0.1 um GaAs pHEMT工艺模型及其PDK技术研究

作     者：陈鑫涛 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王翔;刘军

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：pHEMT 全波电磁仿真 模型 PDK技术 模型优化 

摘      要：砷化镓pHEMT器件因其高电子迁移率、高电子浓度、低噪声等特性而受到广泛关注,已被应用于雷达、通信以及自动控制等领域。多年来学术界和企业界一直致力于改良pHEMT器件结构和生产工艺,如今,pHEMT器件在工艺上已经能够做到0.1 μm,应用在W波段(75～110GHz)。在应用改良应用的过程中,人们发现随着工艺集成度提高,传统经验电路设计模式已无法满足设计需求,现今的电路设计必须先通过EDA模拟环境,找存在的不足,修正后再去生产。因此,高质量的PDK结合EDA软件已成为设计者缩短产品研制周期的必备工具。在EDA软件全球市场中,新思科技、楷登科技、是德科技三家公司占据了 80%的份额,而国内只有华大九天一家公司凭借全流程占据了极少量份额,这为我国半导体领域带来了重大的安全隐患。为了维护国防信息安全,急需开发出国产EDA工具下桥接生产制造和电路设计的工艺设计包(PDK),配合高精度PDK器件库,构建国产EDA生态。本文阐述了国产射频微波软件AetherMW PDK开发技术,研究了频率达110G的PDK模型库建模技术,提出了利用全波电磁场仿真对晶体管进行尺寸和应用频率拓展,最后论述了 PDK质量验证方案。本文在前人的基础上,为建立高频段的GaAs pHEMT工艺PDK并完成质量验证,本文做了以下工作和创新:(1)介绍了 0.1 μm GaAs pHEMT工艺结构和晶体管特性,详细说明了PDK各组成部分在电路设计中的作用以及PBQ开发管理AetherMW PDK的方法,最后借助该工具在开源iPDK标准下,成功开发了100 μm GaAs衬底上2 μm InGaP HBT 工艺 PDK、100 μm GaAs 衬底上 0.25 μm GaAs pHEMT 工艺 PDK、75 μm GaAs 衬底上 0.25 μm GaAs pHEMT 工艺 PDK、100 μm GaAs 衬底上0.15 μm GaAs pHEMT 工艺 PDK,100 SiC 衬底上 0.25 μm GaN HEMT 工艺PDK,50 μm GaAs 衬底上 0.1 μm GaAs pHEMT 工艺 PDK,本文选取 0.1 μm GaAs pHEMT工艺PDK展开叙述。(2)结合器件版图结构和制造工艺,对W波段PDK器件库中的器件进行了建模研究。在模型参数提取过程中,改进了等效电路,引入了并联的电阻和电感表征高频趋肤效应。同时为解决直接提取法参数变动对模型精度影响大的问题,提出引入误差函数,利用算法完成对模型参数的优化。(3)针对pHEMT晶体管的寄生效应复杂测试困难的问题,提出利用PDK建立HFSS三维结构,并将晶体管三维结构拆解分块以提取各部分寄生,最后证明了该方法可以用于器件缩放和推广到更高频率代替测试数据。(4)PDK的严谨性、规范性是衡量一份PDK质量高低的关键因素。面对目前人工创建案例对PDK进行质量验证,耗时耗力且难保证验证的完备性的问题。提出利用脚本创建配置文件结合质量验证工具,完成对PDK的多方面质量验证。最终利用通过质量验证的PDK进行电路设计,证明了本课题PDK器件库、PDK模型文件与EDA电路设计工具三者的适配性良好,可用于射频微波电路的开发。