（电路与系统专业论文）gan+hemt毫米波器件及建模.pdf

杭州电子科技大学杭州电子科技大学硕士学位论文硕士学位论文 gan hemtgan hemt 毫米波器件及建模毫米波器件及建模 研研 究究 生：生： 王 庆 娜 指导教师：指导教师： 程 知 群 教授 2012 年 12 月 dissertation submitted to hangzhou dianzi university for the degree of master gan hemt millimeter wave device and modeling candidate: wang qingna supervisor: prof. zhiqun cheng december, 2012 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权学位论文原创性声明和使用授权说明说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 功率放大器广泛应用于通信系统，其最核心的部分是功率晶体管。由于 gan 高电子迁 移率晶体管（hemt）的高击穿电压和高频性能，成为无线基站及军事应用中功率放大器具 有潜力的器件。因为 gan 基器件的研究历史比较短，在微波领域有着强大应用潜力的 gan hemt 的大小信号建模研究成果相对较少，目前较多套用 mesfet 相关模型。因为 hemt 与 mesfet 在工作原理上有所不同， 再加上 gan hemt 器件自身的特有的性能， 所以套用 mesfet 相关模型的时候，误差是在所难免的，因此开展 gan hemt 建模，尤其是毫米波 频段的建模具有重要意义。 本文主要从改进 gan hemt毫米波器件模型的精确度着手展开， 主要内容包括以下几点： 首先，分析了小信号参数提取方法，给出了应用 s 参数法提取小信号等效电路本征元 件和寄生元件的过程。在流片和测试的基础上，应用 aglient 85190a ic-cap 软件和 eehemt1 模型对栅长为 0.3um，栅宽为 275um（2 指，每指栅宽为 75um）为代表的新 型器件 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 进行参数提取，包括直流和交流参数提取。建立了基 于 eehemt1 的等效电路模型。 其次，为了进一步提高模型的精度，采用了加拿大卡尔顿大学张教授提供的神经网络 软件 neuromodelerplus_v2.1e 对建立的 eehemt1 模型进行了优化。利用神经网络空间映 射（neuro mapping）的方法，在 aglient 公司的 ads 软件中，以建立的 eehemt 为粗糙 模型，对电路的偏置电压用神经网络空间映射优化粗糙模型。神经网络采用三层结构，包 括输入层、隐藏层和输出层。对神经网络模型反复的训练，使得拟合的仿真值与样品值误 差最小。中间掩藏层（hidden layer）神经元的个数选择与训练样品数（数据量）有关，以 误差最小为宜。 最后，应用神经网络直接建模方法建立了高精度的 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 模型。 神经网络建立直流模型时，以栅极电压 vgs和漏极电压 vds作为输入，漏极电流 ids为输出； 神经网络交流模型时，以 vgs和 vds作为输入，以 4 个 s 参数的幅度和角度共 8 个参数为输 出进行神经网络的训练。在 ads 软件中，把建立的直流和交流模型一起嵌入到 ads 软件 中，建立包括直流和交流的 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 模型，仿真和测试结果吻合很好， 神经网络直接建模方法建立的模型有更高的精度，为毫米波器件建模提供了一种新的方法。 关键词：gan hemt，参数提取，神经网络，神经网络空间映射 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract all kinds of communication systems used need power amplifiers, and the most center part of an amplifier is power transistor. with good high breakdown voltage and high frequency performance, gan high electron mobility transistor (hemt) has become the most promising device in the application of wireless communications and power amplifier of military applications. on the other hand though algan/gan hemts have a bright future in the applications of high frequency, the knowledge of model for them is scarce because the history of reaserches of hemts is short. most of the models are based on mesfets. because there