RFLDMOS的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)路線

1、RF LDMOS 的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)路線RF LDMOS的發(fā)展?fàn)顩r 1969，Y.Tarui等提出了LDMOS 1972，Sigg最先開發(fā)出應(yīng)用于射頻領(lǐng)域的LDMOS 1976，Declerq和Plummer采用了橫向雙擴(kuò)散和輕摻雜的方法做出高壓大電流的LDMOS 1980，T.O kabe等人研制出了可以在1.1GHz下連續(xù)波輸出功率為22W、增益為8.5dB、漏極效率為51%LDMOS，這顯示出LDMOS器件可以用在射頻、微波功率領(lǐng)域 上世紀(jì)80年代初，美國雷達(dá)開始應(yīng)用了RF LDMOS器件 上世紀(jì)90年代，RF LDMOS器件逐步進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域 1992，Isao Yo shida等人研制出

2、了高效率的靠電池供電移動(dòng)通信用的低壓Mo柵LDMOS，其溝道長度為0.18 m，在1.5GHz下輸出功率為2W，增益為8dB，漏極效達(dá)65%，功率附加效率為55%。 1994，這個(gè)團(tuán)隊(duì)又研制出了在1.5GHz下連續(xù)波輸出為35W，增益為13dB，漏極效率為50%的射頻LDMOS功率器件。 1996年，Motorola的Alan Wood等人研制出了在2GHz下連續(xù)波輸出功率為60W，增益為11dB，漏極效率為44%的高性能射頻LDMOS功率器件。 1999年初，Ericsson推出了系列化的高性能射頻LDMOS產(chǎn)品，工作頻率為1.4-1.7GHz，連續(xù)波輸出功率為30-135W的PTE系列和工

3、作頻率為2.1-2.2GHz，連續(xù)波輸出功率為6-100W的PTF系列。 1999年初，來自荷蘭的飛利浦（Philips）也推出了在1.03GHz-l.09GHz內(nèi)輸出的功率為200W，增益為14dB，效率大于40%的LDMOS產(chǎn)品，并大量用于WCDMA移動(dòng)通信基站的功率放大器中。 進(jìn)入21世紀(jì)后，飛思卡爾公司（原Motorola半導(dǎo)體）、恩智普公司（原Philips半導(dǎo)體）與英飛凌公司在多年的技術(shù)積累下，不斷推出性能強(qiáng)大的射頻LDMOS功率器件與功放模塊，并各自形成了系列化的產(chǎn)品線。 恩智普公司的第八代LDMOS技術(shù)，最高工作頻率達(dá)到3.8GHz，經(jīng)過功率合成后單管最大輸出功率達(dá)到500W，

4、性能非常先進(jìn)。 自本世紀(jì)初以來，硅基射頻橫向擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體（RF LDMOS）功率晶體管的技術(shù)不斷進(jìn)步，性能不斷提高，具有增益高、線性好、輸出功率大及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其工藝與常規(guī)的CMOS工藝兼容，成本低廉。射頻LDMOS晶體管在性能上優(yōu)于硅雙極晶體管，在成本上又比鎵砷場(chǎng)效應(yīng)管低很多。因此，LDMOS已經(jīng)逐步取代硅雙極晶體管和鎵砷場(chǎng)效應(yīng)管，一躍成為移動(dòng)通信基站與L、S波段雷達(dá)中功率放大器的首選器件。 Freescale公司2010年開發(fā)的兩種典型LDMOS射頻功率器件產(chǎn)品MRFE6VP61K25H和MRF8P293000HS。其中MRFE6VP61K25H工作頻率為1.8600 MH

5、z,熱阻0.15 K/W,典型特性是頻率230 MHz,工作電壓50 V,脈寬100Ls,占空比20%條件下輸出功率達(dá)到1 250 W,增益22.9 dB,效率74.6%,能夠承受65 1的負(fù)載失配; MRF8P293000HS是為S波段脈沖應(yīng)用而開發(fā)的,在頻率2.72.9 GHz,脈寬300Ls,占空比10%,工作電壓32 V條件下輸出功率320 W,增益13.3 dB,效率50.5%,能夠承受10 1的負(fù)載失配。 NXP 2010年研制的兩種典型LDMOS射頻功率器件產(chǎn)品BLF888A和BLS7G2933S-150。其中BLF888A器件熱阻0.15 K/W,在頻率470860 MHz,工

