de la caractérisation à la modélisation électrique de ... · ions positifs e-légère...
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-
"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
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
-
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
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
-
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
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
-
Prsentation du modle MC2
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
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
-
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
freq (1.000GHz to 20.00GHz)
Sc(1
,2)
Sm
es(1
,2)
Transmission inverse
freq (1.000GHz to 20.00GHz)
Sc(2
,2)
Sm
es(2
,2)
Coefficient de reflection en sortie
-3 -2 -1 0 1 2 3-4 4
freq (1.000GHz to 20.00GHz)
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 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
Symboles = MesuresLignes = Modles
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
Symboles = MesuresLignes = Modles
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: nicolas.vellas@mc2-technologies.com
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