are many differences between the hemt and mesfet in working principle, besides gan hemt has its own unique peculiarity, so when apply the mesfets model, there are unavoidable errors. it is very important to build gan hemt model, especially on the frequency band of millimeter wave. it is mainly about improving the model accuracy of gan hemt microwave devices in this article, and the main content includes the following points: at first, starting with the small signal analysis the hemt equivalent circuit models were introduced. the method for extracting parameters was analyzed, and detailing procedures in extracting both parasitic elements and intrinsic elements were given. on the basis of process and measurement of devices, dc and ac parameters of the new type of al0.27ga0.73n/aln/gan hemt which has high linearity, witn 0.3 um gate length and 275 um gate width (2 figures, each of which is 75 um wide) was extracted, using aglient 85190a ic-cap software and eehemt1 model to build the equivalent circuit model of eehemt1. then, in order to further improve the precision of the model, using the neural network software neuromodelerplus_v2.1e provided by professor zhang in carleton university of canada to optimize the accuracy of eehet1 model. the eehemt1 model was used as the corse model, and trough the bias voltage to optimize the corse model by neural network-neuro mapping method in advanced design system software of aglient compony. the neural network structure includes three layers, of which is input layer、hidden layer and output layer. a most proper model through training the network can be got, whose error is minimum. the number of neurons in the hidden layer is related to the number of training samples, and standard is the error of model is minimum. finally, establish higher accuracy al0.27ga0.73n/aln/gan hemtmodel using neural network directly was given. the dc neural network structure has two inputs of gate voltage vgs and drain voltage vds, and one output of drain current ids. the ac neural network structure has changed, 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii two inputs of gate voltage vgs and drain voltage vds, and output of the eight parameters of magnitudes and angels of the four smith parameters separately. implant the dc and ac neural network structure in softwore of ads, al0.27ga0.73n/aln/gan hemt model containing