RFLDMOS的发展状况和技术路线

RFLDMOS的发展状况和技术路线RFLDMOS的发展状况•1969，Y.Tarui等提出了LDMOS•1972，Sigg最先开发出应用于射频领域的LDMOS•1976，Declerq和Plummer采用了横向双扩散和轻掺杂的方法做出高压大电流的LDMOS•1980，T.Okabe等人研制出了可以在1.1GHz下连续波输出功率为22W、增益为8.5dB、漏极效率为51%LDMOS，这显示出LDMOS器件可以用在射频、微波功率领域•上世纪80年代初，美国雷达开始应用了RFLDMOS器件•上世纪90年代，RFLDMOS器件逐步进入商业领域•1992，IsaoYoshida等人研制出了高效率的靠电池供电移动通信用的低压Mo栅LDMOS，其沟道长度为0.18m，在1.5GHz下输出功率为2W，增益为8dB，漏极效达65%，功率附加效率为55%。•1994，这个团队又研制出了在1.5GHz下连续波输出为35W，增益为13dB，漏极效率为50%的射频LDMOS功率器件。•1996年，Motorola的AlanWood等人研制出了在2GHz下连续波输出功率为60W，增益为11dB，漏极效率为44%的高性能射频LDMOS功率器件。•1999年初，Ericsson推出了系列化的高性能射频LDMOS产品，工作频率为1.4-1.7GHz，连续波输出功率为30-135W的PTE系列和工作频率为2.1-2.2GHz，连续波输出功率为6-100W的PTF系列。•1999年初，来自荷兰的飞利浦（Philips）也推出了在1.03GHz-l.09GHz内输出的功率为200W，增益为14dB，效率大于40%的LDMOS产品，并大量用于WCDMA移动通信基站的功率放大器中。•进入21世纪后，飞思卡尔公司（原Motorola半导体）、恩智普公司（原Philips半导体）与英飞凌公司在多年的技术积累下，不断推出性能强大的射频LDMOS功率器件与功放模块，并各自形成了系列化的产品线。•恩智普公司的第八代LDMOS技术，最高工作频率达到3.8GHz，经过功率合成后单管最大输出功率达到500W，性能非常先进。•自本世纪初以来，硅基射频横向扩散金属-氧化物-半导体（RFLDMOS）功率晶体管的技术不断进步，性能不断提高，具有增益高、线性好、输出功率大及可靠性高等优点，其工艺与常规的CMOS工艺兼容，成本低廉。射频LDMOS晶体管在性能上优于硅双极晶体管，在成本上又比镓砷场效应管低很多。因此，LDMOS已经逐步取代硅双极晶体管和镓砷场效应管，一跃成为移动通信基站与L、S波段雷达中功率放大器的首选器件。•Freescale公司2010年开发的两种典型LDMOS射频功率器件产品MRFE6VP61K25H和MRF8P293000HS。其中MRFE6VP61K25H工作频率为1.8～600MHz,热阻0.15K/W,典型特性是频率230MHz,工作电压50V,脉宽100Ls,占空比20%条件下输出功率达到1250W,增益22.9dB,效率74.6%,能够承受65∶1的负载失配;•MRF8P293000HS是为S波段脉冲应用而开发的,在频率2.7～2.9GHz,脉宽300Ls,占空比10%,工作电压32V条件下输出功率320W,增益13.3dB,效率50.5%,能够承受10∶1的负载失配。•NXP2010年研制的两种典型LDMOS射频功率器件产品BLF888A和BLS7G2933S-150。其中BLF888A器件热阻0.15K/W,在频率470～860MHz,工作电压50V条件下,输出功率600W,增益21dB,能够承受40∶1的负载失配;BLS7G2933S-150是为2.9～3.3GHz脉冲应用而设计,器件热阻0.16K/W,在脉宽300Ls,占空比10%,工作电压32V条件下输出功率150W,增益13.5dB,效率47%,能够承受10∶1的负载失配。