lg2、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld1和Ld2、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls、栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电容Cpd、栅漏寄生电阻Rpdg、栅漏寄生电容Cpdg；
GaN HEMT器件的栅极G顺次通过栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电容Cpg与源极S连接，GaN HEMT器件的漏极D顺次通过漏极寄生电感Ld1、漏极寄生电容Cpd与源极S连接，栅极G还顺次通过栅极寄生电感Lg1、栅极寄生电感Lg2、栅极寄生电阻Rg、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld2、漏极寄生电感Ld1与漏极D连接；栅漏本征二极管Dgd并联于栅漏本征电容Cgd上；
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
7. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，其特征在于：所述的方法还包括：
S5：针对GaN HEMT器件不同的包括物理结构、材料参数、环境温度在内的条件，通过包括直流、瞬态、S参数、高低温在内的测试，提取模型参数值，并分析模型参数随各种变化条件的缩放规律；然后用功率负载牵引测试结果，验证模型的准确性。
一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法
技术领域
背景技术
发明内容
S2：基于物理基大信号模型建模理论，推导大信号模型内核的解析表达式；
S3：分别将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中，得到修正后的大信号模型内核；
S4：将修正后的大信号模型内核带入模型等效电路拓扑中，构成完整的电-热-力多物理场耦合大信号模型。
S112：借助透射电子显微镜、微拉曼光谱、瞬态热反射测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性；
步骤S1中，建立电参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S121：基于GaN HEMT器件表面势理论，采用牛顿迭代自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，建立二维电子气浓度与GaN HEMT器件物理结构和材料参数的映射关系；
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹，分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
步骤S1中，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算，分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的热-力耦合，包括以下子步骤：
S321：在步骤S1中建立的热参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，结合热和应力边界条件，联立求解热传导方程和应力方程，分析温度对GaN沟道层中应力的大小和分布的影响规律，以及不同的热量分布和物理参数对器件应力大小的影响，从而建立温度与应力参数的映射关系；
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
对于步骤S3中的力-电耦合，包括以下子步骤：
S331：在GaN HEMT器件衬底引入额外的应力，将改变原GaN沟道层中压电极化向量，从而造成AlGaN/GaN异质结沟道中的极化感应电荷密度 发生改变；
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中；
在步骤S3中，将热-电耦合、热-力耦合和力-电耦合量化嵌入大信号模型内核中后，得到修正后的大信号模型内核。
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
具体实施方式
S1：分别建立器件热参数、电参数和应力参数与器件物理参数的映射关系。
S112：借助透射电子显微镜（TEM）、微拉曼光谱、瞬态热反射（TTR）测试结果，验证步骤S111中得到的映射关系的正确性。
S122：基于Monte Carlo算法，结合GaN外延材料的能带结构，联立求解玻尔兹曼方程和泊松方程，模拟电子在沟道中的运动轨迹（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文[新型微波晶体管噪声机理与噪声模型研究，电子科技大学博士论文，第二章]），用该方法分析GaN HEMT器件沟道中电子的各种散射机制（如库伦散射、极化光学声子散射、界面散射等）对电子迁移率的影响规律，建立沟道电子迁移率与GaN外延层中的陷阱、界面态浓度和能级的映射关系；
S123：借助电子霍尔测试结果，分析验证上述映射关系的正确性；
另外，建立应力参数与器件物理参数的映射关系包括以下子步骤：
S131：基于密度泛函理论进行第一性原理计算（在本实施例中，该方法的详细公式和步骤可参见论文[Mechanical properties of g-GaN: a first principles study, Applied Physics A, 2013]），用该方法分析衬底界面和GaN外延中应力的产生机制和大小分布，建立材料应力参数与GaN HEMT器件的采集仪声子能量、晶格常数、界面质量在内的材料参数的映射关系；
S132：借助微拉曼光谱、光杠杆法测试结果，分析验证该映射关系的正确性。
S212：根据半导体器件物理中的电流漂移扩散方程和电流连续性方程，与步骤S211得到的二维电子气浓度ns，共同计算出漏极电流源Ids；
所述的栅极电荷源Qg推导子步骤包括以下子步骤（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[A Scalable multiharmonic surface-potential model of AlGaN/GaN HEMTs. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(3): 1192-
1200]）：
S221：根据量子力学理论中的薛定谔方程和电磁场理论中的泊松方程进行联立求解，得到沟道准静态费米势；
S222：根据步骤S221得到的沟道准静态费米势得到沟道表面势；
S223：根据电磁场理论中的Ward电荷分布原则和沟道表面势得到栅极电荷源Qg；
而漏极电流源Ids推导子步骤得到的漏极电流源Ids和栅极电荷源Qg推导子步骤得到的栅极电荷源Qg，共同构成基于表面势理论的I-V、Q-V大信号模型内核。
2018]），用该方法分析温度对沟道电子浓度和散射机制、以及对陷阱能级的影响规律，建立温度与器件电参数的映射关系；
S312：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
S322：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
S332：在步骤S1中建立的电参数和应力参数与物理参数的映射关系基础上，分析GaN沟道层中的应力对压电极化向量、以及二维电子气浓度的影响规律，从而建立应力大小与沟道电子浓度的映射关系（在本实施例中，详细公式和步骤可参见论文[新型微波晶体管噪声机理与噪声模型研究，电子科技大学博士论文，第五章]）；
S333：用解析表达式拟合的方法，描述该映射关系，并将其量化嵌入到步骤S2中得到的大信号模型内核中。所述解析表达式包括多项式、指数函数、双曲正切函数等，以及这些函数的组合。并借助曲线或曲面函数拟合工具（如excel、matlab等），对温度与器件电参数的映射关系进行拟合，得到描述它们之间关系的解析表达式。根据实际需求对解析表达式进行选择。
栅源本征电容Cgs的一端与栅极寄生电阻Rg和栅漏本征电容Cgd的公共连接点连接，漏源本征电容Cds的一端与漏极寄生电阻Rd和栅漏本征电阻Rgd的公共连接点连接，栅源本征电容Cgs的另外一端和漏源本征电容Cds的另外一端均通过源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls与源极S连接；栅源本征二极管Dgs并联于栅源本征电容Cgs上；Rpdg的其中一端与栅极寄生电感Lg1和栅极寄生电感Lg2的公共连接点连接，Rpdg的另外一端与漏极寄生电感Ld1和漏极寄生电感Ld2的公共连接点连接；Cpdg并联于Rpdg上。
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