dc and ac was established, and its simulated results fit the measured results well. the method of using neural network directly to build model has higher accuracy, and it provides a new method to establish millimeter wave device model. keywords: gan hemt, extracting parameters, neural network, neural network-neuro mapping 杭州电子科技大学硕士学位论文 iv 目 录 摘 要 . i abstract . ii 1 引言 . 1 1.1 毫米波器件的研究意义 . 1 1.2 gan hemt 毫米波器件的研究概况 . 1 1.2.1 微波材料概述 . 1 1.2.2 gan hemt 器件的发展 . 2 1.2.3 gan hemt 模型的研究 . 4 1.3 本论文的工作及内容安排 . 5 2.1 新型 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 器件 . 6 2.1.1 algan/aln/gan hemt 器件简介 . 6 2.1.2 器件的构造 . 6 2.2 微电子器件模型概述 . 7 2.2.1 建模的重要性 . 7 2.2.2 建模的要求 . 8 2.2.3 建模的方法 . 8 2.3 algan/gan hemt 直流和微波特性测量 . 10 2.3.1 在片测试简介 . 10 2.3.2 矢量网络分析仪的校准 . 11 2.3.3 验证 . 11 2.3.4 基于探针的装置 . 11 2.3.5 去嵌技术 . 11 2.4 直流和小信号 s 参数特性测试 . 12 2.4.1 测试方案 . 12 2.4.2 直流特性测试 . 12 2.4.3 小信号 s 参数特性测试 . 13 2.5 小结 . 14 3 algan/gan hemt 器件的参数提取 . 15 3.1 基于 ic-cap 的晶体管建模一般操作过程. 15 3.2 小信号等效电路拓扑结构和参数提取技术 . 16 3.2.1 小信号等效电路模型概述 . 16 杭州电子科技大学硕士学位论文 v 3.2.2 参数提取方法 . 17 3.2.3 寄生参数提取 . 18 3.2.4 本征参数提取 . 21 3.3 gan hmet eehemt1 模型建立 . 22 3.3.1 eehemt1 模型 . 22 3.3.2 gan hmet eehemt1 模型直流特性 . 23 3.3.3 gan hmet eehemt1 模型交流特性 . 24 3.4 小结 . 26 4 神经网络模型 . 27 4.1 神经网络理论 . 27 4.1.1 神经网络的组成单元 . 28 4.1.2 神经网络射频微波器件建模的概念 . 29 4.1.3 多层感知（multilayer perceptron，mlp）神经网络 . 29 4.2 神经网络的学习训练 . 31 4.2.1 训练样本数据 . 31 4.2.2 学习规则 . 32 4.2.3 样本训练结果验证 . 32 4.3 微波器件的神经网络建模 . 32 4.3.1 神经网络直接建模法 . 32 4.3.2 神经网络间接建模 . 33 4.3.3 基于认知的神经网络建模（knowledge-based ann model） . 33 4.5 基于神经网络间接建模方法 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 模型 . 37 4.5.1 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 直流模型 . 37 4.5.2 al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 交流模型 . 39 4.6 基于神经网络直接建模方法 al0.27ga0.73n/aln/gan 模型 . 42 4.6.1 神经网络结构建立 . 42 4.6.2al0.27ga0.73n/aln/gan hemt 神经网络模型结果与分析 . 43 4.7 小结 . 47 5 总结与展望 . 48 5.1 总结 . 48 5.2 展望 . 48 致 谢 . 50 参考文献 . 51 附录 . 55 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1.1 毫米波器件的研究意义 毫米波一般是指在 30300ghz 频域，波长为 110mm 的电磁波，波长范围在微波和远 红外波重叠的范围内，所有毫米波具有这两种波谱的特点，微波向高频延伸以及光波向低频 发展延展出了毫米波理论和技术。发展毫米波器件和电路是毫米波技术发展的前导，也是如 今微电子技术领域的一个引人注目的发展方向。 在国防领域电子通讯的应用例如目标成像雷达、小目标的探测、毫米波通信和智能武器 系统均有大量的毫米波功率放大器的使用。波长短则更容易实现比较窄的波束宽度，在目标 监视时，角分辨力就会比较高一级降低仰角跟踪能力；另外用较小尺寸的天线就能得到较高 的增益；而且极宽的可用频带有利于提高距离分辨力，并且也提高了抗干扰能力1。在民用 商业应用领域， 微波/毫米波器件和电路则广泛应用于高数据传输率的通信系统， 如卫星通信， 数字无线连接和无线局域网（wlan）等。