基于 TCAD 仿真的高精度温度依赖 GaN HEMT 本征 I-V 模型

《Microelectronics Journal》：A high-accuracy temperature-dependent intrinsic I?V model for GaN HEMTs based on TCAD simulations

　　

摘要现有的 GaN HEMT 经验模型存在亚阈值拟合差、膝点控制不灵活以及温度范围精度有限的问题。本文提出了一种基于 TCAD 生成参考数据的、温度相关的耗尽型 GaN HEMT 大信号经验 ????? 模型。Softplus 函数解决了转移特性中的导数不连续问题，而带有可调参数 ?? 的代数函数允许灵活控制输出特性中线性区到饱和区的过渡。温度相关参数源自 Silvaco TCAD 仿真，并通过混合策略提取。所提出的模型在 250–500 K 温度范围内准确重现了 TCAD 仿真生成的本征电学特性，在宽温度范围内实现了 ????? 特性和跨导的拟合优度（R2）值超过 0.99，优于 Curtice、Angelov 和 Materka 模型。该模型成功在 LTspice 中实现，确认了其在电路级仿真中的收敛性和准确性。

引言近几十年来，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）技术取得了显著进展。由于 GaN 相比传统硅基半导体具有更优异的材料特性，包括更高的饱和电子漂移速度、更高的电子迁移率、更宽的带隙和更高的临界击穿电场，GaN HEMT 已被广泛应用于高频微波通信、功率放大器和功率电子系统 [1]。为了充分利用 GaN 器件在高频、大功率和高温工作条件下的优势，开发高精度的大信号紧凑模型对于电路设计、性能预测和可靠性分析具有重要意义 [2], [3], [4]。

然而，与传统的硅和砷化镓（GaAs）器件相比，GaN HEMT 表现出更多的非理想效应 [5], [6], [7]。这些效应在不同偏置条件和工作温度下显著影响器件的漏极电流特性。先前的研究表明，仅静态 ????? 特性不足以准确描述 GaN HEMT 在大信号和高功率条件下的实际工作行为 [5], [6]。此外，栅极电压、漏极电压和温度之间存在强耦合，导致阈值电压、跨导和膝区特性随偏置和温度发生显著变化，从而进一步增加了宽温度范围内准确建模的难度 [8]。

由于 GaN 和 GaAs 都属于 III-V 族直接带隙半导体家族，许多最初为 GaAs MESFET 和 HEMT 开发的经验模型已被广泛用于 GaN HEMT 建模 [9]。其中，Curtice 模型 [10]、Angelov 模型 [11] 和 Materka 模型 [12] 是最常用的经验大信号模型之一。

Curtice 模型源自改进的 Shichman-Hodges JFET 模型，并采用双曲正切函数来描述从线性区到饱和区的过渡。然而，其在不同栅极偏置条件下的拟合精度仍然有限 [8]。Angelov 模型进一步引入了具有改进导数连续性的非线性函数，使其广泛用于射频大信号和 harmonic balance 仿真 [13]。然而，该模型在多种偏置条件下提取参数时容易出现局部收敛问题，且其精度强烈依赖于特定的漏极偏置条件 [14]。Materka 模型额外考虑了夹断电压对沟道电压的依赖以及膝电压与 ??ds 之间的关系。然而，它主要适用于耗尽型器件，且随着器件尺寸缩小，其建模精度显著下降 [15]。
??ds?(??gs,??ds,??)=[???(??)?????gst?(??gs,??)]??{ {?{ {?(??ds???off)/??k?(??gst,??)[1+((??ds???off)/??k?(??gst,??))??]1/???{ {?{ {?×[1+???(??ds???off)]

