[发明专利]一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法。

背景技术

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有非常高的二维电子气(2DEG)浓度、高饱和电子迁移速度和高击穿电压等优点，使得GaN HEMT器件在微波功率应用领域具有GaAs器件无法比拟的优势，是目前研究和应用的热点，在通信、雷达、电子战等领域得到了越来越广泛的应用。

由于GaN自身热导率不高，加上材料特性和工艺限制，很难直接采用同质外延方法（GaN衬底生长GaN外延）来制备性能质量良好的微波功率器件。目前大多采用异质外延的方法，即在异质的衬底材料上直接外延生长或采用剥离转移的技术来形成GaN HEMT器件和电路。常用的GaN HEMT器件衬底材料有碳化硅（SiC）、硅（Si）、蓝宝石、以及目前最新的金刚石等。这些衬底材料与GaN外延的晶格类型、晶格常数和热膨胀系数都有不同程度的失配，特别是Si和金刚石衬底。从而在GaN外延中，由于衬底失配引入的应力无法完全弛豫。因此，在GaN HEMT器件内部微纳尺度环境下，存在电、热和应力三种物理能量的相互激励和耦合，从而产生电-热-力多物理场耦合效应。

晶体管器件模型在电路设计和工艺设计之间发挥着桥梁的作用，精确的器件模型，对指导器件优化设计、减少迭代次数、缩短研制周期、以及减小开发成本，有非常重要的作用。由于GaN HEMT器件的电性能对热和应力的影响非常敏感，因此，器件的大信号模型必须考虑电-热-力多物理场耦合效应的影响。而传统的GaN HEMT器件大信号模型建模方法，目前只初步实现了热-电耦合的大信号模型，关于电-热-力多物理场耦合效应的GaN HEMT器件大信号模型还未见相关报道。因此，目前精确的GaN HEMT器件模型，已成为器件性能优化和电路设计的瓶颈。而对多物理耦合效应的准确建模，是提升GaN HEMT器件大信号模型精度的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种GaN HEMT器件多物理场耦合大信号模型建立方法，解决传统的GaN HEMT器件大信号模型对多物理场耦合效应描述不全面，从而导致模型精度较低的问。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：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。

进一步地，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。

进一步地，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：