如何使用GaN HEMT抽取Self-heating效應和Trapping效應模型參數？

氮化鎵(GaN)技術在5G基站、衛星通信和其他應用中的迅速普及提高了晶體管建模的門檻。尤其是，在最新版本的ADS中支持ASM-HEMT 101.4和MVSG_CMC 3.2.0 GaN HEMT模型。對于器件建模工程師，如何準確地抽取這兩個效應的模型參數往往是一個挑戰，今天來介紹一下使用IC-CAP中GaN HEMT模型參數抽取包如何抽取Self-heating效應和Trapping效應模型參數。

GaN器件的標準模型

通過對業界GaN模型的驗證篩選，Compact Model Coalition (CMC)選出ASM-HEMT和MVSG_CMC作為GaN器件的標準模型。

ASM-HEMT是一個計算效率高，基于表面勢的電流和電荷模型，考慮了各種二次器件效應，包括Self-heating和Trapping等效應。

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MVSG_CMC (MIT Virtual Source GaNFET Compact Model Coalition) 是一種基于電荷的模型，具有多種場板電流和電荷模型可供選擇。它還包括Leakage、Noise、Self-heating和Trapping等效應。

這兩種模型都提供了GaN器件行為的模擬，適用于頻域和時域的精確模擬。它們都使用帶有熱阻和熱容的R-C網絡來模擬Self-heating效應。兩者還提供了各種Trapping場景的參數選擇，包括最新版本的R-C網絡模型，其中包含可變drain-lag和門gate-lag。

Self-heating模型參數抽取

GaN器件的功率密度增加，使自熱集中在更小的區域，降低了遷移率，增加了信號延遲，并可能縮短器件的使用壽命。使用IC-CAP提取自熱參數對于ASM-HEMT或MVSG_CMC GaN HEMT模型都是相似的。

在靜態和脈沖激勵下，利用漏極電流Id隨漏極電壓Vd和柵極電壓Vg的變化進行熱阻RTH0建模是有效的。首先，在室溫下的靜態Id-Vd曲線提供了一個基線。然后，在Vd0和Vg0保持在0V的情況下施加短Id脈沖，以最大限度地減少Trapping和Self-heating，從而提供不同溫度下的響應曲線。將靜態曲線與脈沖曲線疊加會得到Id相同的交點。計算并繪制功率與溫度的關系，曲線斜率為RTH0。使用脈沖Id方法提供了一種比單獨從直流靜態特性中提取RTH0更直接的提取方法。

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Trapping模型參數抽取

GaN器件中的Trapping效應也嚴重影響了器件的性能和可靠性。緩沖層和界面層中的電荷捕獲降低了2DEG通道電荷密度和動態離子，增加了動態Ron和Cutt-off電壓，并調節了Id。

同樣，ASM-HEMT和MVSG_CMC之間的參數提取方法相似，即使模型之間在R-C網絡的實現上存在差異。Trapping參數提取是在DC、IV、Thermal、S參數提取之后進行的。Gate-lag Trapping參數首先被抽取，因為它影響晶體管的初始響應和整體行為，只影響表面陷阱捕獲。通過分析gate-lag行為，drain-lagTrapping提取更加準確，同時影響表面和緩沖陷阱。

ASM-HEMT Trapping Model 4 使用兩個R-C電路來模擬drain-lag 和 gate-lag。

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MVSG_CMC Trapping Model 2 使用一個類似的網絡，但物理模型略有不同，考慮到捕獲和釋放時間的變化。

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在Pulsed Vg下，同時保持Vd為常數來抽取gate-lag的參數；在Pulsed Vd，同時保持Vg為常數來抽取drain-lag的參數。

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MVSG-CMC的典型drain-lag圖說明了陷阱捕獲和釋放效應的差異