•从上述两家国外大公司2010年LDMOS发展情况看,目前LDMOS发展方向是高的输出功率、高的抗失配能力以及脉冲应用等。•当前Freescale（飞思卡尔）半导体公司成为全球第一大LDMOS功率晶体管制造商,占据全球60%的市场份额。除了Freescale以外,世界范围内生产LDM0S的主要公司还包括NXP(恩智浦半导体,原PhilipS半导体公司)、sTmicroelectronics(意法半导体)、Infineon(英飞凌半导体,原西门子集团半导体部门)等。国内RFLDMOS发展状况•在国内，只有中国电子科技集团第13研究所和第55研究所立足国防装备需求，试制出了射频LDMOS功率器件，并交付军方使用。•中电13所在2003年3月采用Mo（钼）栅工艺研制出了在1GHz下连续波输出功率为30W、增益为11dB、漏极效率为60%的LDMOS器件。•中电55所在2010年完成了工作频率为485-606MHz，功率合成后输出功率为350-480W，增益大于17dB，漏极效率大于52%的LDMOS器件。•但在民用射频LDMOS功率器件方面，国内所需基本全部依赖进口。•国内开展LDMOS微波功率器件的厂家主要有南京电子器件研究所以及河北半导体研究所,都研制出过P波段和L波段LDMOS样品。•在产品研制方面,南京电子器件研究所在2010年完成了P波段系列LDMOS的设计定型,其中CS0406-350型LD-MOS器件在工作频率485～606MHz,工作电压36V,脉宽20ms,占空比35.7%的条件输出功率350～480W,增益大于17dB,效率大于52%,热阻0.2K/W。•移动通信不断发展，基站数量将急剧增加，对LDMOS器件需求巨大。因此，自主研发高性能的民用射频LDMOS功率器件并逐步实现产业化，不仅能够填补国内民用射频通信器件国产化的一项空白，而且还可以打破国外企业在此领域的垄断，具有经济和战略上的双重意义。研究RFLDMOS的意义RFLDMOS的技术路线•作为射频功率器件，主要的性能是输出功率，增益、功率和可靠性一、输出功率•LDMOS器件的输出功率Pout:•式中:Gd为漏极效率;Vds为工作电压;Vdson为导通电压;Ids为工作电流。•在效率一定的前提下,提高器件的输出功率,可以通过提高器件工作电压、降低导通电压以及提高工作电流来实现。器件的导通电压与导通电阻Rdson有关,降低导通电压即要求降低导通电阻。•增大器件栅宽,可以提高工作电流,从而提高器件的输出功率。但简单增大器件栅宽,将导致器件输出阻抗过低,带来器件使用的困难。解决这一问题的办法是通过提高器件工作电压来提高输出功率,对于大功率应用场合如脉冲饱和输出功率应用状态,这一办法行之有效。•所以现在的大功率LDMOS射频器件,特别脉冲应用的大功率LDMOS射频器件工作电压已经从基站应用的28V提高到32～50V。提高输出功率的难点•提高器件的工作电压,需要提高器件的击穿电压,这会带来导通电阻的变大以及热载流子效应的增强,从而不利于提升器件的性能和可靠性,因此需要对低压线性工作模式的LDMOS器件结构进行重新优化设计,以适应高压工作的需要。二、功率增益LDMOS射频功率器件的增益Gp•Ciss为输入电容;Crss为反馈电容;Coss为输出电容;gm为跨导;gm,j为漂移区等效JFET跨导;RG为栅电阻;RL为负载电阻;X为工作频率。•输入输出及反馈电容与器件三个电极间电容关系Ciss=Cgs+Cgd、Crss=Cgd、Coss=Cds+Cgd。•要提高器件的Gp,器件设计时必须设法降低器件的Ciss、Crss、Coss以及RG等,其中反馈电容Crss具有密勒效应,对器件射频性能影响较大,是首先要设法控制的电容。•另外,器件工作时公共端阻抗也是影响器件射频增益的重要因素。三、漏极效率在工作模式一定的条件下,效率主要与漏源导通电阻和寄生电容有关,提高效率需要降低漏源导通电阻和寄生电容。四、可靠性LDMOS器件的可靠性主要有短期可靠性和长期可靠性,其中短期可靠性主要涉及抗失配能力及防静电能力,长期可靠性主要涉及散热能力、热载流子抑制能力以及金属电极抗电迁移能力等。