[分享] 小米10捧红氮化镓！十分钟带你了解GaN仿真建模

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GaN 的高光时刻

 

2月13日小米发布会召开，除了发布最新款旗舰手机，还带来了旗下第一款采用GaN氮化镓材料的充电器。一时间，氮化镓这个新名词迅速占据了公众视野，成为投资界的新宠儿。

 

氮化镓是第三代半导体材料（即化合物半导体）的典型代表。相较于第一代半导体材料硅、锗，第二代半导体材料砷化镓、磷化铟等，第三代半导体材料（包括氮化镓、碳化硅、氧化锌等）能够承受更高的电压、适合更高频率，可实现更高的功率密度，并具有耐高温、耐腐蚀、抗辐射、禁带宽度大等特性，在高频、高功率的电力电子、微波射频等领域具有广泛的应用前景。

 

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GaN 为何万众瞩目？

 

过去十年，GaN已在多个行业领域产生了重大影响，在光电方面它已对高亮发光二极管(HBLED)的发展和增值发挥重要作用，在无线通讯方面它已广泛应用于高功率射频(RF)设备如高电子迁移率晶体管(HEMT)和单片微波集成电路(MMIC)。

 

同样，在电源应用中GaN也具备巨大的潜力。下图(引用网络公开材料，文中其他的图标和数据都是引用网络公开材料或者Keysight内部调研材料，不再赘述。)展示了GaN RF器件的市场份额预测，可以清楚的看到在基站应用领域(Wireless Infrastructure)，随着2019年5G的商用运营，GaN器件的应用有了更显著的逐年成长趋势。

 

资料来源 :

https://www.slideshare.net/Yole_Developpement/gan-rf-market-applications-players-devices-substrates-2016-2022-march-2016-report-by-yole-developpement

 

 

以频率与功率作为材料应用领域区分，GaN在高频高功率的RF应用领域独具优势。如下图所示，在3GHz以下频段处于多种工艺技术共同竞争的场景，在3GHz以上频段，只有少数工艺技术可以参与竞争，GaN技术在其中具备相当优势。

 

 

从芯片面积来看，GaN技术在RF相应应用领域也是不遑多让的。下图展示了在RF应用上在相同应用的晶片尺寸对比，GaN晶片尺寸大约只有GaAs晶片的五分之一 

 

 

从材料本身物理特性指标来看，下表对比Si/GaAs/GaN材料特性，GaAs有最高的电子迁移率，因而在高频性能特性上表现优异，耐高压和高电流的能力优于Si但低于GaN，所以GaAs主导中低功率高性能的RF功率放大器应用。

 

Si由于其器件种类多，成本低及整合容易的优势，在较低频率和低功率应用上较为普及。GaN除了高频性能优越，而且具有优越的高功率特性，因此在高频高功率的应用领域，有着独特的优势。

 

 

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GaN 器件工艺与模型的挑战

 

作为一种新的半导体材料， GaN要使用起来，晶圆厂必须先完成GaN器件的建模的工作。器件建模，顾名思义就是对于器件或者电路的电学行为比如电流电压关系，电容电压关系以及S参数和频率关系等等的一个数学描述。

 

要建立模型，首先要设计专门的单独器件的测试结构，去流片并进行测试，然后根据测试数据选择相应的模型来拟合曲线提取参数。之后把参数整合成模型文件，即可得到可用于SPICE仿真的模型文件。电路设计工程师就可以利用这个文件进行相应的电路仿真。器件建模是由版图工程师，测试工程师以及模型工程师协同完成的。

 

GaN在器件工艺上较难制作，主要困难点除了良率与器件性能需达到业界水平，另外在器件的陷阱效应﹑夹断电压飘移与可靠性，都具有困难的实现指标。目前器件的主要规格有 :

• 0.45um 50V偏压操作, 应用于6GHz以下频段 

• 0.25um 28V偏压操作, 应用于12GHz以下频段

• 0.15um 20V偏压操作, 应用于30GHz以下频段

 

GaN在器件特性上由于具有缺陷特性(trapping effect)，在工艺上尽可能将缺陷效应减小，以利功率性能的提升。然而在工艺上较难完全去除此效应，因此也需要模型描述加以补足。

 

缺陷效应在特性上，以脉冲测试进行体现，下图黑线为预期电流线型，然而实际脉冲测试下的线型可能为红线。(资料引用https://www.qorvo.com/design-hub/blog/model-based-gan-pa-design-basics-whats-in-an-iv-curve)

 

具备缺陷效应描述的模型，在功率与效率的仿真上，可提升仿真精度 (引用网络材料) :

 

 