毫米波通信是指以毫米波作为传输信息的载体而 进行的通信2。同时毫米波器件还可应用在汽车雷达等毫米波电子系统中。 研究和发展毫米波器件一直是研究发展毫米波技术的先导，而固体毫米波器件已经成为 固体电子技术的主要发展方向，因为它具有重量轻、体积小、可集成度高、噪声低和耗电少 等特点3。目前毫米波器件的发展以器件的实用研究为重点，并将分立器件的研究朝着多功 能的单片集成的方向转变，那么该技术的关键是要研制出宽带、大功率、低噪声、高可靠、 、 长寿命、高效率以及多功能的毫米波器件。 1.2 gan hemt 毫米波器件的研究概况 当前能够用于微波领域的材料和器件多种多样，微波晶体管市场上既有传统的硅（si） 基器件和以砷化镓（gaas）为代表的 iii-v 族异质结器件，也有较新的氮化硅（gan） 、碳化 硅（sic） 、锗硅（sige）等器件。就器件的类型而言有 mosfet、mesfet、hbt 和 hemt 等。 1.2.1 微波材料概述 器件特性会受到半导体材料性质的影响，材料的理想性质有大的禁带宽度、高的临界电 场、低的介电常数和高的热导率等等。早在上世纪 60 年代初期，就已出现了对 iii-v 族复合 半导体材料的研究，在导带结构和材料特性上，都能够实现比元素半导体更好的性能。几种 常用半导体材料的基本特性如表 1.1 所示。 iii-v 族半导体材料的砷化镓（gaas）在射频（rf）微波应用中是一个典型的代表。20 世纪 70 年代，砷化镓（gaas）材料在单晶和外延技术上都取得了一些突破，还成功的研制 出了 gaas mesfet， 微波特性在 x 波段良好， 而且制造成了商品， 受到了广泛的关注。 gaas 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 微波器件另外还包括了：双极型晶体管（bjt） 、转移电子二极管（ted） 、碰撞雪崩渡越二极 管（impatt） 表 1.1 几种半导体材料的特性 材料 eg(ev) r (w/k.cm) ec(v/cm) si 1.12 11.9 1.5 3e5 gaas 1.43 12.5 0.54 4 e5 inp 1.34 12.4 0.54 4.5 e6 3c-sic 2.3 9.7 4 1.8 e6 4h-sic 3.2 10.0 4 3.5 e6 6h-sic 2.86 10.0 4 3.8 e6 gan 3.4 9.5 1.3 2 e6 蓝宝石 5.6 5.5 20-30 2 e6 和高电子迁移率晶体管（hemt） 。在微波以及光学应用中 gaas 材料和 gaas 器件都有着巨 大的发展。在早期，微波器件和电路的发展主要以 gaas 为主，gaas 材料还曾一度占领了微 波应用的各个领域。即便是现在，对于几个 ghz 以上的微波单片集成电路，也仍以 gaas 应 用为主。在过去的十几年里4，gaas hbt 是制造手机功率放大器的首选技术，到 2004 年， 市面上超过 75%(约 6.5 亿部)的移动电话使用 gaas hbt 技术进行功率放大；2006 年销售的 约 1 亿部 3g 手机中都有 gaas 器件。 继 ge、si 第一代半导体材料以及 gaas、inp 第二代化合物半导体材料之后，gan 材料 与金刚石、sic 等半导体材料一起被誉为第三代的半导体材料，作为半导体研究的又一个热 点而备受关注。gan 与 gaas 材料存在一些相似性：原子键强、直接带隙宽、抗辐射能力强 热导率高和化学稳定性高（几乎不被任何酸腐蚀）等特性，但是 gan 材料的击穿场强和功率 密度要比 gaas 或 inp 高得多，在微波器件以及高温大功率器件中都有着广阔的应用前景。 gan 可以在 si、sic 或者蓝宝石(sapphire)衬底上外延生长，但因为存在 gan 和基底压力，所 以会导致 gan 层出现高密度损坏。不过最近几年以来，伴随着半导体的生长以及处理技术的 发展，已经很大的改善了这种不好的情况。gan-on-sic 技术比较昂贵，所以针对的主要是军 事应用。gan-on-sapphire 和 gan-on-si 技术相对便宜一些，但是其热特性较差。 1.2.2 gan hemt 器件的发展 gan 基微波器件是在常规-族半导体器件的基础上发展起来的。这些器件包括 mesfet、异质结构 mesfet 和高电子迁移率晶体管(hemt)或者调制掺杂场效应晶体管 (modfet)。gan 材料带隙宽、热导率高、电子漂移速度大、耐压高、耐温高、耐辐照、抗 腐蚀等，更适合制作耐高温、耐高压、高频、高效率的大功率微波器件。algan/gan 高电子 迁移率晶体管（hemt）输出功率密度大、耐辐照、耐高温等这些优点可以满足下一代电子 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 装备对微波功率器件更大功率、更小体积、更高频率和更恶劣条件下工作的要求，可广泛应 用于微波毫米波频段尖端电子装备，越来越受到高度重视5。gan 器件是目前全球半导体研 究的前沿和热点，是各国竞相占领的战略技术制高点。 美国、日本以及欧洲相继就 gan 毫米波功率器的研究投资了相关科研项目，不但资助而 且还主导着 gan 毫米波功率器件的研发以及产业化6-7。 美国国防高技术研究局（darpa）在 2002 年就进行了射频宽禁带半导体（wbgs-rf） 项目，重点进行 x 波段以上的高频研究。