一种氢终端金刚石器件的小信号模型及其参数提取方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及到一种氢终端金刚石器件的小信号模型及其参数提取方法。


背景技术：

2.在微波电路设计的整个流程中，器件模型起到了把工艺、器件和电路设计有效地联系起来的关键桥梁作用，而得以将器件的特性准确地反映到电路中，完成电路仿真结果，预测电路特性，评估电路整体性能及成品率。精确的器件小信号模型为其相应的大信号特性分析提供了必要的数据，且是预测器件小信号s参数特性的重要手段；精确的器件大信号模型的采用，从一定程度上简化了射频和微波毫米波功率电路的设计步骤、缩短了电路研制周期并节约了成本。此外，流片完成后，提取模型参数，通过对比、分析不同流片情况下的数据，可反馈器件重要物理工艺的参数值，并以此监测工艺质量及工艺可重复性，进而指导器件优化的方向。由此可见，一个精准的小信号模型在初期的工艺、器件以及后期的电路设计中都起到了很重要的作用。
3.但是，目前大多数建模只是针对硅基器件，或者是氮化镓器件，而关于氢终端金刚石器件的参数提取的研究成果较少。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种氢终端金刚石器件小信号模型及其参数提取方法。
5.根据第一方面，本发明实施例提供了一种氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法，包括如下步骤：
6.提取氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数；基础寄生参数包括寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs；
7.去嵌基础寄生参数后，提取氢终端金刚石器件小信号模型中的介质寄生参数和本征参数；介质寄生参数包括陷阱电流源g0，陷阱电流源g0用以描述栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱；本征参数包括本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri，本征电导g
ds
，压控电流源gm，调节电感l
t
，调节电容c
t
，以及栅漏电流源g
t
；调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程，漏源电流i
ds
是指压控电流源gm处的电流。
8.进一步地，去嵌基础寄生参数后，提取氢终端金刚石器件小信号模型中的介质寄生参数和本征参数的步骤，具体包括如下步骤：
9.测量工作状态下的氢终端金刚石器件的第一s参数；
10.将第一s参数去嵌寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs，得到第二s参数；
11.将第二s参数转换为y参数，并提取得到本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri，本征电
导g
ds
，压控电流源gm及其时延τm，调节电感l
t
，调节电容c
t
，栅漏电流源g
t
，陷阱电流源g0及其时延τ0。
12.进一步地，将第二s参数转换为y参数的步骤，具体可以得到以下公式：
[0013][0014][0015][0016][0017]
其中，d＝1 r
2ic2gs
ω2；此时，计算得到：
[0018]gds
＝g0＝re(y
22
)，)，im(y
12
)＝c
gd
∥(c
t
l-1t
)，)，而压控电流源gm及其时延τm，栅漏电流源g
t
及其时延τ
t
为将调节电容c
t
和调节电感l
t
视为导纳y，视为已知量，带入上述公式后计算得到。
[0019]
进一步地，提取氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数的步骤，具体包括如下步骤：
[0020]
测量冷场状态下的氢终端金刚石器件的第三s参数；
[0021]
将第三s参数转换为y参数，并提取得到寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
；
[0022]
测量夹断状态下的氢终端金刚石器件的第四s参数，并去除寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，得到第五s参数；
[0023]
将第五s参数转换为z参数，并提取得到寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs。
[0024]
进一步地，将第三s参数转换为y参数的步骤，具体可以得到以下公式：
[0025]
im(y
11
)＝ω(c
pg
c
pgd
)
[0026]
im(y
12
)＝im(y
21
)＝-ωc
pgd
[0027]
im(y
22
)＝ω(c
pd
c
pgd
)
[0028]
此时，计算得到寄生电容c
pg
、c
pgd
和c
pd
的数值分别为：
[0029][0030]
进一步地，将第五s参数转换为z参数的步骤，具体可以得到以下公式：
[0031]z11
＝rg rs αr
ch
jω(lg ls)
[0032]z12
＝z
21
＝rs αr
ch
jωls[0033]z22
＝rd rs αr
ch
jω(ld ls)
[0034]
其中，v
th
为阈值电压；此时，通过测量曲线以及曲线，再结合上述公式实部与虚部分别计算，得到：
[0035][0036]
进一步地，氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法，还包括如下步骤：
[0037]
将基础寄生参数、介质寄生参数和本征参数均带入小型号模型内，并利用ads软件仿真提取小型号模型的仿真s参数；
[0038]
