GaNForge 使い方解説書：SPICEネットリスト出力と再現性のある電気的特性図のためのガイド

GaNForge（ガンフォージ）は、GaN HEMT（窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ）の物理ベースのコンパクトモデルをブラウザ上で組み立て、Verilog-Aのコンパイルなしにそのまま使えるSPICEネットリスト（ngspiceおよびLTspice用サブサーキット）を出力する、決定論的なデバイスモデリングツール（claude.ai上のWebアプリ）です。
業界標準モデルである「ASM-HEMT」と「MVSG」の考え方に基づいており、2DEG電荷や速度飽和、自己発熱、トラップ（電流コラプス）などをSPICEのビヘイビア素子のみで記述しています。パラメータを変更すると、14種類の電気的特性図や特性表、テストベンチが約0.3秒で同時に自動更新されます。

主な特徴と機能

• 3つの代表デバイスプリセット： 650 V E-mode p-GaN、100 V E-mode p-GaN、RF用 D-mode GaN-on-SiCを標準搭載。
• 高度なモデルパラメータ編集： 48個のモデルパラメータと11項目の試験条件をすべて編集可能。
• 自動再現性と構成管理： 全パラメータ値から16桁の固有ハッシュ「model ID」を自動生成し、完全に同じ電気特性や回路シミュレーション結果を手元で再現・追跡できる仕組みを提供。
• 自動最適化（パラメータ抽出）： 実測データ（CSV）を読み込み、Levenberg–Marquardt法（最小二乗法）によって最適なパラメータを段階的に自動抽出・適合可能。
• 一式エクスポート： ネットリスト、特性図のデータ（CSV）、テストベンチ一式、プロジェクトJSONなどをまとめてZIP保存し、設計環境へシームレスに移行可能。

Transcript

1. GaN HEMT デバイスモデリングツール GaNForge 使い方解説書 SPICE ネットリスト出力と、再現性のある電気的特性図のためのガイド 対象バージョン：GaNForge 1.0 検証シミュレータ：ngspice-42（LTspice 用ネットリストも出力） 発行：2026 年 11 月
2. 目次 1. はじめに...........................................................................................................................................1 1.1 GaNForge とは...........................................................................................................................1 1.2 主な機能....................................................................................................................................1 1.3 動作環境....................................................................................................................................1 1.4 本書の表記................................................................................................................................1 2. 画面構成..........................................................................................................................................2 2.1 ヘッダー....................................................................................................................................2 2.2 パラメータラック...................................................................................................................3 2.3 タブ...........................................................................................................................................3 3. クイックスタート..........................................................................................................................4 4. モデルパラメータ..........................................................................................................................5 4.1 プリセット値............................................................................................................................6 4.2 どのパラメータで何が変わるか...........................................................................................8 5. 試験条件..........................................................................................................................................9 6. 特性図の見方................................................................................................................................10 6.1 共通の操作..............................................................................................................................10 6.2 電流コラプス表示.................................................................................................................20 7. 