另外，低VDS电压区域的电流斜率(或称膝电流区, Knee Current)，GaAs与GaN线型差异甚大。在下图的参考资料上，GaAs器件的膝电流区转折在VDS=1V，然而GaN器件通常膝电流区转折电压会较大，此例在高电流区膝电流转折为VDS=4V。

 

若继续使用传统的GaAs HEMT模型，在拟合上会非常困难，区域的模型精度将直接影响功率的输出特性。

 

参考资料(在此只关注GaAs与GaN器件测试的电流曲线): https://slideplayer.com/slide/8430644/

 

 

因此针对GaN器件特性所发展的模型，就成了必要的方式。

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常用于 GaN 的模型

 

模型种类上，可分为如下表的数学模型﹑物理模型与基于测试数据的神经网络模型，其优缺点如下表：

 

 

综合考虑精度与提取难度，经紧凑模型协会(Compact Model Coalition, 简称CMC) 认证的物理模型 – ASM 与MVSG 模型，就成了目前最为火热的模型解决方案。在此篇内容，我们介绍ASM GaN-RF模型解决方案。

 

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关于 ASM GaN 模型

 

CMC (Compact Model Coalition)是在国际的模型认证组织。它在硅模型上贡献卓越，认可的知名模型如BSIM﹑HICUM与PSP(http://www.si2.org/standard-models/)，近几年CMC开始跨足认证III-V领域的模型。

 

目前CMC认可的III-V模型有 ASM 与 MVSG 模型，这两者都是用于GaN HEMT 射频与电力电子的模型应用。

 

如下图所示，ASM为物理模型，在基础HEMT核心模型之上，建构各式物理模型，较受到关注的如：自热模型﹑陷阱模型﹑通道调变模型与场板模型。

 

材料取自 :

http://www.mos-ak.org/beijing_2018/presentations/Sourabh_Khandelwal_MOS-AK_Beijing_2018.pdf

 

 

同样，在GaN HEMT中，为提高器件操作偏压，需要引入如下图所见的场板结构 (Field-Plate)，大致可分为Gate Field-Plate 与 Source Field-Plate，ASM模型中都可以描述 :

 

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RF模型提取与测试软件 – ICCAP与ASM模型套件

 

ICCAP是DC与S参数测试与建模软件的领导者，提供各式模型解决方案，全球主要的模型提供单位都在使用IC-CAP。在新版ICCAP2020上，导入PATHWAVE概念 :

 

 

建构在ICCAP上模型工具涵盖各种类模型 :

 

在新版ICCAP上，提供ASM-HEMT模型提取工具包 :

在一页式的模型提取界面，整合各种模型工程师所需要的模型提取功能与资讯，简洁而方便，有效提高模型工程师的工作效率与拟合精度 :

 

 

更多一页式模型提取界面，可参考: https://www.youtube.com/watch?v=xCkJTDyQl2UASM

提取工具相关流程说明，参考: 

https://community.keysight.com/thread/37910

 

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ASM GaN 模型提取流程

 

在物理模型提取流程上，传统数学模型参数上只具数学意义 (但可能有些参数具物理意义)，在ASM中的参数意义，是含带器件结构与其他物理上可以理解的参数。

 

 

提取流程如下：

(引自: http://home.iitk.ac.in/~chauhan/2018_Q3_SNUG_ASM-GaN.pdf)

• 设置器件结构参数: L, W, NF, Tbr

• 提取log-IDVG相关参数: VOFF, CDSCD, ETA

• 提取 IDVG-LIN 相关参数: U0, UA, UB, RDS, VSTA, ETA

• 提取 IDVD 相关参数: LAMBDA, VSTA, ETA

• 提取Cgs/Cgd/Cds相关参数

模型提取完成后的结果，请参考ASM相关论文(以下资料引用公开论文之内容) :

https://iitk.ac.in/dord/isro/Publications/YSC/4-GaN_HEMT_Modeling_for_Power.pdf

 

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是德科技专家提供的定制化模型服务

 

是德科技以多年的模型与测试经验，在世界各地建构专业模型团队，为自家芯片与定制化模型需求，提供专业的模型服务。对于GaN ASM模型，有丰富的参数提取与知识转移的能力。

 

在世界各地的模型研发中心 :

• 美国圣罗莎模型研发中心

• 中国北京模型研发中心

• 日本东京模型研发中心

在模型建构方面，提供定制化的模型提取与测试服务，也提供模型的技术转移，让客户可自行上手提取模型，降低往后的模型建构成本。

 

 

是德科技拥有悠久的发展历史与深厚的技术深度，可制作涵盖Si/GaAs/GaN等各种器件模型：

 

 

提供服务类型，涵盖下列 :

• 直流/高频测试服务

• 各式模型提取与知识转移

• 模型品质检测

• 设计套件制作与技术转移