6、作電壓50 V條件下,輸出功率600 W,增益21 dB,能夠承受40 1的負(fù)載失配;BLS7G2933S-150是為2.93.3 GHz脈沖應(yīng)用而設(shè)計(jì),器件熱阻0.16 K/W,在脈寬300Ls,占空比10%,工作電壓32 V條件下輸出功率150 W,增益13.5 dB,效率47%,能夠承受10 1的負(fù)載失配。 從上述兩家國外大公司2010年LDMOS發(fā)展情況看,目前LDMOS發(fā)展方向是高的輸出功率、高的抗失配能力以及脈沖應(yīng)用等。 當(dāng)前Freescale（飛思卡爾）半導(dǎo)體公司成為全球第一大LDMOS功率晶體管制造商,占據(jù)全球60%的市場(chǎng)份額。除了Freescale以外,世界范圍內(nèi)生產(chǎn)LDM0

7、S的主要公司還包括NXP(恩智浦半導(dǎo)體,原PhilipS半導(dǎo)體公司)、sTmicroelectronics(意法半導(dǎo)體)、Infineon(英飛凌半導(dǎo)體,原西門子集團(tuán)半導(dǎo)體部門)等。國內(nèi)RF LDMOS發(fā)展?fàn)顩r 在國內(nèi)，只有中國電子科技集團(tuán)第13研究所和第55研究所立足國防裝備需求，試制出了射頻LDMOS功率器件，并交付軍方使用。 中電13所在2003年3月采用Mo（鉬）柵工藝研制出了在1GHz下連續(xù)波輸出功率為30 W、增益為11 dB、漏極效率為60%的LDMOS器件。 中電55所在2010年完成了工作頻率為485-606 MHz，功率合成后輸出功率為350-480 W，增益大于17 dB

8、，漏極效率大于52%的LDMOS器件。 但在民用射頻LDMOS功率器件方面，國內(nèi)所需基本全部依賴進(jìn)口。 國內(nèi)開展LDMOS微波功率器件的廠家主要有南京電子器件研究所以及河北半導(dǎo)體研究所,都研制出過P波段和L波段LDMOS樣品。 在產(chǎn)品研制方面,南京電子器件研究所在2010年完成了P波段系列LDMOS的設(shè)計(jì)定型,其中CS0406-350型LD-MOS器件在工作頻率485606 MHz,工作電壓36V,脈寬20 ms,占空比35.7%的條件輸出功率350480 W,增益大于17 dB,效率大于52%,熱阻0.2 K/W。 移動(dòng)通信不斷發(fā)展，基站數(shù)量將急劇增加，對(duì)LDMOS器件需求巨大。因此，自主研

9、發(fā)高性能的民用射頻LDMOS功率器件并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅能夠填補(bǔ)國內(nèi)民用射頻通信器件國產(chǎn)化的一項(xiàng)空白，而且還可以打破國外企業(yè)在此領(lǐng)域的壟斷，具有經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略上的雙重意義。研究RF LDMOS的意義RF LDMOS的技術(shù)路線 作為射頻功率器件，主要的性能是輸出功率，增益、功率和可靠性一、輸出功率 LDMOS器件的輸出功率Pout: 式中:Gd為漏極效率;Vds為工作電壓;Vdson為導(dǎo)通電壓;Ids為工作電流。 在效率一定的前提下,提高器件的輸出功率,可以通過提高器件工作電壓、降低導(dǎo)通電壓以及提高工作電流來實(shí)現(xiàn)。器件的導(dǎo)通電壓與導(dǎo)通電阻Rdson有關(guān),降低導(dǎo)通電壓即要求降低導(dǎo)通電阻。 增大器件柵

10、寬,可以提高工作電流,從而提高器件的輸出功率。但簡單增大器件柵寬,將導(dǎo)致器件輸出阻抗過低,帶來器件使用的困難。解決這一問題的辦法是通過提高器件工作電壓來提高輸出功率,對(duì)于大功率應(yīng)用場(chǎng)合如脈沖飽和輸出功率應(yīng)用狀態(tài),這一辦法行之有效。 所以現(xiàn)在的大功率LDMOS射頻器件,特別脈沖應(yīng)用的大功率LDMOS射頻器件工作電壓已經(jīng)從基站應(yīng)用的28 V提高到3250 V。提高輸出功率的難點(diǎn) 提高器件的工作電壓,需要提高器件的擊穿電壓,這會(huì)帶來導(dǎo)通電阻的變大以及熱載流子效應(yīng)的增強(qiáng),從而不利于提升器件的性能和可靠性,因此需要對(duì)低壓線性工作模式的LDMOS器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì),以適應(yīng)高壓工作的需要。二、功率增益