電気特性表.....................................................................................................................................21 8. SPICE ネットリスト.....................................................................................................................22 8.1 サブサーキットの呼び出し方..............................................................................................22 8.2 サブサーキットの内部構成.................................................................................................22 8.3 ngspice 版と LTspice 版の違い............................................................................................23 8.4 回路での使用例（ハーフブリッジ・ダブルパルス）.....................................................24 8.5 収束のためのヒント.............................................................................................................25 9. テストベンチと再現手順............................................................................................................26 9.1 手元で再現する手順..............................................................................................................26 10. パラメータ抽出..........................................................................................................................27 10.1 測定データの形式................................................................................................................27 10.2 手順........................................................................................................................................27 10.3 うまく合わせるコツ...........................................................................................................29 11. 保存・読込・一式 ZIP.................................................................................................................30 11.1 再現性の仕組み.....................................................................................................................30 12. モデル式.......................................................................................................................................31 12.1 参照した研究動向.................................................................................................................31 13. 検証結果......................................................................................................................................32 14. 適用範囲と注意事項..................................................................................................................33 15. トラブルシューティング..........................................................................................................34 16. 参考文献......................................................................................................................................35
3. GaNForge 使い方解説書 1. はじめに 1.1 GaNForge とは GaNForge は、GaN HEMT（窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ）の物理ベースのコンパクトモ デルをブラウザ上で組み立て、SPICE ネットリスト（サブサーキット）として出力するデバイスモデ リングツールです。パラメータを変えると、14 枚の電気的特性図・データシート形式の特性表・ネッ トリスト・テストベンチが同時に更新されます。 モデルの骨格は、業界標準の GaN HEMT モデルである ASM-HEMT（表面ポテンシャル型）と MVSG（仮想ソース型）の考え方に基づいています。2DEG 電荷、速度飽和、アクセス抵抗、自己発 熱、トラップ（電流コラプス／動的オン抵抗）、フィールドプレートによる容量の段差を、SPICE の ビヘイビア素子だけで記述しているため、Verilog-A のコンパイルなしに ngspice と LTspice でその まま使えます。 1.2 主な機能 • 代表 3 デバイス（650 V E-mode p-GaN、100 V E-mode p-GaN、RF 用 D-mode GaN-onSiC）のプリセット • 48 個のモデルパラメータと 11 項目の試験条件をすべて編集可能 • 14 種類の特性図（出力・伝達・gm・容量・ゲートチャージ・Eoss・温度依存・動的オン抵抗・ 回復・逆導通・リーク・fT・接合温度） • データシート形式の電気特性表（17 項目） • ngspice / LTspice 用サブサーキットと、各特性図を再現するテストベンチの自動生成 • 測定データ（CSV）からの Levenberg–Marquardt 法によるパラメータ抽出 • model ID（全パラメータのハッシュ）による再現性管理、プロジェクト JSON・一式 ZIP の保存 1.3 動作環境 表1 動作環境 項目 内容 利用形態 claude.ai 上の Web アプリ（アーティファクト）。インストールは不要です。 推奨ブラウザ Chrome / Edge / Safari / Firefox の最新版。横幅 1280 px 以上の PC 画面を推奨（スマ ートフォンでも閲覧可）。 ファイル保存 保存ボタンを押すと確認ダイアログが表示され、承認するとダウンロードされます。 SPICE シミュレータ ngspice 42 以降（動作検証済み）、LTspice XVII / 24 以降（Q= 電荷式容量を使用） 1.4 本書の表記 • 画面上のボタン名・タブ名は「 」で示します（例：「一式 ZIP」）。 • パラメータ名やコマンドは等幅文字で示します（例：VTH0、ngspice -b tb_output.cir）。 • 電圧・電流の記号は データシートの慣例に従い V_GS、I_D などと表記します。 1
4. GaNForge 使い方解説書 2. 画面構成 図 1 GaNForge の全体画面（650 V E-mode プリセット） 画面は、上部のヘッダー、左側のパラメータラック、右側の作業領域（5 つのタブ）で構成されます。 2.1 ヘッダー 図2 ヘッダー 表 2 ヘッダーの要素 要素 機能 プリセット選択 デバイスの種類を切り替えます。切り替えるとパラメータと試験条件がプリセット値に 置き換わります（読み込んだ測定データは保持）。 サブサーキット名 ネットリストの .subckt 名とファイル名に使われます。英数字と _ のみ（最大 24 文 字）。既定は GANHEMT。 model ID 全パラメータ値から計算した 16 桁のハッシュです。同じ model ID なら同じ図・表・ネ ットリストが得られます。 プロジェクト保存 パラメータ・試験条件・model ID を JSON ファイルで保存します。 読込 保存した JSON を読み込み、状態を復元します。保存時の model ID と一致するかを自 動で確認します。 一式 ZIP ネットリスト（ngspice/LTspice）、全テストベンチ、全図の CSV、プロジェクト JSON、README をまとめて保存します。 2
5. GaNForge 使い方解説書 2.2 パラメータラック 左側のラックには、モデルパラメータが「形状」「チャネル」「寄生」「ゲート」「耐圧」「容量」 「熱」「トラップ」の 8 グループに分かれて並び、その下に「試験条件」があります。グループ名を クリックすると開閉できます。 2.3 タブ 表 3 タブの構成 タブ 内容 特性図 ステータス表示、電気特性表、14 枚の特性図 SPICE ネットリスト サブサーキット（.lib）と 5 種類のテストベンチ。方言（ngspice / LTspice）の切替 パラメータ抽出 測定データの読込と Levenberg–Marquardt 抽出 モデル式と研究背景 モデルの式、参照した研究、適用範囲 ngspice 検証 ダッシュボード計算と ngspice の一致確認結果、手元での再現手順 3
6. GaNForge 使い方解説書 3. クイックスタート 初めて使う場合は、次の手順で一通りの流れを確認できます。所要時間は 5 分程度です。 1. ヘッダーのプリセットで、目的に近いデバイス（例：「650V E-mode p-GaN パワー」）を選び ます。 2. 「特性図」タブで、電気特性表（R_DS(on)、V_GS(th)、Ciss/Coss/Crss、Q_G など）と特性図 を確認します。 3. 左のラックで値を変えます（例：「寄生」の RD を 0.022 → 0.030）。入力欄から離れると約 0.3 秒で全図が再計算され、変更した欄は紫の枠になります。 4. 「SPICE ネットリスト」タブで方言（ngspice / LTspice）を選び、「コピー」または「保存 (.txt)」でサブサーキットを取り出します。 5. 再現用に「一式 ZIP」を保存します。ZIP 内のテストベンチを ngspice で実行すると、ダッシュ ボードと同じ曲線が得られます。 6. 実測データがあれば「パラメータ抽出」タブで読み込み、抽出を実行して「抽出値をモデルに適 用」を押します。 ヒント ブラウザは最後の状態（パラメータ・試験条件・測定データ）を記憶しますが、その記憶 はこのブラウザだけのものです。共有や長期保管には「プロジェクト保存」または「一式 ZIP」を使 ってください。 4
7. GaNForge 使い方解説書 4. モデルパラメータ パラメータは 8 グループ・合計 48 個です。数値は通常の小数・指数表記（2e-7）に加え、SPICE と 同じ SI 接頭語（p n u m k meg）でも入力できます。範囲外の値は赤枠になり、反映されません。 表4 モデルパラメータ一覧 記号 名称 単位 入力範囲 意味・効果 W ゲート幅 W mm 0.01〜1000 総ゲート幅（フィンガー数×フィンガー幅）。電流・ 容量・リークはおおむね W に比例。 L ゲート長 Lg µm 0.05〜5 ゲート長。速度飽和電圧 V_sl = v_sat·L/µ と fT を決 める。 TB 実効ゲート絶縁厚 t_eff nm 2〜200 ゲート〜2DEG 間の実効絶縁厚。p-GaN では p-GaN 層＋AlGaN バリアの直列分。C_g = ε0εr/t_eff。 EPSR 比誘電率 εr — 5〜15 バリア層の比誘電率（AlGaN ≈ 9.5）。 VTH0 しきい値 Vth0 (300K) V -10〜5 300 K でのしきい値電圧。E-mode は正、D-mode は負。 N サブスレッショル ド係数 n — 1〜6 サブスレッショルド係数。大きいほど立ち上がりが 緩やか（SS ≈ 60·n mV/dec）。 ETA DIBL η V/V 0〜0.05 DIBL 係数。V_DS が高いほど V_th が下がる。 KVT Vth 温度係数 mV/K -5〜5 しきい値の温度係数（mV/K）。 MU0 2DEG 移動度 µ0 cm²/Vs 300〜2500 300 K での 2DEG 移動度。線形領域のオン抵抗に効 く。 