基于特征函数法的纳米超高速晶体管毫米波建模研究

This project is about microelectronic device modeling theory and technology research in the field of information technology. This project mainly focuses on the nanometer and ultra-high-speed field-effect transistors (CMOS and PHEMT), especially on the GaN transistors which have important applications in the high-frequency and high-power field. The present research will investigate the algorithms and theory of millimeter wave modeling of transistors based on the characteristic-function approach, and inhibit the multi-value problem existing in traditional modeling algorithms. This project is expected to present an algorithm for transistor model calibration with international impact in the field of radio-frequency transistor modeling, and then provides theoretical basis for radio-frequency models with high accuracy and analytical parameter extraction..At the earlier stage of this project, adequate preparations were made. Preliminary achievements have been published in IEEE EDL (2016), the authoritative journal in the field of international microelectronics. This project is expected to explore new algorithms and theories with international impact in the field of parameter extraction, parameter calibration, and equivalent circuit structure calibration of transistor radio-frequency modeling.

本项目主要针对纳米场效应晶体管（CMOS及PHEMT)特别是高频、大功率领域有重要应用的GaN晶体管，探索基于特征函数法的晶体管毫米波建模算法和理论，重点解决传统模型技术中，迭代拟合的数值算法所无法避免的多值解问题。.传统的晶体管射频模型，主要通过阻抗函数提取元件初始值，然后通过数值迭代拟合测试的S参数曲线来得到元件参数，其中可能包含很多组非物理的多值解。此外，传统晶体管毫米波模型，没有反映超高频下某些重要寄生效应（如沟道电感、非对称性等），构成毫米波模型领域的重大技术难点。.本项目有望在国际上首先提出一种模型校准算法理论，从而为高精度射频模型和参数的解析法提取，提供理论基础。.项目前期做了比较充分的准备，取得的初步成果发表在国际微电子领域的权威期刊IEEE EDL（2016）。本项目期将在晶体管射频模型参数提取、参数校准，以及等效电路结构的校准和完善方面，探索国际上具有创新性的算法和理论

本项目主要针对纳米场效应晶体管特别是高频、大功率领域有重要应用的GaN晶体管，开展基于特征函数法的晶体管毫米波建模，以及器件毫米波去嵌入算法的研究。.项目针对等效电路中的寄生、本征电路子单元，系统地研究了阻抗函数以及相关函数的组合，形成了较为完备的特征函数，通过和测试数据曲线相比较，核对特征函数曲线在全频段的符合度。在参数高精度解析提取的基础上，探索了相关的参数筛选算法，完成了基于GaN工艺的晶体管模型参数校准算法研究。相比于传统的晶体管模型参数提取技术，该晶体管模型参数提取和校准算法能够有效地判断并避免非物理的多值解，实现晶体管模型参数的高精度提取。使用0.1-μm GaN 1×50μm HEMT器件的测试数据，经过解析迭代，可以完成场效应晶体管寄生子电路元件参数值的高精度提取，在0.2~65GHz频率范围内仿真和测试数据取得了良好的拟合效果。.项目研究了器件毫米波去嵌入技术，完成了基于GaN工艺的晶体管器件去嵌入算法研究，提出了一种基于互连线单元电路拓扑结构以及互连线单元级联的去嵌入算法，使用0.1-μm GaN 1×50μm HEMT器件的测试数据，在0.2~65GHz频率范围内实现了良好的去嵌入精度。该去嵌入技术只需要加工一个直通测试结构，可用于任意尺寸的晶体管器件去嵌入，相比于传统的毫米波去嵌入技术，具有去嵌入所需要的无源测试结构数量少、成本低、测试复杂度低等优点；针对本身具有可缩放性的片上互连线和电阻器件，完成了基于GaN工艺的片上电阻器件去嵌入算法研究，提出了一种基于直通测试结构的互连线/电阻的去嵌入技术，使用0.1-μm GaN工艺的50Ω和100Ω片上薄膜电阻器件测试数据，采用该去嵌入技术在0.2~65GHz频率范围内取得了良好的去嵌入效果。相比于传统的互连线/电阻去嵌入技术，不需要借助额外的开路/短路测试结构，降低了去嵌入的成本以及测试的复杂度。