基于氢终端金刚石器件的实测s参数对仿真s参数进行优化。
[0039]
根据第二方面，本发明实施例提供了一种氢终端金刚石器件的小信号模型，包括：寄生部分和本征部分；寄生部分包括基础寄生部分和介质寄生部分，介质寄生部分包括用以表征栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱的陷阱电流源g0；本征部分包括压控电流源gm，以及用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程的调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
；漏源电流i
ds
是指压控电流源gm处的电流。
[0040]
进一步地，本征部分还包括本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri和本征电导g
ds
；其中，
[0041]
本征电容c
gs
、本征电阻ri和本征电容c
gd
串联后，与压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0以及本征电容c
ds
并联；
[0042]
调节电感l
t
和调节电容c
t
串联后，与栅漏电流源g
t
以及本征电容c
gd
并联。
[0043]
进一步地，基础寄生部分包括寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls和寄生电阻rg、rd、rs；其中，
[0044]
寄生电感lg和寄生电阻rg串联后，一端与本征电容c
gd
和c
gs
相连接，另一端与寄生电容c
pg
和c
pgd
相连接，寄生电容c
pg
的另一端接地；
[0045]
寄生电感ls和寄生电阻rs串联后，一端与本征电阻ri、压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0和本征电容c
ds
相连接，另一端接地；
[0046]
寄生电感ld和寄生电阻rd串联后，一端与栅漏电流源g
t
、本征电容c
gd
、压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0和本征电容c
ds
相连接，另一端与寄生电容c
pgd
和c
pd
相连接，寄生电容c
pd
的另一端接地。
[0047]
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
[0048]
1、本发明提供的氢终端金刚石器件的小信号模型的参数提取方法，可以得到与氢终端金刚石器件拓扑结构相对应的具体参数，能够把氢终端金刚石器件的物理机制和具体工艺步骤中的参数联系在一起，便于发现氢终端金刚石器件制作过程中的问题，对于改善氢终端金刚指器件的工艺步骤和器件结构具有重要参考价值。同时，通过设置氢终端金刚石器件的小信号模型中包括用以表征栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱的陷阱电流源g0，用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程的调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
，能够更精确的反映金刚石器件的特性，提高该方法提取得到的参数的准确性。
[0049]
2、本发明提供的氢终端金刚石器件的小信号模型，能够较为精准的反映金刚石器
件的特性，准确性较高。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0051]
图1为本发明实施例提供的一种氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法的流程图；
[0052]
图2为本发明实施例提供的一种氢终端金刚石器件小信号模型的结构示意图；
[0053]
图3为图1中步骤s100的具体步骤流程图；
[0054]
图4为图1中步骤s200的具体步骤流程图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0057]
实施例1
[0058]
图1示出了本发明实施例提供的一种氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括如下步骤：
[0059]
步骤s100：提取氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数。
[0060]
具体地，如图2所示，基础寄生参数包括寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs。
[0061]
具体地，寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
可在冷场状态下提取得到，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs可在夹断状态下提取得到。
[0062]
具体地，冷场状态是指氢终端金刚石器件处于v
gs
《v
th
，v
ds
＝0v，f《5ghz的状态条件下，其中，v
gs
是指栅源电压，v
th
是指阈值电压，v
ds
是指源漏电压，f是指工作频率，此时，氢终端金刚石器件的漏源极短路，在此状态下可以检测得到与偏置无关的基础寄生参数。夹断状态是指氢终端金刚石器件处于v
gs
》v
th
，v
ds
＝0v的状态条件下。
[0063]
具体地，可以采用矢量网络分析仪和探针台对冷场状态和夹断状态下的氢终端金刚石器件进行s参数采样，然后基于s参数提取氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数。
[0064]