UTE 移動度温度指数 — 0〜3 移動度の温度指数（µ ∝ T^−UTE）。オン抵抗の温度 上昇を決める。 THETA 移動度劣化 θ 1/V 0〜1 縦電界による移動度劣化。高 V_GS での gm 低下。 VSAT 飽和速度 vsat 1e7 cm/s 0.2〜3 飽和速度。飽和電流と fT に効く。 VSTE vsat 温度係数 %/K 0〜0.3 飽和速度の温度低下率（%/K）。 BETA 飽和遷移 β — 1〜6 線形→飽和の遷移の滑らかさ。 LAMBDA CLM λ 1/V 0〜0.05 チャネル長変調。飽和領域の傾き。 RS ソース抵抗 Rs Ω 0〜10 ソース側アクセス抵抗（コンタクト＋アクセス領 域）。 RD ドレイン抵抗 Rd Ω 0〜10 ドレイン側アクセス抵抗。ドリフト領域を含む。ト ラップで増加。 AR Rs/Rd 温度指数 — 0〜3 R_s, R_d の温度指数（R ∝ T^AR）。 RG ゲート抵抗 Rg Ω 0〜50 ゲート抵抗（内部配線分）。スイッチング速度に効 く。 IGS ゲート飽和電流 Igs0 A 1e-18〜0.001 ゲートダイオードの飽和電流。p-GaN ゲートのリー ク量。 NG ゲートダイオード 理想係数 — 1〜60 ゲートダイオードの理想係数。p-GaN では 10〜20 程度の大きな値になる。 GOFF オフリーク導電率 S 0〜0.000001 オフ状態のリーク導電率（バッファリーク）。 BV 降伏電圧 BV V 10〜3000 ソフト降伏の基準電圧。 5
8. GaNForge 使い方解説書 記号 名称 単位 入力範囲 意味・効果 VBS 降伏急峻度 V 1〜200 降伏の急峻さ（小さいほど急）。 IBV BV 時電流 A 1e-9〜0.01 V_DS = BV のときの降伏電流。 CGSO Cgs オーバーラッ プ pF 0〜5000 C_gs のバイアス非依存分（オーバーラップ・フリン ジ）。 CGSCH Cgs チャネル pF 0〜5000 チャネル形成で増える C_gs。V_th 付近でステップ状 に増加。 SGS Cgs 遷移幅 V 0.05〜5 C_gs ステップの遷移幅。 CGDMIN Cgd 最小 pF 0〜500 ゲート端の 2DEG が空乏化した後の最小 C_gd。 CGD1 Cgd ステップ pF 0〜2000 ゲート端 2DEG が残っているときに加わる C_gd。 VGD1 Cgd 空乏電圧 V -10〜200 C_gd が落ちる V_DG。 SGD Cgd 遷移幅 V 0.1〜50 C_gd ステップの遷移幅。 CDSMIN Cds 最小 pF 0〜2000 高電圧で残る最小 C_ds。 CFP1 FP1 容量 pF 0〜5000 第 1 フィールドプレート下の 2DEG による C_ds 成 分。 VFP1 FP1 空乏電圧 V 0〜500 FP1 下の 2DEG が空乏化する V_DS。 SFP1 FP1 遷移幅 V 0.1〜100 FP1 ステップの遷移幅。 CFP2 FP2 容量 pF 0〜5000 第 2 フィールドプレート（ソース FP）による成分。 VFP2 FP2 空乏電圧 V 0〜1000 FP2 下の空乏化電圧。 SFP2 FP2 遷移幅 V 0.1〜200 FP2 ステップの遷移幅。 RTH 熱抵抗 Rth K/W 0.01〜100 熱抵抗（接合〜周囲または接合〜ケース）。 CTH 熱容量 Cth J/K 1e-7〜1 熱容量。過渡の温度上昇時定数 τ = Rth·Cth。 TAMB 周囲温度 °C -55〜200 周囲温度（ネットリストではインスタンスパラメー タ TAMB の既定値）。 VTR0 トラップ開始 Vdg V 0〜1000 トラップ捕獲が始まる V_DG。 VTRC トラップ特性電圧 V 1〜1000 トラップ占有率が飽和に向かう特性電圧。 DVTR 満占有時 ΔVth V 0〜3 占有率 1 のときの V_th シフト。 KRD 満占有時 Rd 増加率 — 0〜5 占有率 1 のときの R_d 増加率（動的オン抵抗）。 TAUC 捕獲時定数 τc s 1e-10〜0.001 捕獲時定数（高 V_DG 下で速い）。 TAUE 放出時定数 τe s 1e-7〜1000 放出時定数（回復の遅さ）。 4.1 プリセット値 3 つのプリセットの値を示します。公開データシートや文献のオーダーに合わせた出発点であり、特 定メーカーの製品を再現したものではありません。 表 5 プリセットのパラメータ値 記号 単位 W mm 120 600 1 L µm 1.5 0.6 0.25 TB nm 85 70 18 650V E-mode 100V E-mode 6 RF D-mode
9. GaNForge 使い方解説書 記号 単位 EPSR — 9.5 9.5 9.5 VTH0 V 1.6 1.7 -3 N — 1.9 1.8 1.6 ETA V/V 0.0001 0.0005 0.006 KVT mV/K -1.2 -1 -0.8 MU0 cm²/Vs 1800 1900 1700 UTE — 2.1 2 1.8 THETA 1/V 0.06 0.05 0.02 VSAT 1e7 cm/s 0.6 0.4 0.9 VSTE %/K 0.05 0.05 0.08 BETA — 2.4 2.2 2 LAMBDA 1/V 0.00003 0.0004 0.004 RS Ω 0.006 0.0006 0.45 RD Ω 0.022 0.0009 0.7 AR — 1.6 1.5 1.4 RG Ω 1.2 0.4 2 IGS A 2e-10 1e-9 1e-13 NG — 16 15 1.8 GOFF S 4e-11 1e-9 2e-9 BV V 900 140 150 VBS V 25 6 6 IBV A 0.0001 0.0001 0.0001 CGSO pF 200 600 0.55 CGSCH pF 480 900 1.1 SGS V 0.35 0.3 0.6 CGDMIN pF 2.5 8 0.035 CGD1 pF 60 120 0.12 VGD1 V 4 2 3 SGD V 2.5 1.5 2 CDSMIN pF 55 350 0.2 CFP1 pF 380 900 0.05 VFP1 V 12 6 15 SFP1 V 4 2.5 5 CFP2 pF 120 250 0 VFP2 V 90 30 60 SFP2 V 25 8 10 RTH K/W 0.5 0.4 18 CTH J/K 0.002 0.005 0.000002 650V E-mode 100V E-mode 7 RF D-mode