除了这些限制外，之前的 GaN HEMT 建模研究主要通过电热子电路、脉冲测量校正技术或额外的色散分支来提高模型精度 [5], [6], [7]。虽然这些方法可以部分解释热效应和陷阱效应，但它们通常会增加模型复杂度、参数耦合和提取难度 [8], [9]。此外，现有的经验 GaN HEMT 模型仍主要依赖双曲正切函数来描述输出特性 [9], [16], [17]。由于此类函数固有的固定过渡曲率，它们无法同时准确捕捉从亚阈值区到强导通区的平滑过渡，以及不同偏置条件下膝区特性的变化 [9], [16]。此外，大多数经验模型仅将 ??gs 和 ??ds 作为输入变量，缺乏明确的温度相关公式，使得它们不足以准确描述器件在宽温度范围内的电学行为 [8], [18]。

另一方面，由于 GaN 材料中显著的自发极化和压电极化效应，传统的基于 GaAs 的模型在准确描述 GaN HEMT 的 ?????、频率和功率特性时遇到巨大困难 [19]。为了解决这个问题，提出了几种基于物理的紧凑模型，例如 Khandelwal 等人开发的 GaN HEMT 高级 Spice 模型（ASM-HEMT）[20] 和麻省理工学院提出的 MIT 虚拟源 GaNFET（MVSG）模型 [21]。虽然这些模型可以相对准确地描述 GaN 器件的底层物理机制，但它们通常需要关于器件结构参数、掺杂浓度或材料特性的详细信息，而这些信息在实际工程应用中往往无法获得 [9]。相比之下，经验模型通常更适合电路设计和工程应用。

因此，迫切需要一种同时提供高准确性、鲁棒收敛性和宽温度适用性的经验 GaN HEMT 模型——特别是能够准确拟合亚阈值、灵活表征线性区到饱和区过渡、具有显式温度相关公式且参数耦合度低、参数提取鲁棒的模型。本文提出了这样一个经验 ????? 模型，通过从 250 K 到 500 K 对传统耗尽型 AlGaN/GaN HEMT 进行系统的 Silvaco TCAD 仿真进行了验证，随后进行了参数提取。为了隔离本征温度相关直流行为，保持相同的器件几何结构和材料条件，故意排除了制造变异、外在寄生和测量不确定性，以准确表征 GaN HEMT 的本征电学行为 [22]。

与经典的 Curtice、Angelov 和 Materka 模型相比，所提出的方法在全温度范围内实现了转移、输出和跨导特性的优越拟合精度，同时保持了优秀的紧凑性、收敛鲁棒性和电路级适用性，从而为宽温度 GaN HEMT 电路设计提供了可靠的建模框架。

章节片段????? 模型描述本研究建立了一个包含十三个关键参数的经验模型，最终公式见式 (1)。该模型包含几个中间参数，其表示将在以下章节中详细阐述。

为了使模型结构更明确，最初假设 ??ds 是栅源电压相关函数 ???(??gs) 和漏源电压相关函数 ???(??ds) 的乘积 [16]，由下式给出
??ds?(??gs,??ds)=???(??gs)????(??ds)

器件仿真 AlGaN/GaN HEMT 器件结构是按照文献 [28] 中描述的方法构建的，如图 3 所示。该器件采用蓝宝石衬底，外延层从下往上排列如下：GaN 层、AlGaN 势垒层（铝摩尔分数为 0.3）和 Si3?N4 钝化层。源极到栅极的距离为 1μ?m。栅极到漏极的距离为 4μ?m。栅极、漏极和源极的长度和宽度均为 1。

通过电路仿真进行模型验证为了验证所提出模型在电路仿真中的适用性，模型在 LTspice 仿真平台中以网表格式实现，可通过构建可复用的子电路模块进行直接调用。直流（DC）电压源 ??ds 和 ??gs 分别连接到器件的漏极和栅极。

直流工作特性验证包含两组仿真：输出特性和转移特性。对于输出

结论 本文提出了一种改进的经验 ????? 模型，以准确表征宽温度范围内 GaN HEMT 的非线性直流行为。为了克服传统经验模型的局限性，包括亚阈值拟合能力有限、膝区过渡不灵活以及缺乏明确的温度依赖性，所提出的模型在转移特性中采用了无限可微的 Softplus 函数，并采用了带有...的代数输出函数

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