De la caractérisation à la modélisation électrique de ... · Ions positifs e-Légère...

"De la caractrisation la modlisation lectrique de

transistors base de nitrure de gallium"

TECHNOLOGIESTECHNOLOGIESTECHNOLOGIESTECHNOLOGIES

11 Juin 2008

PLAN

Prsentation de MC2-Technologies

Intrts et particularits de la filire GaN

Dfinition et intrts de la modlisation NL

Prsentation du modle MC2

Extraction des lments du modle

Validation du modle

MC2-Technologies

Microwave Characterization Center Startup de lIEMN Cre en Mars 2004 (SAS) Capital social 95k Effectif: 7

Lactivit de MC2

Caractrisations hyperfrquences

Modlisation lectrique et

design

Dveloppement

Caractrisations hyperfrquences

Mesures statiques (DC et puls)

Mesures de paramtres Sij : CW : 30 kHz - 220 GHz, Puls : 800 MHz 40 GHz

Mesures en rgime grand signal (CW ou puls): De 800 MHz to 110 GHz

Mesures de linarit en rgime grand signal : De 500 MHz to 40 GHz (multi tons, NPR, ACPR, formats

numriques)

Mesures de bruit (extraction des 4 paramtres de bruit): De 500 MHz to 40 GHz, 60 GHz, 94 GHz

Caractrisation hyperfrquences des matriaux Extraction de la permittivit complexe (DC-220GHz)

Modlisation et design

Modlisation et design de composants et systmes Transistors, diodes, passifs, mlangeurs

LNA, PA

Modlisation partir dun large panel de mesures Sij, statique, bruit, puissance

Les modles utiliss Schma quivalent, Boite noire, Empirique,Neuronal

Modle lectrique mixte (schma q. + rseaux de neurones)

Les effets pris en compte Auto-Echauffement, Piges, Mmoires, Dispersion frquentielle

Compatibilit ADS, AWR, VERILOG

Dveloppement Amplificateurs hybrides (LNA, PA)

T de polarisation spcifique (Puls, fort courant et tensions

Banc de caractrisation Puls (DC (>100V, >2A), Sij)

Bancs de caractrisation grand signal Mono et multi porteuses

Charge active ou passive mono et multi harmoniques

Logiciel dextraction de modles linaires et/ou non linaires automatique

Drivers dinstruments

Logiciels de squence de test sur-mesure

Dveloppement de systmes sur demande

PLAN






Validation du modle

Intrts de la filire GaN

Semiconducteur Grand Gap (3.4 eV pour GaN) pyro et piezolectrique

Champ de claquage lev (> 3 MV/cm)

Vitesse maximum des lectrons leve (2.8x107 cm/s)

Densit surfacique de porteurs leve (Ns > 1x1013 cm-2)

Bonne conductivit thermique (1.3 W/cm.K)

Bonne stabilit thermique et chimique

Possibilit de raliser des htrostructures: HEMT AlGaN/GaN (% Al de 7 50%)

HEMT (Al)GaN/InGaN (amlioration de la mobilit)

HEMT AlIn(Ga)N/GaN (Augmentation de EC et Ns)

Substrats daccueil Al2O3 - SiC - Si(111) - Si (100)

Candidat idal pour des applications de fortes puissance

Etat de lart en puissance AlGaN/GaN

Ku-Band AlGaN/GaN HEMT with Over 30W (Toshiba Corporation)

A 9.510.5GHz 60W AlGaN/GaN HEMT for X-Band High Power Application (Eudyna Devices)

A kW-Class AlGaN/GaN HEMT for S-Band High Power Application (Eudyna Devices Inc)

0.1

1

10

100

j-96 j-97 j-98 j-99 j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06

Echelle des temps

Pui

ssan

ce d

e so

rtie

(W

/mm

)

HEMT sur saphirHEMT sur SiCHEMT sur SiDHEMT sur saphirHEMT sur GaNMOSHFET sur SiC

30W/mm@8GHz

a) Structure au repos b) Structure polarise sans clairement c) Structure polarise sous clairement