10. GaNForge 使い方解説書 記号 単位 TAMB °C 25 25 25 VTR0 V 50 20 10 VTRC V 220 60 40 DVTR V 0.15 0.08 0.5 KRD — 0.35 0.15 0.4 TAUC s 2e-7 1e-7 1e-7 TAUE s 0.02 0.005 0.01 650V E-mode 100V E-mode RF D-mode 4.2 どのパラメータで何が変わるか 表6 パラメータ調整の指針 合わせたい特性 主に効くパラメータ 確認する図 しきい値・サブスレッショルド VTH0, N, ETA, KVT Fig.2, Fig.8 オン抵抗（25 °C） MU0, RS, RD, TB Fig.1 低 V_DS 部, 表 オン抵抗の温度上昇 UTE, AR Fig.7 飽和電流・gm VSAT, THETA, BETA, RS Fig.1, Fig.3 容量カーブの段差 CFP1/VFP1/SFP1, CFP2/VFP2/SFP2, CGD1/VGD1 Fig.4, Fig.6 ゲートチャージ CGSO, CGSCH, CGD1, VGD1 Fig.5 動的オン抵抗 VTR0, VTRC, KRD, DVTR Fig.9 回復時間 TAUE Fig.10 オフリーク・降伏 GOFF, BV, VBS, IBV Fig.12 自己発熱 RTH, CTH Fig.1 実線, Fig.14 RF 特性 L, VSAT, CGSO, CGSCH Fig.13 8
11. GaNForge 使い方解説書 5. 試験条件 「試験条件」は特性図を計算するバイアス条件です。ここで決めた条件は、出力されるテストベンチ にもそのまま書き込まれるため、図とテストベンチは常に同じ条件になります。 表7 試験条件 項目 意味 使われる図・表 出力特性の Vgs 列 出力特性で描く V_GS の値（1〜8 個、カンマ区切り） Fig.1, Fig.14 出力特性 Vds 上限 出力特性の V_DS 掃引上限（61 点） Fig.1, Fig.14, 表 I_D,sat 伝達特性 Vgs 下限 / 上限 伝達特性の V_GS 範囲（121 点） Fig.2, 3, 13 伝達特性 Vds 伝達特性・fT を計算する V_DS Fig.2, 3, 13 容量 Vds 上限 容量・Eoss の V_DS 範囲（161 点） Fig.4, 6 Qg 試験 Vdd / 負荷電流 ゲートチャージ試験の電源電圧と負荷電流 Fig.5, 表 C@Vdd, Qoss ゲート駆動電圧 ゲートチャージ試験の最終 V_GS Fig.5 オン状態 Vgs オン抵抗・動的オン抵抗・逆導通の評価に使う V_GS Fig.7, 9, 10, 11 オフ状態ストレス Vds 動的オン抵抗のストレス電圧、I_DSS の評価電圧 Fig.1 コラプス, 9, 10, 表 補足 オフ状態のゲート電圧 V_GS,off は自動で決まります（E-mode：min(0, VTH0−2) V、Dmode：VTH0−2 V）。容量・リーク・動的オン抵抗・ゲートチャージの開始点に使われます。 9
12. GaNForge 使い方解説書 6. 特性図の見方 14 枚の図はすべて、各図のキャプションに書かれた条件で決定論的に計算されます。キャプションの 末尾には model ID の先頭 8 桁が入るので、図だけを切り出して資料に貼っても、どのモデルで描いた かを追跡できます。 6.1 共通の操作 • 値の読み取り：図の上にポインタを置くと、縦の補助線と各曲線の値が図の下に表示されます。 • CSV：その図の全データを、model ID と条件を書いたヘッダー付きの CSV で保存します。 • SVG：その図をベクター画像で保存します（報告書・スライド用）。 • 凡例：色は系列（V_GS や温度）を、線種は解析条件（実線＝DC、破線＝パルス、点線＝ストレ ス後）を表します。 図 3 ポインタを置くと値が読める 10
13. GaNForge 使い方解説書 Fig.1 出力特性 I_D–V_DS 図 4 出力特性 I_D–V_DS 実線は DC（自己発熱とトラップの定常状態を自己無撞着に解いた値）、破線はパルス（等温・トラッ プなし）です。高 V_GS・高 V_DS で実線が破線より下がるのは自己発熱による移動度低下です。「出 力特性にストレス後（電流コラプス）曲線を重ねる」にチェックを入れると、オフ状態ストレス電圧 で捕獲したトラップを凍結した点線が加わります。 11
14. GaNForge 使い方解説書 Fig.2 伝達特性 I_D–V_GS（片対数） 図 5 伝達特性 I_D–V_GS（片対数） T_j = 25 °C と 150 °C のパルス伝達特性です。サブスレッショルドの傾き（N）、しきい値 （VTH0）、オフ時の床（GOFF）を確認します。2 本が交差する点は温度係数ゼロ点（ZTC）です。 Fig.3 相互コンダクタンス g_m–V_GS 図6 相互コンダクタンス g_m–V_GS 12
15. GaNForge 使い方解説書 Fig.2 の数値微分です。ピーク値は VSAT と RS、ピーク後の低下は THETA で調整します。 Fig.4 容量特性 Ciss / Coss / Crss 図7 容量特性 Ciss / Coss / Crss オフ状態での小信号容量です（Ciss = Cgs+Cgd、Coss = Cds+Cgd、Crss = Cgd）。Coss と Crss の段差は、フィールドプレート下の 2DEG が電圧とともに空乏化する様子を表します。 13
16. GaNForge 使い方解説書 Fig.5 ゲートチャージ V_GS–Q_G 図 8 ゲートチャージ V_GS–Q_G クランプ誘導負荷（V_DD、I_load）での準静的なゲートチャージです。平坦部がミラープラトーで、 その長さが Q_GD です。破線は V_DS を駆動電圧に正規化した参考線です。 Fig.6 E_oss–V_DS 図9 E_oss–V_DS 14
17. GaNForge 使い方解説書 Coss を電圧で積分した蓄積エネルギーです。ハードスイッチング時のターンオン損失の目安になりま す。 Fig.7 R_DS(on)–T_j 図 10 R_DS(on)–T_j オン状態 V_GS・小電流でのオン抵抗の温度依存です。曲がり方は UTE（移動度）と AR（アクセス抵 抗）で決まります。 Fig.8 V_GS(th)–T_j 図 11 V_GS(th)–T_j 15
18. GaNForge 使い方解説書 定電流法（10 µA/mm × W、V_DS = 1 V）で求めたしきい値の温度依存です。 Fig.9 動的オン抵抗比–オフストレス電圧 図 12 動的オン抵抗比–オフストレス電圧 十分長いオフストレス後、オン直後のオン抵抗を静的値で割った比です。VTR0 までは 1.0 で、そこか ら増加して KRD で決まる値に近づきます。 16
19. GaNForge 使い方解説書 Fig.10 動的オン抵抗の回復 図 13 動的オン抵抗の回復 ストレス後にオンにしてからの時間経過による回復です。横軸は対数で、TAUE 付近で 1.0 に戻ります。 Fig.11 第 3 象限（逆導通） 図 14 第 3 象限（逆導通） 17
20. GaNForge 使い方解説書 ボディダイオードを持たない HEMT の逆導通特性です。V_GS がオフでも、V_SD ≈ V_th − V_GS を 超えるとチャネルが逆方向に開いて導通します。デッドタイム損失の評価に使います。 Fig.12 オフリーク・降伏 図 15 オフリーク・降伏 オフ状態でのドレインリークです。低電圧側はサブスレッショルドと GOFF、高電圧側は BV / VBS / IBV で決まるソフト降伏です。 18
21. GaNForge 使い方解説書 Fig.13 f_T–V_GS 図 16 f_T–V_GS f_T = g_m / 2π(C_gs+C_gd) で求めた真性遮断周波数です。RF プリセットで特に重要です。 Fig.14 DC 出力特性での接合温度 図 17 DC 出力特性での接合温度 Fig.1 の DC 曲線に沿った定常接合温度です。DC 出力特性が自己発熱でどこまで歪むかの判断に使い ます。 19