具体地，为了能够基于迭代优化找到基础寄生参数的最优解，提高最终提取得到的基础寄生参数的准确性，可以测得多个离散频率下的s参数，继而得到多个基础寄生参数初值，最终通过迭代优化得到氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数。具体地，基于多个s参数对应得到多个基础寄生参数初值，以及基于多个基础寄生参数初值迭代优化
得到最终的寄生参数的过程，均可以在matlab软件中实现。
[0065]
步骤s200：去嵌基础寄生参数后，提取氢终端金刚石器件小信号模型中的介质寄生参数和本征参数。
[0066]
具体地，如图2所示，介质寄生参数陷阱电流源g0，该陷阱电流源g0用以描述栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱。由于氢终端金刚石器件中的氧化物介质以及金刚石表面的缺陷密度比较高，所以陷阱作用必须考虑进去。
[0067]
具体地，如图2所示，本征参数包括本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri，本征电导g
ds
，压控电流源gm，调节电感l
t
，调节电容c
t
，以及栅漏电流源g
t
；调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程，漏源电流i
ds
是指压控电流源gm处的电流。
[0068]
具体地，此步骤中的氢终端金刚石器件处于正常工作状态，也即其处于v
gs
＞v
th
，|v
ds
|》0v的状态条件下。且此步骤中，同样可以采用矢量网络分析仪和探针台对正常工作状态下的氢终端金刚石器件进行s参数采样，且为了基于迭代优化找到介质寄生参数和本征参数的最优解，提高最终得到的参数的准确性，可以测得多个离散频率下的s参数，继而对应得到多个介质寄生参数初值和本征参数初值，最终通过迭代优化得到氢终端金刚石器件小信号模型中的介质寄生参数和本征参数。具体地，基于多个s参数对应得到多个介质寄生参数初值和本征参数初值，以及基于多个介质寄生参数初值和本征参数初值迭代优化得到最终的介质寄生参数和本征参数的过程，均可以在matlab软件中实现。
[0069]
本发明实施例中的氢终端金刚石器件的小信号模型的参数提取方法，可以得到与氢终端金刚石器件拓扑结构相对应的具体参数，能够把氢终端金刚石器件的物理机制和具体工艺步骤中的参数联系在一起，便于发现氢终端金刚石器件制作过程中的问题，对于改善氢终端金刚指器件的工艺步骤和器件结构具有重要参考价值。同时，通过设置氢终端金刚石器件的小信号模型中包括用以表征栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱的陷阱电流源g0，用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程的调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
，能够更精确的反映金刚石器件的特性，提高该方法提取得到的参数的准确性。
[0070]
作为本发明实施例的一种可选实施方式，如图3所示，上述步骤s200可以具体包括如下步骤：
[0071]
步骤s201：测量工作状态下的氢终端金刚石器件的第一s参数。
[0072]
步骤s202：将第一s参数去嵌寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs，得到第二s参数。
[0073]
步骤s203：将第二s参数转换为y参数，并提取得到本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri，本征电导g
ds
，压控电流源gm及其时延τm，调节电感l
t
，调节电容c
t
，栅漏电流源g
t
，陷阱电流源g0及其时延τ0。
[0074]
具体地，将第二s参数转换为y参数的步骤，具体可以得到以下公式：
[0075][0076]
[0077][0078][0079]
其中，d＝1 r
2ic2gs
ω2。
[0080]
此时，可以首先计算得到：
[0081]gds
＝g0＝re(y
22
)
[0082][0083][0084][0085]
im(y
12
)＝c
gd
∥(c
t
l-1t
)
[0086][0087]
然后，将调节电容c
t
和调节电感l
t
视为导纳y，视为已知量，带入上述公式后即可计算得到压控电流源gm及其时延τm，栅漏电流源g
t
及其延时τ
t
。
[0088]
作为本发明实施例的一种可选实施方式，上述步骤步骤s201测得的第一s参数可以为多个(多个第一s参数为在氢终端金刚石器件工作于不同的频率下测得)，对应的，经过步骤s202～步骤s203后提取得到的介质寄生参数和本征参数对应的为多个(为多个介质寄生参数初值和多个本征参数初值)，则此时，在步骤s203之后，还可以执行一步骤s204，以对多个介质寄生参数初值和多个本征参数初值分别进行迭代优化，最终对应得到氢终端金刚石器件小信号模型中的介质寄生参数和本征参数。具体地，可以采用取中值或者平均值的方式完成迭代优化，也可以采用参数矩阵二范数的方式完成迭代优化。
[0089]
作为本发明实施例的一种可选实施方式，如图4所示，上述步骤s100可以具体包括如下步骤：
[0090]
步骤s101：测量冷场状态下的氢终端金刚石器件的第三s参数。
[0091]
步骤s102：将第三s参数转换为y参数，并提取得到寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
。
[0092]
具体地，将第三s参数转换为y参数后，可以得到以下公式：
[0093]
im(y
11
)＝ω(c
pg
c
pgd
)
[0094]
im(y
12
)＝im(y
21
)＝-ωc
pgd
[0095]
im(y
22
)＝ω(c
pd
