分段场板MgZnO/ZnO高电子迁移率晶体管的电热–射频协同设计

《Journal of Computational Electronics》：Electrothermal–RF co-design of segmented-field-plate MgZnO/ZnO HEMTs

　　

摘要

增强型MgZnO/ZnO高电子迁移率晶体管（HEMT）是氧化物基射频和功率电子器件的有力候选者，但其设计需要同时控制电场拥挤效应、射频寄生参数、电热负载、陷阱诱导色散以及制造变异性。现有MgZnO/ZnO研究通常分别考察这些方面，而主要基于氮化镓（GaN）HEMT建立的面板结构（field plate）和稳健优化概念，若未经过材料特定参数的重新标定则无法直接迁移。本文提出了一种基于文献标定的、受物理约束的多保真度计算框架，用于非对称分段式面板MgZnO/ZnO HEMT的协同设计。该工作融合了降阶器件关系模型、二维差分静电基准、电热修正、考虑陷阱色散的等效电路建模、多目标稳健选择以及局部Sobol敏感性分析。本研究中报告的所有数值均为所述理论-计算基准的输出结果；\(V_{{B,{\text{eq}}}}\) 是模型导出的场限制比较指数。在所述基准下，稳健膝点设计使栅极边缘局部静电指标相比无面板基线降低了约36%，并给出 \(V_{{B,{\text{eq}}}} \approx 1.05\,{\text{kV}}\)、\(f_{T} \approx 118\,{\text{GHz}}\)、\(f_{{{\text{max}}}} \approx 326\,{\text{GHz}}\)、\(NF_{{{\text{min}}}} \approx 1.48\, dB)\) 以及 \(T_{{{\text{max}}}} \approx 373\,{\text{K}}\)。色散型小信号模型在合成高保真度标度下，相较于恒定参数模型减小了复数宽带S参数误差。结果表明，分段式电场整形、介质耦合、铜感知寄生参数缩减、陷阱色散以及不确定性感知设计必须作为整体协同处理。本研究为未来通过匹配基线、连续面板和分段式面板MgZnO/ZnO器件进行实验验证提供了一条可复现的计算路径。

增强型MgZnO/ZnO高电子迁移率晶体管是氧化物基射频和功率电子器件的有力候选者，但其设计需要同时控制电场拥挤效应、射频寄生参数、电热负载、陷阱诱导色散以及制造变异性。现有MgZnO/ZnO研究通常分别考察这些方面，而主要基于氮化镓HEMT建立的面板结构和稳健优化概念，若未经过材料特定参数的重新标定则无法直接迁移。本文提出了一种基于文献标定的、受物理约束的多保真度计算框架，用于非对称分段式面板MgZnO/ZnO HEMT的协同设计。该工作融合了降阶器件关系模型、二维差分静电基准、电热修正、考虑陷阱色散的等效电路建模、多目标稳健选择以及局部Sobol敏感性分析。本研究中报告的所有数值均为所述理论-计算基准的输出结果；\(V_{{B,{\text{eq}}}}\) 是模型导出的场限制比较指数。在所述基准下，稳健膝点设计使栅极边缘局部静电指标相比无面板基线降低了约36%，并给出 \(V_{{B,{\text{eq}}}} \approx 1.05\,{\text{kV}}\)、\(f_{T} \approx 118\,{\text{GHz}}\)、\(f_{{{\text{max}}}} \approx 326\,{\text{GHz}}\)、\(NF_{{{\text{min}}}} \approx 1.48\,\text{dB}\) 以及 \(T_{{{\text{max}}}} \approx 373\,\text{K}\)。色散型小信号模型在合成高保真度标度下，相较于恒定参数模型减小了复数宽带S参数误差。结果表明，分段式电场整形、介质耦合、铜感知寄生参数缩减、陷阱色散以及不确定性感知设计必须作为整体协同处理。本研究为未来通过匹配基线、连续面板和分段式面板MgZnO/ZnO器件进行实验验证提供了一条可复现的计算路径。