22. GaNForge 使い方解説書 6.2 電流コラプス表示 図 18 ストレス後（点線）を重ねた出力特性 20
23. GaNForge 使い方解説書 7. 電気特性表 図 19 電気特性表 特性図の上の表は、データシートの「電気的特性」欄と同じ形式でモデルの計算値をまとめたもので す。条件欄は試験条件に連動します。 表8 電気特性表の計算方法 項目 求め方 R_DS(on) オン状態 V_GS、V_DS = 50 mV（RF は 10 mV）での V/I。等温・トラップなし V_GS(th) I_D = 10 µA/mm × W、V_DS = 1 V、25 °C の定電流法 I_D,sat オン状態 V_GS、V_DS = 出力特性上限のパルス電流 Ciss / Coss / Crss V_DS = Qg 試験 Vdd、オフ状態での小信号容量 Q_oss / E_oss Coss を 0→Vdd で積分 Q_G / Q_GS / Q_GD / プラト ー Fig.5 の電荷経路から抽出 I_DSS V_DS = オフ状態ストレス電圧、25 °C / 150 °C V_(BR)DSS リークが 1 µA/mm × W に達する V_DS V_SD I_S = 負荷電流、オフ状態 V_GS での逆導通電圧 R_dyn/R_s オフ状態ストレス直後の動的オン抵抗比 f_T,max Fig.13 の最大値とその V_GS 21
24. GaNForge 使い方解説書 8. SPICE ネットリスト 図 20 SPICE ネットリストタブ 8.1 サブサーキットの呼び出し方 出力される .lib は 1 つのサブサーキットです。ピンは d g s tj の 4 本で、tj は接合温度上昇を電圧で出 力する熱ノード（1 V = 1 K）です。使わない場合は何も接続しなくてかまいません（内部で R_th を介 して接地されています）。 .include GANHEMT.lib * ピン: drain gate source tj XQ1 d g s tj GANHEMT TAMB=25 SH=1 TRAP=1 表9 インスタンスパラメータ インスタンスパラメータ 既定値 意味 TAMB プリセットの TAMB 周囲温度 [°C] SH 1 自己発熱（1 = 有効、0 = 等温） TRAP 1 トラップ（1 = 有効、0 = 無効＝新品状態） 8.2 サブサーキットの内部構成 表 10 サブサーキットの内部素子 素子 役割 RG ゲート抵抗 VSEN 電流検出（自己発熱の電力計算用、0 V 電源） 22
25. GaNForge 使い方解説書 素子 役割 BRD / BRS 温度とトラップで変化するドレイン／ソース抵抗（B 電流源で実装） BCH 真性チャネル電流。F(V_GS, max(V_DS,0)) − F(V_GD, max(−V_DS,0)) で順・逆方向を 表現 BGS / BGD ゲートダイオード（指数は x > 40 で線形接続し、収束性を確保） CGS / CGD / CDS 電荷保存型の非線形容量（ngspice：電荷ノード方式、LTspice：Q= 式） BTH, RTH, CTH 熱ネットワーク（P = I_D·V_DS を tj ノードへ注入） BTR, CTR, RTR トラップ占有率ノード ntr（捕獲 τc／放出 τe の非対称 RC） .func softplus・ロジスティック・指数リミッタとチャネル式の関数定義 8.3 ngspice 版と LTspice 版の違い 電流式は両方で同じです。違いは非線形容量の書き方だけです。 • ngspice 版：各容量を「電荷を電圧で表す補助ノード＋1 nF の基準容量＋電流検出」で実装しま す。過渡解析では dQ/dt、AC 解析では C = dQ/dV と正しく一致します（ngspice の B 電源の ddt() は AC 解析で 0 になるため、この方式を採っています）。 • LTspice 版：LTspice の電荷式容量 C1 a b Q=...x... を使います。 23
26. GaNForge 使い方解説書 図 21 LTspice 版を選択した状態 8.4 回路での使用例（ハーフブリッジ・ダブルパルス） * Double-pulse test, 400 V / 15 A .include GANHEMT.lib VDD vdd 0 400 XHS vdd gh sw tjh GANHEMT TAMB=25 SH=1 TRAP=1 XLS sw gl 0 tjl GANHEMT TAMB=25 SH=1 TRAP=1 VGH gh sw 0 VGL gl0 0 PULSE(-3 6 0 5n 5n 5u 10u 2) RGL gl0 gl 10 L1 vdd sw 100u .tran 1n 22u .end 24
27. GaNForge 使い方解説書 8.5 収束のためのヒント • 高電圧のスイッチング解析では .option reltol=1e-4 abstol=1e-9 程度から始めてください。 • 理想電圧源で直接ゲートを駆動せず、数 Ω のゲート抵抗を入れてください。 • 動作点が熱暴走側の解に落ちる場合（tj が異常に高い）は、まず SH=0 で解いてから SH=1 に戻 してください。 • p-GaN ゲートを 7 V 以上で駆動するとゲートダイオード電流が急増します（データシートの絶対 最大定格の範囲で使用してください）。 25
28. GaNForge 使い方解説書 9. テストベンチと再現手順 「SPICE ネットリスト」タブの右側で、特性図に対応する 5 種類のテストベンチを選べます。どれも 試験条件・温度・SH/TRAP の設定がダッシュボードの図と同じです。 表 11 テストベンチ一覧 テストベンチ 解析 出力ファイル 対応図 tb_output.cir .dc（V_DS × V_GS）、SH=1 TRAP=1 output.csv Fig.1 実線 tb_transfer.cir .dc（V_GS）、25/150 °C、SH=0 TRAP=0 transfer.csv Fig.2, 3 tb_caps.cir AC 1 MHz を V_DS ごとに繰り返し caps.txt Fig.4 tb_gatecharge.cir .tran、1 mA 定電流ゲート駆動 gatecharge.csv Fig.5 tb_dynron.cir .tran、オフストレス→オン、SH=0 TRAP=1 dynron.csv Fig.9, 10 9.1 手元で再現する手順 1. 「一式 ZIP」で保存し、任意のフォルダに展開します。 2. そのフォルダで ngspice をバッチ実行します。 3. data/fig_*.csv（ダッシュボードの値）と、ngspice の出力ファイルを比較します。CSV のヘッ ダーにある model_id がネットリスト先頭の model fingerprint と一致していることを確認してく ださい。 ngspice -b tb_output.cir ngspice -b tb_transfer.cir ngspice -b tb_caps.cir ngspice -b tb_gatecharge.cir ngspice -b tb_dynron.cir # -> output.csv # -> transfer.csv (25 / 150 degC) # -> caps.txt (Vds Ciss Coss Crss) # -> gatecharge.csv (Qg = 1 mA x t) # -> dynron.csv (Ron(t) after stress) LTspice の場合は ZIP 内の ltspice フォルダの .lib と tb_*.cir を開いて実行します（.step で V_GS や 温度を掃引します）。 26