c
pgd
)
[0096]
转换公式即可得到寄生电容c
pg
，c
pgd
，c
pd
：
[0097][0098]
[0099][0100]
步骤s103：测量夹断状态下的氢终端金刚石器件的第四s参数，并去除寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，得到第五s参数。
[0101]
步骤s104：将第五s参数转换为z参数，并提取得到寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs。
[0102]
具体地，将第五s参数转换为z参数后，可以得到以下公式：
[0103]z11
＝rg rs αr
ch
jω(lg ls)
[0104]z12
＝z
21
＝rs αr
ch
jωls[0105]z22
＝rd rs αr
ch
jω(ld ls)
[0106]
其中，v
th
为阈值电压；此时，通过测量曲线以及曲线(i
gs
是指栅源电流)，再结合上述公式实部与虚部分别计算，得到：
[0107]
rg＝re(z
11
)-re(z
12
) αr
ch
[0108]
rd＝re(z
22
)-re(z
12
)-αr
ch
[0109]rs
＝re(z
12
)-αr
ch
[0110][0111][0112][0113]
类似地，在本发明实施例的一种可选实施方式中，上述步骤s101中测得的第三s参数和步骤s103测得的第四s参数均可以为多个离散频率下的多个，对应地，经过步骤s102后提取得到的寄生电容以及经过步骤s104后提取得到的寄生电感和寄生电阻对应的为多组(为多组基础寄生参数初值)，则此时，在步骤s104之后，还可以执行一步骤s105，以对多组基础寄生参数初值进行迭代优化，最终得到氢终端金刚石器件小信号模型中的基础寄生参数。具体地，可以采用取中值或者平均值的方式完成迭代优化，也可以采用参数矩阵二范数的方式完成迭代优化。
[0114]
作为本发明实施例的一种可选实施方式，在包括上述步骤s100～步骤s200的基础上，氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法还可以包括如下步骤：
[0115]
步骤s300：将基础寄生参数、介质寄生参数和本征参数均带入小型号模型内，并利用ads软件仿真提取小型号模型的仿真s参数。
[0116]
步骤s400：基于氢终端金刚石器件的实测s参数对仿真s参数进行优化。
[0117]
具体地，可以通过将实验仿真所得到的仿真s参数与实测s参数进行s参数残差分析，再分别将s参数的实部残差(仿真s参数与实测s参数的实部之差)和s参数的虚部残差(仿真s参数与实测s参数的虚部之差)进行求二范数操作，最终优化迭代缩小残差值，减小误差，拟合实验和仿真的数据，完成优化。
[0118]
实施例2
[0119]
图2示出了本发明实施例提供的一种氢终端金刚石器件的小信号模型的结构示意图，该小信号模型即为上述实施例1中的一种氢终端金刚石器件小信号模型的参数提取方法的对象模型，因而，本实施例中的小信号模型具体结构可以参照实施例1中的内容进行理解，实施例1中已经陈述的内容在本实施例中不再赘述。
[0120]
如图2所示，该模型包括寄生部分和本征部分。
[0121]
其中，寄生部分包括基础寄生部分和介质寄生部分，介质寄生部分包括用以表征栅介质陷阱以及金刚石表面陷阱的陷阱电流源g0。
[0122]
其中，本征部分包括本征电容c
gs
、c
gd
、c
ds
，本征电阻ri，本征电导g
ds
，压控电流源gm，以及用以修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程的调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
；漏源电流i
ds
是指压控电流源gm处的电流。
[0123]
具体地，调节电感l
t
、调节电容c
t
和栅漏电流源g
t
修正氢终端金刚石器件的漏源电流i
ds
从衰减到恢复的过程，具体为：当器件开始正常工作时，电压加在栅漏电流源g
t
两侧给调节电容c
t
充电，栅漏电流源g
t
受电压v
gd
作用开始工作，但是随着时间推移(次数增加)该部分电流逐渐变小；一段时间静置后，调节电容c
t
开始放电，调节电感l
t
阻止电流激变，缓慢恢复。
[0124]
具体地，如图2所示，本征电容c
gs
、本征电阻ri和本征电容c
gd
串联后，与压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0以及本征电容c
ds
并联；调节电感l
t
和调节电容c
t
串联后，与栅漏电流源g
t
以及本征电容c
gd
并联。
[0125]
如图2所示，基础寄生部分包括寄生电容c
pg
、c
pgd
、c
pd
，寄生电感lg、ld、ls，以及寄生电阻rg、rd、rs。
[0126]
具体地，如图2所示，寄生电感lg和寄生电阻rg串联后，一端与本征电容c
gd
和c
gs
相连接，另一端与寄生电容c
pg
和c
pgd
相连接，寄生电容c
pg
的另一端接地；寄生电感ls和寄生电阻rs串联后，一端与本征电阻ri、压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0和本征电容c
ds
相连接，另一端接地；寄生电感ld和寄生电阻rd串联后，一端与栅漏电流源g
t
、本征电容c
gd
、压控电流源gm、本征电导g
ds
、陷阱电流源g0和本征电容c
ds
相连接，另一端与寄生电容c
pgd
和c
pd
相连接，寄生电容c
pd
的另一端接地。
[0127]
综上，本发明实施例提供的氢终端金刚石器件的小信号模型，能够较为精准的反映金刚石器件的特性，准确性较高。
[0128]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。