DRAINGRILLESOURCE

AlGaN

GaN

Substrat

VGS < 0VVDS > 0V

Ions positifs

e-

Forte dsertion du canal

charges non compenses

DRAINGRILLESOURCE

AlGaN

GaN

Substrat

Gaz 2D

VGS = 0V

VDS = 0V

Chargespizolectriques

Ions positifs

E= h

DRAINGRILLESOURCE

AlGaN

GaN

Substrat

VGS = 0VVDS > 0V

Ions positifs

e-

Lgre dsertion du canal

charges non compenses

Grille virtuelle

Particularits de la filire GaN Semiconducteur Pyro et piezolectrique

Sensibilit leve au phnomne adsorption (effet parasite Drain Lag )

Ncessite un procd passivation spcifique

Substrats daccueil Al2O3 - SiC - Si(111) - Si (100) Dsaccord de maille : piges buffer ( Gate Lag )

Dopage du buffer pour le rendre isolant

300nm SiO 2 /Si3N4

SD

G

FP

0.62m

D R AINGR IL L ESO U R C E

AlG aN

G aN

Substrat

G az 2D

V G S

V D S

e-

Pige vide

E = h

C hargespizolectriqu es

Ions positifs

Pige rem pli

Capture

Em ission

PLAN






Validation du modle

Dfinition et intrts de la modlisation NL de transistors

Dfinition: Dveloppement de modle lectriques dcrivant fidlement le

comportement non linaire dun transistor en fonctionnement rel.

Cration de bibliothques de modles de composants utilisables dans les simulateurs (ex: ADS2008)

Intrts: Utilisation des modles NL dans la phase de conception dun PA

Possibilit de modeler volont larchitecture du PA avant la fabrication

Gain de temps et dargent

Les tapes ncessaires la modlisation

1. Etape de rflexion: La gamme de frquence ?

La gamme de polarisation?

Pour quelle application?

Lois dchelles?

Les effets prendre en considration?

Les outils disposition?

2. Etape de caractrisation

3. Etape de modlisation (utilisation des mesures sous ADS)

4. Etape de validation

Choix du type de modle

Les diffrents types de modles Bas sur le schma lectrique quivalent:

Avantages et inconvnients: Possibilit de lois dchelle

Non divergent en dehors des conditions dextraction

Nombre dtapes de mesures ncessaires important

Les principaux modles: Modles physiques (quations physiques, compliqu pour GaN)

Modles empiriques (quations empiriques, les plus communs pour GaN actuellement)

Boite noire: Avantages et inconvnients:

Nombre dtapes de mesures ncessaires rduit

Vitesse de calcul gnralement plus leve

Facilit de mise en uvre

Pas de lois dchelle

Divergent en dehors des conditions dextraction

Les principaux modles: Neuronal

Tableau de points

Splines

PLAN






Validation du modle


Modle mixte schma quivalent -rseaux de neurones

Prsente les avantages sans les inconvnients des deux types de modle

Lois dchelle possible en Wt

Large gamme de polarisation

Non divergent en dehors des conditions dextraction

Rapide, prcis et robuste

s i

d i

g i

R gs

ID C ds

R gd

P o rt d i Num = 2

P o rt s i Num = 3

P o rt dT Num= 4

P o rt g i Num = 1

R R 9 R = 1 e 3 /ggd

R R 4 R = rds

I_ P ro be Id i

R R 8 R = 1 e 3 /ggs

Modalits dextraction (1/3)

Extraction des paramtres extrinsques RS, RD et RG via Sij pulss

Inductances et capacits via Sij CW (meilleure prcision, indep. Polarisation)

Extraction des paramtres intrinsques Gnrateur de courant via DC puls

Diode GS et GD via statique ou DC puls

CGS, CGD, RGS RGD, et CDS via Sij pulss

Modalits dextraction (2/3)

80

100

120

140

160

180

200

220

240

-7 -6-5 -4

-3 -2-1 0

1

05

1015

2025

3035

Cgs

(fF

)

Vgs

Vds

Cgs (fF)