11、LDMOS射頻功率器件的增益Gp Ciss為輸入電容; Crss為反饋電容;Coss為輸出電容;gm為跨導(dǎo);gm,j為漂移區(qū)等效JFET跨導(dǎo);RG為柵電阻;RL為負(fù)載電阻;X為工作頻率。 輸入輸出及反饋電容與器件三個(gè)電極間電容關(guān)系Ciss=Cgs+Cgd、Crss=Cgd、 Coss=Cds+Cgd。 要提高器件的Gp,器件設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)法降低器件的Ciss、Crss、Coss以及RG等,其中反饋電容Crss具有密勒效應(yīng),對(duì)器件射頻性能影響較大,是首先要設(shè)法控制的電容。 另外,器件工作時(shí)公共端阻抗也是影響器件射頻增益的重要因素。三、漏極效率 在工作模式一定的條件下,效率主要與漏源導(dǎo)通電阻和寄生電

12、容有關(guān),提高效率需要降低漏源導(dǎo)通電阻和寄生電容。四、可靠性 LDMOS器件的可靠性主要有短期可靠性和長期可靠性,其中短期可靠性主要涉及抗失配能力及防靜電能力,長期可靠性主要涉及散熱能力、熱載流子抑制能力以及金屬電極抗電遷移能力等。 從LDMOS射頻功率器件的特性分析,提高LD-MOS射頻器件的性能,主要從降低寄生電容、降低漏源導(dǎo)通電阻和柵阻、提高器件擊穿電壓以及工作電壓等角度來考慮;提高器件可靠性,主要從增強(qiáng)器件抗失配、防靜電、散熱、金屬電極抗電遷移以及抑制熱載流子能力等。一、提高RFLDMOS器件的性能RFLDMOS結(jié)構(gòu)的發(fā)展 射頻LDMOS功率器件結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是源通過P+sinker接地、

13、源金屬跨越柵延伸到漏端形成場(chǎng)板及柵漏法拉第電荷屏蔽板、在N+漏接觸孔和溝道之間存在低摻雜的N-漂移區(qū)以及采用多晶硅金屬硅化物柵復(fù)合結(jié)構(gòu)等。 為提高器件抑制熱載流子效應(yīng),Ayman Shibib提出了虛擬柵場(chǎng)板結(jié)構(gòu)DGFP。在柵SiO2厚度和場(chǎng)SiO2厚度之間,DGFP結(jié)構(gòu)下SiO2厚度接近柵氧化層厚度,從效果上接近柵場(chǎng)板,但它又不是真正的柵場(chǎng)板,因?yàn)閺碾娺B接的角度,它連接到源而不是柵,所以稱之為虛擬柵場(chǎng)板。 虛擬柵場(chǎng)板與源場(chǎng)板的主要差別是,虛擬柵場(chǎng)板下SiO2厚度更接近柵氧化層厚度,從而更有利于降低柵漏邊緣電場(chǎng),提高器件擊穿電壓并抑制熱載流子效應(yīng)。通過優(yōu)化虛擬柵場(chǎng)板覆蓋漂移區(qū)長度,在熱載流子應(yīng)

14、力時(shí)間100 000 s時(shí),虛擬柵場(chǎng)板覆蓋漂移區(qū)40%的器件導(dǎo)通電阻僅增加1%,而沒有虛擬柵場(chǎng)板的器件導(dǎo)通電阻僅增加8%。 為降低柵漏邊緣電場(chǎng),LDMOS射頻功率器件還可以采用多層階梯場(chǎng)板的結(jié)構(gòu) 通過多層階梯場(chǎng)板結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步均勻漂移區(qū)場(chǎng)強(qiáng)分布,降低柵漏邊緣電場(chǎng),提高器件擊穿電壓。 疊層LDD漂移區(qū)由LDD1/LDD2/LDD3三層組成,摻雜類型分別是N/P/N。LDD1濃度最高,有利于降低導(dǎo)通電阻;LDD3濃度最低,有利于降低輸出電容;LDD2用于幫助漂移區(qū)加速耗盡。這樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高的擊穿電壓、低的輸出電容和低的導(dǎo)通電阻。通過對(duì)LDD1/LDD2/LDD3摻雜優(yōu)化,漏源飽和電流可以提升6

15、7%,擊穿電壓可以提升16%,跨導(dǎo)可以提升145%,截止頻率可以提升108%。 雙層RESURF漂移區(qū)由n-top/p-top組成,p-top在有源區(qū)外圍與地連接,用于加速漂移區(qū)的耗盡,n-top用于降低導(dǎo)通電阻。（縱向結(jié)構(gòu)角度）。 實(shí)際上從漂移區(qū)橫向結(jié)構(gòu)上看,漂移區(qū)的理想摻雜方式是從柵漏交疊端到漏金屬接觸端濃度線性增加,但這在工藝上比較難以實(shí)現(xiàn),一般可以采用漂移區(qū)分段摻雜,從柵漏交疊端到漏金屬接觸端逐段提高濃度的辦法來模擬線性摻雜,從而實(shí)現(xiàn)漂移區(qū)內(nèi)橫向電場(chǎng)強(qiáng)度的均勻分布。 柵漏邊緣電場(chǎng)是影響擊穿電壓以及熱載流子效應(yīng)的重要因素。柵漏邊緣電場(chǎng)的高低除與場(chǎng)板、漂移區(qū)摻雜分布都有關(guān),同時(shí)也與柵漏交疊