从LDMOS射频功率器件的特性分析,提高LD-MOS射频器件的性能,主要从降低寄生电容、降低漏源导通电阻和栅阻、提高器件击穿电压以及工作电压等角度来考虑;提高器件可靠性,主要从增强器件抗失配、防静电、散热、金属电极抗电迁移以及抑制热载流子能力等。一、提高RFLDMOS器件的性能——RFLDMOS结构的发展射频LDMOS功率器件结构主要特点是源通过P+sinker接地、源金属跨越栅延伸到漏端形成场板及栅漏法拉第电荷屏蔽板、在N++漏接触孔和沟道之间存在低掺杂的N-漂移区以及采用多晶硅金属硅化物栅复合结构等。为提高器件抑制热载流子效应,AymanShibib提出了虚拟栅场板结构DGFP。在栅SiO2厚度和场SiO2厚度之间,DGFP结构下SiO2厚度接近栅氧化层厚度,从效果上接近栅场板,但它又不是真正的栅场板,因为从电连接的角度,它连接到源而不是栅,所以称之为虚拟栅场板。•虚拟栅场板与源场板的主要差别是,虚拟栅场板下SiO2厚度更接近栅氧化层厚度,从而更有利于降低栅漏边缘电场,提高器件击穿电压并抑制热载流子效应。通过优化虚拟栅场板覆盖漂移区长度,在热载流子应力时间100000s时,虚拟栅场板覆盖漂移区40%的器件导通电阻仅增加1%,而没有虚拟栅场板的器件导通电阻仅增加8%。•为降低栅漏边缘电场,LDMOS射频功率器件还可以采用多层阶梯场板的结构•通过多层阶梯场板结构可以进一步均匀漂移区场强分布,降低栅漏边缘电场,提高器件击穿电压。•叠层LDD漂移区由LDD1/LDD2/LDD3三层组成,掺杂类型分别是N/P/N。LDD1浓度最高,有利于降低导通电阻;LDD3浓度最低,有利于降低输出电容;LDD2用于帮助漂移区加速耗尽。这样的结构能够实现高的击穿电压、低的输出电容和低的导通电阻。通过对LDD1/LDD2/LDD3掺杂优化,漏源饱和电流可以提升67%,击穿电压可以提升16%,跨导可以提升145%,截止频率可以提升108%。•双层RESURF漂移区由n-top/p-top组成,p-top在有源区外围与地连接,用于加速漂移区的耗尽,n-top用于降低导通电阻。（纵向结构角度）。•实际上从漂移区横向结构上看,漂移区的理想掺杂方式是从栅漏交叠端到漏金属接触端浓度线性增加,但这在工艺上比较难以实现,一般可以采用漂移区分段掺杂,从栅漏交叠端到漏金属接触端逐段提高浓度的办法来模拟线性掺杂,从而实现漂移区内横向电场强度的均匀分布。•栅漏边缘电场是影响击穿电压以及热载流子效应的重要因素。栅漏边缘电场的高低除与场板、漂移区掺杂分布都有关,同时也与栅漏交叠区栅SiO2厚度有关,而栅SiO2厚度受器件阈值电压、跨导等影响,不可能为控制栅漏边缘电场而独立设计,但可以在保证与沟道区对应的栅SiO2厚度按正常设计的同时，将栅漏交叠区SiO2厚度进行适当加厚,这样形成的阶梯栅结构可以有效降低栅漏边缘电场,提高器件的性能。•与图2比较,图6阶梯栅氧化层结构的显著特点是栅漏交叠区栅SiO2较沟道区对应栅SiO2厚度偏厚,这种结构不仅有利于降低栅漏边缘电场,同时也有利于降低栅漏反馈电容。•图7是NXP(Philips)公司各代LDMOS射频功率器件多晶硅栅长度及其对效率的影响情况。从图7可见,多晶硅栅长度变小可以明显提升LDMOS射频功率器件的微波性能。二、提高RFLDMOS的可靠性1、防静电•LDMOS器件与其它MOS器件一样是静电敏感器件,因此必须采取防静电网络设计,以防止器件因静电问题意外损坏。2、热载流子抑制•MOS器件性能退化主要是由热载流子效应引起的,产生的根源是栅漏边缘电场,工作中该电场将载流子加速,载流子获得能量后,可能改变原有运动方向进入栅SiO2层中,从而引起器件导通电阻变大,静态电流漂移,器件性能退化。•解决的措施是降低栅漏边缘电场,具体实现的方法主要有优化场板结构(图2)、优化漂移区结构(图3)以及优化栅氧化层结构(图4)