80 100 120 140 160 180 200 220 240

0

20

40

60

80

100

120

140

-7-6

-5-4

-3-2

-10

1

5 10 15 20 25 3035

40

Cgd

(fF

)

Vgs

Vds

Cgd

0 20 40 60 80 100 120 140

0

10

20

30

40

50

60

-7 -6-5 -4

-3 -2-1 0

1

05

1015

2025

3035

gm(m

S)

Vgs

Vds

gm

0 10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-7-6

-5-4

-3-2

-10

1

510

1520

2530

3540

gd(m

S)

Vgs

Vds

gd

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Modalits dextraction (3/3) Modlisation des lments intrinsques

Ramener les tensions ext. en int. (variation des lments vs polar)

Optimisation dun rseau de neurones pour ID

Optimisation dun rseau de neurones pour les capacits, rsistances et dlais.

Hidesneurons

Outputneurons

Inputneurons

Vgsii Vdsii

Cgs Cgd Cds Rgs

Vgse0 Vdse0 Vgstii Vdsii

Id

Vgstii=Vgsii*exp(-j* *)

Le systme de mesures pulses DC et Sij

Intrts des mesures pulses Quantification des effets de piges

Quantification des effets thermiques

Spcifications dun systme puls performant Dimensionnement adapt des Ts de polarisation (overshoot, feedthru)

VNA rapide et haute dynamique (ex: PNAX, Prcision sur S12 importante)

Systme de Gating sur les rcepteurs du VNA (pas de dsensibilisation)

Rapidit de mesure (nombre de mesures lev)

Prcision sur IG (architecture spcifique)

Haute dynamique en courant et tension

PLAN






Validation du modle

Validation de modles (1/)

Vrification du modle en rgime statique et linaire

ID(VDS, VGS), IG(VDS, VGS), IGS(VGS), IGD(VGD), GM(VGS, VDS)

Sij CW ou pulss

Vrification du modle en rgime non linaire

Loadpull mono ou multi tons multi harmonique vs L Mesure non linaire en rgime temporel (ellipses de

charge, formes dondes) vs L

Vrification du modle en rgime statique

5 10 150 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.5

V1=-8.000

V1=-7.000

V1=-6.000

V1=-5.000

V1=-4.000

V1=-3.000V1=-2.000V1=-1.000V1=0.000V1=1.000

VDS (V)

ID (A

)

Vrification du modle en rgime DC puls

VGS0=-5V VDS0=20V

5 10 15 20 250 30

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.5

V1=-9.000V1=-8.000

V1=-7.000

V1=-6.000

V1=-5.000

V1=-4.000

V1=-3.000

V1=-2.000V1=-1.000V1=0.000V1=1.000

VDS (V)

ID (A

)Symboles = MesuresLignes = Modles

Vrification du modle en rgime linaire (Sij pulss)

VGS0=-5V VDS0=20V,

VDSi=2V to 18V step 2V, VGSi=-6V

F=1GHz - 20GHz

Bleu = MesuresRouge= Modles

freq (1.000GHz to 20.00GHz)

Sc(1

,1)

Sm

es(1

,1)

Coefficient de reflection en entre

-0.2

0

-0.1

5

-0.1

0

-0.0

5

0.0

0

0.0

5

0.1

0

0.1

5

0.2

0

-0.2

5

0.2

5


Sc(1

,2)

Sm

es(1

,2)

Transmission inverse


Sc(2

,2)

Sm

es(2

,2)

Coefficient de reflection en sortie

-3 -2 -1 0 1 2 3-4 4


Sc(2

,1)

Sm

es(2

,1)

Transmission directe

Vrification du modle en rgime linaire (Gains)

1E101E9 5E10

0

5

10

15

-5

20

freq, Hz

max_gain

(Ssim

)

indep(max_gain(Smes))

max_gain

(Sm

es)

VGS0=-5V VDS0=20V,

VDSi=2V to 18V step 2V, VGSi=-6V

F=1GHz - 20GHz Bleu = Mesures Rouge= Modles

1E101E9 5E10

18

20

22

24

26

28

30

16

32

freq, Hz

20*log(H

sim

(2,1

))

indep(20*log(Hmes(2,1)))