29. GaNForge 使い方解説書 10. パラメータ抽出 実測データにモデルを合わせ込む機能です。選んだパラメータだけを、Levenberg–Marquardt 法で相 対誤差の二乗和が最小になるよう最適化します。各パラメータは入力範囲の内側に拘束されます。 10.1 測定データの形式 vgs,vds,id 3,0.5,4.21 3,1.0,7.35 ... • 列は V_GS [V]、V_DS [V]、I_D [A] の 3 列。区切りはカンマ・セミコロン・タブ・空白のどれで もかまいません。 • ヘッダー行は任意です。vgs / vds / id を含む名前なら列の順序が違っても認識します。 • # で始まる行はコメントとして無視します。 • 同じ V_GS で V_DS が 3 点以上あれば Fig.1 に、同じ V_DS で V_GS が 3 点以上あれば Fig.2 に 重ねて表示します。 10.2 手順 1. 「CSV ファイルを選択」でファイルを読み込むか、テキスト欄に貼り付けて「貼り付けたデータ を反映」を押します。 2. 抽出するパラメータにチェックを入れます（既定：VTH0, N, MU0, THETA, VSAT, LAMBDA, RS, RD）。 3. DC 測定のデータなら「DC 測定として自己発熱を含めて評価」にチェックを入れます（パルス測 定なら外したまま）。 4. 「抽出を実行」を押します。抽出前後の RMS 誤差と、各パラメータの変化が表示されます。 5. 結果に納得したら「抽出値をモデルに適用」を押します。 27
30. GaNForge 使い方解説書 図 22 抽出結果の例（合成テストデータ） 図 23 測定点（◦）を重ねた出力特性 注意 「合成テストデータを作成」は機能確認用です。現在のモデルのパラメータを意図的にずら し、±1.5 % の擬似雑音を加えたもので、実測値ではありません。 28
31. GaNForge 使い方解説書 10.3 うまく合わせるコツ • RS と RD は相関が強いため、両方を同時に抽出すると一意に決まりません。ソース抵抗を別の測 定（ゲート電流注入法など）で決め、RS のチェックを外すと安定します。 • 段階的に抽出します：①伝達特性（低 V_DS）で VTH0, N → ② 出力特性の線形領域で MU0, RD → ③ 飽和領域で VSAT, THETA, LAMBDA。 • 容量・トラップ・熱のパラメータは DC/パルス IV からは決まりません。C–V 測定、動的オン抵 抗測定、熱過渡測定の結果を見ながら手で合わせてください。 29
32. GaNForge 使い方解説書 11. 保存・読込・一式 ZIP 表 12 一式 ZIP の内容 ZIP 内のファイル 内容 GANHEMT.lib ngspice 版サブサーキット ltspice/GANHEMT.lib LTspice 版サブサーキット tb_*.cir ngspice 用テストベンチ（5 種） ltspice/tb_*.cir LTspice 用テストベンチ（5 種） data/fig_*.csv 14 枚の図のデータ（model_id・条件のヘッダー付き） project.json パラメータ・試験条件・model ID README.txt ファイルの説明 「プロジェクト保存」で保存した JSON は「読込」で復元できます。読込時に、保存されていた model ID と再計算した model ID を比較し、一致すれば「model ID 一致」と表示します。一致しない 場合はパラメータの欠落や手作業での編集を疑ってください。 11.1 再現性の仕組み • 計算は乱数を一切使わない決定論的なソルバ（3 ノード Newton 法と、自己発熱・トラップの固 定点反復）です。 • model ID は全 48 パラメータの値を連結した文字列の 64 ビットハッシュ（FNV 系）です。ネッ トリスト先頭、CSV ヘッダー、図のキャプションに刻印されます。 • 各図のバイアス格子（点数・刻み）は固定されており、テストベンチにも同じ刻みが書き込まれ ます。 30
33. GaNForge 使い方解説書 12. モデル式 GaNForge のモデル式を示します。φ_t = kT/q、σ(x) はロジスティック関数、sp(x) = ln(1+eˣ) は softplus 関数です。 チャネル電流 Vth = VTH0 - ETA*Vds + KVT*(T-300) + DVTR*n Vgt = 2*N*phit * sp((Vgs - Vth)/(2*N*phit)) mu = MU0*(T/300)^(-UTE) / (1 + THETA*Vgt) vs = VSAT*(1 - VSTE*(T-300)) 1/Vdsat = mu/(vs*L) + 1/(Vgt + 2*N*phit) Fs = (Vds/Vdsat) / (1 + (Vds/Vdsat)^BETA)^(1/BETA) F = W*Cg*Vgt*vs*Fs*(1+LAMBDA*Vds) + GOFF*Vds + IBV*(exp((Vds-BV)/VBS) - exp(-BV/VBS)) Id = F(Vgs, max(Vds,0)) - F(Vgd, max(-Vds,0)) Cg = eps0*EPSR/TB 寄生・ゲート・熱・トラップ Rs = RS*(T/300)^AR Rd = RD*(T/300)^AR*(1 + KRD*n) Igs, Igd = IGS*(exp(V/(NG*phit)) - 1) T = TAMB + 273.15 + V(tj) Cth*dV(tj)/dt = SH*Id*Vds - V(tj)/Rth n_ss = 1 - exp(-max(Vdg - VTR0, 0)/VTRC) dn/dt = (n_ss - n)/tau , tau = TAUC (n_ss > n) / TAUE (n_ss < n) 容量（電荷保存型） Cgs(Vgs) = CGSO + CGSCH*sigma((Vgs - VTH0)/SGS) Cgd(Vdg) = CGDMIN + CGD1*(1 - sigma((Vdg - VGD1)/SGD)) Cds(Vds) = CDSMIN + sum_k CFPk*(1 - sigma((Vds - VFPk)/SFPk)) Q(V) = integral C dV (softplus による閉形式) 12.1 参照した研究動向 • ASM-HEMT（表面ポテンシャル型 GaN HEMT モデル、CMC 標準）：自己発熱・トラップ・フ ィールドプレートのモジュール構成 • MVSG（MIT Virtual Source GaNFET、CMC 標準）：仮想ソース型の電荷・電流式とフィールド プレート容量の扱い • GaN HEMT モデルにおける自己発熱とトラップの相互作用の拡張（温度依存のトラップ時定数） • 修正トラップモデルによるドレインラグの特性評価とモデリング（Solid-State Electronics 2023） • p-GaN ゲート HEMT のゲート領域電荷トラップによるしきい値不安定性、および動的 V_th を SPICE モデルへ組み込む研究 • 1200 V p-GaN HEMT のフィールドプレート設計最適化（多段フィールドプレートと容量の関 係） 31
