Characterization and Modeling Techniques for High-Power Microwave GaN HEMTs

Il CAD (Computer-Aided Design) di amplificatori di potenza a microonde dipende fortemente dalla disponibilità di modelli accurati di dispositivi attivi. I modelli empirici sono l'opzione più promettente in termini di efficienza computazionale e accuratezza nella simulazione e sono molto adatti per la progettazione degli amplificatori di potenza negli ambienti CAD commerciali. È importante distinguere tra gli elementi parassiti lineari e quelli non lineari nella formulazione dei modelli empirici. Questi ultimi sono di solito composti da un nucleo intrinseco non lineare inserito in una struttura parassita lineare che collega il nucleo ai componenti esterni. Inoltre, per progettare amplificatori di potenza che richiedono diversi livelli di potenza in uscita è necessario avere modelli che rappresentino accuratamente il comportamento di transistor di diverse dimensioni. Un altro aspetto importante della modellazione empirica dei transistor è caratterizzare il comportamento non lineare del nucleo intrinseco in condizioni operative realistiche e descriverlo matematicamente (o attraverso un circuito equivalente). A tal fine, una volta definita la struttura del modello, vengono effettuate misurazioni e simulazioni appropriate sul transistor per estrarne il modello. Pertanto, soprattutto per i transistori HEMT in GaN ad alta potenza, i requisiti per una modellazione empirica accurata sono: le misurazioni delle caratteristiche non lineari, che devono considerare la presenza di effetti termici e di intrappolamento dei portatori, le simulazioni che considerano gli effetti elettromagnetici (EM) associati alla variazione della periferia del transistor e, infine, il processo di estrazione, che si basa su una serie di passaggi di identificazione. Questa tesi presenta un contributo originale alla modellazione empirica dei transistor HEMT in GaN, focalizzandosi sulla scalabilità del modello e sulla simulazione accurata del comportamento non lineare. Viene proposto un processo di ottimizzazione che combina misurazioni di strutture di test specifiche con modelli corrispondenti in un simulatore circuitale e consente al simulatore EM di considerare la geometria reale del transistor e gli effetti parassiti legati alla rete passiva di accesso al nucleo intrinseco. Si dimostra che il comportamento del transistor può essere descritto da un nucleo a 2 porte intrinsecamente non lineare collegato a una rete parassita passiva distribuita a 4 porte, identificata tramite simulazioni EM del layout del transistor. Per affrontare il problema della ricostruzione delle caratteristiche I/V non lineari dei transistor GaN HEMT, viene utilizzata un'equazione empirica identificata mediante curve di carico acquisite nella gamma di frequenza dei megahertz, che descrive accuratamente le caratteristiche del generatore di corrente. Inoltre, effetti dinamici strettamente non lineari come le capacità intrinseche possono essere descritti accuratamente utilizzando parametri S per piccoli segnali in diverse condizioni di polarizzazione. È stata progettata una struttura di test dedicata con un trasformatore d'impedenza per caratterizzare i transistor multicell e verificare l'accuratezza del modello empirico. Nella caratterizzazione dei transistor multicell, gli effetti parassiti dei fili che collegano la struttura di test ai transistor possono influenzare la corretta definizione del piano di riferimento della misurazione. Tuttavia, si dimostra che le simulazioni EM dei dispositivi di test e dei fili di bonding, insieme a modelli equivalenti basati su queste simulazioni, possono rimuovere questi effetti e definire un piano di riferimento coerente tra simulazioni e misure. Si evidenzia come definire un piano di riferimento coerente sia un prerequisito fondamentale per una modellazione accurata dei transistor.

Computer-Aided Design (CAD) of microwave power amplifiers is critically dependent on the availability of accurate active device models. Empirical models represent the best trade-off in terms of computational efficiency and accuracy in simulation and are very suitable for the design of power amplifiers in commercial CAD environments. It is very important to separate linear parasitic elements from nonlinear intrinsic ones in the formulation of empirical models. Therefore, they are generally described by a nonlinear intrinsic core that exists inside an external linear parasitic structure connecting the intrinsic core to the outside. In order to realize power amplifiers that require a wide range of output power levels from a few watt to several hundred watt, models that accurately represent the behavior of transistors of various sizes, i.e., with excellent scalability, are mandatory. Another important aspect of empirical modeling of transistors is to capture the nonlinear characteristics of the intrinsic core as close as possible to its actual behavior and to describe it mathematically (or through an equivalent circuit). Once a model is defined, appropriate measurements and simulations on the transistor are performed to extract the model. Therefore, especially for high-power GaN HEMTs, the requirements for accurate empirical modeling are: the measurements of nonlinear characteristics, which must account for their specific trapping and thermal phenomena, the simulations that consider the electromagnetic effects associated with increasing die size, and, finally, the extraction process, which is based on a series of identification steps. This thesis presents an original contribution to the empirical modeling of GaN HEMTs that addresses the issues of model scalability and accurate simulations of their nonlinear behavior. An optimization process that combines measurements of dedicated test structures with corresponding models in a circuit simulator allows the EM simulator to account for the actual transistor geometry, dielectric and electrode losses, and to provide an accurate description of the parasitic effects in the passive element regions. It is shown that the transistor behavior can be described as a 2-port intrinsic nonlinear element connected to a linear distributed 4-port passive parasitic network identified by EM simulations of the transistor layout. For the issue of reconstructing the nonlinear I/V characteristics of GaN HEMTs, an empirical equation is adopted that is identified by load lines acquired in the megahertz frequency range and accurately describes the characteristics of the current source. Moreover, an accurate description of strictly nonlinear dynamic effects (i.e., intrinsic capacitances) is also required, which can be obtained by multi-bias small-signal S-parameters. As a means of characterizing multicell transistors and verifying the accuracy of the extracted empirical model, a unique test fixture with a tapered impedance transformer has been designed. In the characterization of multicell transistors using these fixtures, the bonding wires connecting the test fixture to the transistor and the parasitic effects caused by these wires are often problematic, affecting the accurate definition of the reference plane of the measurement. It is shown, however, that EM simulations of test fixtures and bonding wires and equivalent circuit models based on these simulations can remove these effects from measurement results and define a reference plane that is consistent with the simulations. It is highlighted that particular attention was paid to the correct definition of the reference plane as an important aspect throughout this thesis in order to guarantee measurements and simulations that avoid discrepancies with respect to the reference plane for transistor modeling.