16、區(qū)柵SiO2厚度有關(guān),而柵SiO2厚度受器件閾值電壓、跨導(dǎo)等影響,不可能為控制柵漏邊緣電場(chǎng)而獨(dú)立設(shè)計(jì),但可以在保證與溝道區(qū)對(duì)應(yīng)的柵SiO2厚度按正常設(shè)計(jì)的同時(shí)，將柵漏交疊區(qū)SiO2厚度進(jìn)行適當(dāng)加厚,這樣形成的階梯柵結(jié)構(gòu)可以有效降低柵漏邊緣電場(chǎng),提高器件的性能。 與圖2比較,圖6階梯柵氧化層結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是柵漏交疊區(qū)柵SiO2較溝道區(qū)對(duì)應(yīng)柵SiO2厚度偏厚,這種結(jié)構(gòu)不僅有利于降低柵漏邊緣電場(chǎng),同時(shí)也有利于降低柵漏反饋電容。 圖7是NXP(Philips)公司各代LDMOS射頻功率器件多晶硅柵長度及其對(duì)效率的影響情況。從圖7可見,多晶硅柵長度變小可以明顯提升LDMOS射頻功率器件的微波性能。二、提

17、高RFLDMOS的可靠性1、防靜電 LDMOS器件與其它MOS器件一樣是靜電敏感器件,因此必須采取防靜電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),以防止器件因靜電問題意外損壞。2、熱載流子抑制 MOS器件性能退化主要是由熱載流子效應(yīng)引起的,產(chǎn)生的根源是柵漏邊緣電場(chǎng),工作中該電場(chǎng)將載流子加速,載流子獲得能量后,可能改變?cè)羞\(yùn)動(dòng)方向進(jìn)入柵SiO2層中,從而引起器件導(dǎo)通電阻變大,靜態(tài)電流漂移,器件性能退化。 解決的措施是降低柵漏邊緣電場(chǎng),具體實(shí)現(xiàn)的方法主要有優(yōu)化場(chǎng)板結(jié)構(gòu)(圖2)、優(yōu)化漂移區(qū)結(jié)構(gòu)(圖3)以及優(yōu)化柵氧化層結(jié)構(gòu)(圖4)等。3、散熱問題 器件工作時(shí)結(jié)溫是影響器件壽命的重要參數(shù)。對(duì)硅微波功率器件而言,金屬電遷移是主要的失效機(jī)

18、理之一,這種失效是指因流過器件的電流及器件溫升引起有源結(jié)附近金屬離子的物理遷移。 散熱能力設(shè)計(jì)主要涉及芯片布局優(yōu)化、芯片厚度控制、芯片焊接控制以及使用高熱導(dǎo)率封裝底座法蘭材料等。4、抗失配 射頻功率器件在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載失配問題,失配嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件燒毀,為避免因失配造成的功率器件損壞,就要提高器件的抗失配能力。 器件耗散功率瞬間增加、器件電壓擺幅超過擊穿電壓、寄生BJT導(dǎo)通、自激問題都可能導(dǎo)致射頻功率器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載失配的問題（1）器件耗散功率瞬間增加 研究表明在3 1失配時(shí)有25%的功率反射回器件,在5 1失配時(shí)有44%的功率反射回器件,因此在失配的瞬間,器件耗散功率聚然增大,特別對(duì)大功率器件由于其輸出功率大,這部分瞬間增加的功耗也很大,器件要有能力耗散這部分功率,這就要設(shè)法提高器件的散熱能力（圖3）。（2）器件電壓擺幅超過擊穿電壓 一般工業(yè)認(rèn)為,器件在失配時(shí),電壓擺幅可以達(dá)到電源電壓的2.5倍,因此器件的擊穿電壓要有足夠的余量。（3）寄生BJT導(dǎo)通 DMOS射頻功率器件的源區(qū)、溝道區(qū)以及漂移區(qū)構(gòu)成寄生雙極晶體管,器件失配時(shí)若電壓擺幅超過擊穿電壓,器件會(huì)進(jìn)入擊穿狀態(tài),擊穿引起的雪崩電流流經(jīng)源區(qū)下面的P型區(qū)時(shí),