20*log(H

mes(2

,1))

1E101E9 5E10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.0

1.6

freq, Hz

Ksim

indep(Kmes)

Km

es

K

H21 MSG/MAG

Vrification du modle en rgime non linaire (Loadpull monoton)

VGS=-5V VDS=20V,

F=4GHz

0 5 10 15 20 25-5 30

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

4

32

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

0

26

Pinm

Poutm

Pins

Pouts

Gain

mG

ain

s

Symboles = MesuresLignes = Modles

Comparaison ralise pour limpdance de charge optimale

Vrification du modle en rgime non linaire (Time domain)

VGS=-5V VDS=20V,

F=4GHz


5 10 15 20 25 300 35

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

-0.1

0.5

Drain Voltage [V]

Dra

in c

urr

ent [A

]

-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0-12 1

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

-0.20

0.20

Gate Voltage [V]

Gate

curr

ent [A

]

Bon accord sur les llipses de charge en entre et sortie vs Pinj

Vrification du modle en rgime non linaire (Time domain)

VGS=-5V VDS=20V,

F=4GHz


Bon accord sur les tensions et courants en entre et sortie vs Pinjet vs temps

100 200 300 4000 500

-10

-5

0

-15

5

time, psec

v1m

tsv1sts

100 200 300 4000 500

15

20

25

10

30

time, psec

v2m

tsv2sts

100 200 300 4000 500

-0.1

0.0

0.1

-0.2

0.2

time, psec

i1m

tsi1

sts

100 200 300 4000 500

-0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

-0.1

0.5

time, psec

i2m

tsi2

sts

Evaluation de la loi dchelle en Wt

VGS=-5V VDS=20V, F=4GHz

Variation de Wtotal de 300 1200m par pas de 150m

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25-20 30

5

10

15

20

25

30

0

35

W=300.000

W=450.000W=600.000

W=750.000W=900.000W=1.050E3W=1.200E3

Pabs_fo

Pout_

fo

W=300.000

W=450.000

W=600.000

W=750.000W=900.000W=1.050E3W=1.200E3

Pout_

fo-P

abs_fo

-20 -10 0 10 20-30 30

5

10

15

20

25

30

0

35

W=300.000

W=450.000W=600.000

W=750.000W=900.000W=1.050E3W=1.200E3

Pabs_fo

Pout_

fo

W=300.000

W=450.000

W=600.000

W=750.000

W=900.000

W=1.050E3

W=1.200E3

Pout_

fo-P

abs_fo

L = constant (41.4+j*28.4) L =inversement proportionnelle Wt

Test de robustesse

VGS=-5V VDS=20V, F0=4GHz

ZL= 41.4+j*28.4 4GHz,

ZL= 50 aux autres frquences

Nbr harmoniques = 15

Pinj= -5 26dBm pas 0.5dBm

Temps de simulation = 2.4s Configuration PC: AMD ATHLON 2500+ et 2GB RAM PC3200 (sous Windows XP SP2)

-10 0 10 20 30 40-20 50

-10

0

10

20

30

-20

40

Pabs_fo

Pout_

foPout_

fo-P

abs_fo

CONDITIONS DE TEST

>30dB compression

Conclusion

La technologie GaN ncessite une mthodologie de modlisation adapte

La modlisation implique :

Une tape de rflexion pralable

Des outils de caractrisation performants

Le modle mixte MC2 rpond parfaitement, de par sa flexibilit, la technologie GaN (rapidit, prcision, robustesse)

Deux versions automatises de logiciel dextraction des modles linaires et non linaires sont en cours de dveloppement et seront bientt disponibles.

Contacts

Adresse:MC2-TechnologiesBt. IEMN, Avenue Poincar, BP6006959652 Villeneuve dAscq

Tel: +33 (0)3 20 19 78 93 Fax: +33 (0)3 20 19 78 88 Web: www.mc2-technologies.com Email: [email protected]

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