以美国雷声公司为例，由于该项目的带动使他们的 x 波段 gan hemt 在 2009 年进入生产状态，美国公司预测到 2013 年 gan hemt 的微波应 用市场大约 2 亿美元，主要应用于军用市场上。为了更好的推进 gan 技术的研究，darpa 又启动了“nitride electronic next-generation technology（氮化电子下一代技术）计划” ，简称 “next 计划” 。2011 年 6 月取得了一些阶段性成果：技术方面，triquint 对 gan next 工艺 进行的测试结果显示 ft超过了 240ghz；工艺方面，triquint 已经可以提供 100mm 的晶圆代 工服务；产品方面，triquint 发布了应用 gan 工艺生产的三款产品：t1g4005528fs，fmax 为 3.5ghz；t1g6001528q3，高功率晶体管，pout 为 18w，功率附加效率高达 50%，fmax 达到了 6 ghz；tga2576，功率放大器：在 2.56 ghz 频段内可以提供饱和输出功率 30w， 30%的功率附加效率，小信号增益为 25 db。 日本和美国与欧洲鉴于对国防需求的不同， 更希望gan hemt可以替代si及gaas芯片， 在无线网络基站用做信号放大，继而成为将来民用通信系统的主心骨。2010 年，日本三菱电 机有三种不同型号的 gan 产品推出，工作频率在 0.56 ghz 的范围内，主要在移动通信领域 应用，这三种产品如下表 1.2 所示。2011 年 5 月，三菱电机又宣告用于卫星的 c 波段的 gan hemt 放大器，有着 67%的全世界最高功率附加效率，输出功率有 107 w（50.3 dbm） 。该放 大器的封装体积为 17.4 mm24.0 mm4.3 mm，重量只有 7.1 g。这些都将对通信卫星上搭 载的发射机向小型化、节能化与轻量化转型有很大的帮助。 表 1.2 三菱电机 gan 产品 序号 型号 输出功率 2.6ghz 下功率附加效率 1 mgf0846g 46 dbm（40 w） 46% 2 mgf0843g 43 dbm（20 w） 48% 3 mgf0840g 40 dbm（10 w） 50% 2008 年欧洲的氮化镓可靠性增长和技术转移项目（gan reliability enhancement and technology transfer initiative， great2） 正式启动， 德国和比利时的共性技术支持计划 （general support technology programme）以及欧洲航天局的基础技术研究计划（basic technology research programme）进行了资金支持。2011 年年底已经建立了 gan hemt 和 gan mmic 的晶圆制造工艺（0.5m 栅长 l 波段 gan hemt；0.25m 栅长 x 波段 gan mmic） ；器件 寿命大于 20 年；沟道温度大于 175（连续波工作状态） ；耐辐照（单粒子栅穿、位移和电 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 离） 、耐静电放电、不受内部氢气影响。还完成了 5 种掩膜（3 种 l 波段、2 种 x 波段）的设 计；欧洲航天局的星上自主项目（proba）系列卫星是小型、低成本卫星；根据 esa 最新 公布的计划，其 2012 年发射的“proba-v”星（4 号星，v 代表“植物” ）的发射器将会使用 欧洲自行研发的 x 波段 gan 放大器并对其进行在轨应用验证。该发射器的特点是功率可变， 以节省能源。该发射器的具体指标如下：工作频段：88.5 ghz；输出功率：38 dbm（vds=30 v） ；功率附加效率：35%45%；可变输出功率：26 w（功率附加为 30%） 。 从上世纪末本世纪初开始，国内各专家、各研究所和各大高校等都开始了对 gan hemt 的研发工作，从频率上看，目前主要还是集中在 x 和 ku 波段以下，对于毫米波频率的研究 近几年在几家单位开始探索。目前国内研究 gan hemt 主要研究单位有中国电子科技集团 公司第 13 研究所、中国科学院半导体研究所、南京电子器件研究所、河北工业大学、电子科 技大学、西安电子科技大学和杭州电子科技大学等单位。主要成果有8-14：ku 波段 128 路的 功率合成,获得了大于 1000w 的宽带输出功率和 20%的功率附加效率；8.710.9 ghz 频率范 围内,该功率放大器输出功率大于 16 w，功率增益大于 14 db，增益波动小于 0.4 db，输入驻 波比小于 21，功率附加效率大于 40%，带内效率最高达 52%；8-12ghz，25w 功率 mmic， gp大于 11.5db，pae 26；2-4ghz，30w 功率 mmic，gp大于 14.7db，pae 30；x 波段 频率为 8ghz 时，放大器增益为 20.380db，饱和输出功率可以达到 35.268dbm(约为 3.36w)。 采用 0.25 um 栅长 gan hemt，其 ft32ghz，fmax150ghz。s 波段 gan hemt 晶体管的 额定功率为 60w,频率为 3.1 至 3.5ghz 之间，与传统 si 或 gaas mesfet 器件相比，能够提 供优越的漏极效率(接近 70%)。 1.2.3 gan hemt 模型的研究 集成电路的设计已经离不开 cad（计算机辅助设计）技术，而 cad 技术的成功应用离 不开器件的精确模型的建立。或者说器件模型准确度成为电路设计成败关键因素之一。 国内外很多大学和科研机构都相继的开展了对 hem