34. GaNForge 使い方解説書 13. 検証結果 ダッシュボードの計算コアと、生成したネットリストを ngspice-42 で解いた結果を、同じバイアス 点で比較しました。出力特性の誤差はフルスケール電流で正規化した最大相対誤差です。 表 13 ダッシュボードと ngspice の差 プリセット 出力 DC 出力 パル ス 伝達 第 3 象限 容量 AC 650V E-mode p-GaN パワー (≈50 mΩ 級) 0.0553% 0.0701% 0.0010% 0.0081% 0.0007% 0.5% 5 mV 100V E-mode p-GaN 低圧 (≈3 mΩ 級) 0.0256% 0.0665% 0.0528% 0.0004% 0.0004% 2.8% 3 mV RF D-mode GaN-on-SiC 0.25µm (W=1mm) 0.0318% 0.0953% 0.0945% 0.0290% 0.0003% 2.9% 13 mV Q_G プラトー DC・AC の各特性は 0.1 % 未満で一致しています。Q_G の差（最大約 3 %）は、ngspice の過渡解析 ではゲート駆動電流の一部がゲートダイオードの順方向リークに流れるためで、準静的計算には含ま れない効果です。 図 24 ngspice 検証タブ 32
35. GaNForge 使い方解説書 14. 適用範囲と注意事項 • プリセットは代表的な出発点です。特定製品の評価には、必ず実測データで抽出・確認してくだ さい。 • トラップは単一準位、熱回路は 1 段の Foster 回路で近似しています。複数時定数の回復やアレニ ウス型の温度依存が必要な場合は拡張が必要です。 • RF 用途の分散（周波数依存の g_m・g_ds）、ゲートリークの詳細機構、パッケージ寄生インダ クタンス（L_s, L_d, L_g）は含みません。回路側で追加してください。 • p-GaN ゲートのしきい値不安定性は DVTR（トラップ占有率による V_th シフト）で近似してい ます。ゲートストレス由来の正負シフトを区別するモデルではありません。 • モデルの絶対最大定格（ゲート耐圧、SOA）はチェックしていません。 33
36. GaNForge 使い方解説書 15. トラブルシューティング 表 14 トラブルシューティング 症状 原因と対処 入力欄が赤くなり反映されない 入力範囲の外です。表 4 の範囲を確認してください。 保存ボタンで「保存を使えません」 と出る ファイル保存に対応していない表示（埋め込み表示など）です。claude.ai で アーティファクトを直接開くか、「コピー」を使ってください。 保存ダイアログが開いていると表示 される 前の確認ダイアログが開いたままです。閉じてから再度押してください。 LTspice で Q= の行がエラーになる 古い LTspice（IV）は電荷式容量に対応していません。LTspice XVII 以降を使 うか、ngspice 版を使ってください。 ngspice で「Timestep too small」 ゲートを理想電圧源で直接駆動していないか確認し、ゲート抵抗を入れてくだ さい。8.5 節も参照してください。 動作点で tj が数百 K 以上になる 熱暴走側の解です。SH=0 で動作点を求めるか、.nodeset V(tj)=0 を指定して ください。 抽出しても誤差が下がらない 抽出パラメータが多すぎるか、データの条件（DC/パルス）がチェックと合っ ていません。10.3 節の段階的抽出を試してください。 読込後に「model ID が異なる」と 出る JSON の一部パラメータが欠けているか、手で編集されています。欠けた項目 はプリセット値で補われています。 34
37. GaNForge 使い方解説書 16. 参考文献 [1] ASM-HEMT 101.0.0 Manual, IIT Kanpur https://www.iitk.ac.in/asm/asm_package/ASMHEMT101.0.0_Manual.pdf [2] MVSG model, Waterloo Emerging Integrated Systems Group https://uwaterloo.ca/waterloo- emerging-integrated-systems-group/mvsg-model [3] Self-heating and trapping enhancements in GaN HEMT models, SemiWiki https://semiwiki.com/eda/keysight-eda/344429-self-heating-and-trapping-enhancements-in-ganhemt-models/ [4] Characterization and modeling of drain lag using a modified trap model, Solid-State Electronics (2023) https://in4.iue.tuwien.ac.at/pdfs/sispad2022/Characterization-andmodeling-of-drain-lag-using-a-modifi_2023_Solid-State-E.pdf [5] Beleniotis et al., WOCSDICE-EXMATEC 2024 abstract, FBH https://fbh-berlin.de/fileadmin/downloads/Press/2024/abstract_wocsdiceexmatec_2024_Beleniotis.pdf [6] Threshold voltage instability by charge trapping effects in the gate region of p-GaN HEMTs, arXiv:2212.06442 https://arxiv.org/pdf/2212.06442 [7] Incorporating the Dynamic Threshold Voltage into the SPICE Model of Schottky-Type p-GaN Gate Power HEMTs https://bohrium.dp.tech/paper/arxiv/60376a42d3485cfff1dfc1bf [8] Optimization of the Field Plate Design of a 1200 V p-GaN Power HEMT, Micromachines 13(9), 1554 https://www2.mdpi.com/2072-666X/13/9/1554 35