（微电子学与固体电子学专业论文）双极高频、微波功率器件的研究.pdf

摘要 双极高频、微波功率器件已大量应用于军用、民用电子设备中，其典 型应用主要在通信、雷达( 含导航) 和电子对抗等领域。大功率全固态电 子设备的体积、重量、性能、价格和可靠性很大程度上都取决于双极功率 器件及其放大器的性能，因此提高该类器件的性能具有很大的应用价值和 现实意义。) 本文在分析双极高频、微波功率器件的工作特点的基础上，提 出了有利手提高器件性能的新结构和新材料，详细分析了其特点和功能， 完成了相关的实验工作，取得了重要的理论数据和实验数据。主要工作包 括以下几个方面： 针对频率与功率、功耗的矛盾，提出了绝缘深阱结终端结构和梳状集 电结( 基区) 结构。【利用二维数值模拟软件分析了影响三类典型应用的双 极功率器件( 对应的理想击穿电压b 。分别为：4 0 v ，7 0 v ，1 0 0 v ) 击穿 电压的诸多因素( 主要包括阱宽度、阱深度、阱内填充介质、界面固定电 荷、阱区顶端场板) 。结果表明：具有一定宽度、深度且填充绝缘介质的深 阱结终端结构，阻止了结的横向扩展，并能将器件的雪崩击穿电压提高到 理想值的9 5 以上。研制出的具有深阱结终端结构的d c t 2 6 0 功率管，其 击穿电压引。、引名。达到6 6 v 和3 2 v ，分别为理想值的9 4 和9 2 ，比 采用传统终端结构的3 d a 2 6 0 增大了9 v 和6 v 。而计算分析和二维数值模 拟分析结果表明：梳状集电结( 基区) 结构在不增加器件本征集电结面积 的条件下，增大了器件的本征散热面积和基区周长，改进了每个子器件单 元内的散热方式，提高了单元内结温和电流分布的均匀性，降低了器件的 热阻，增大了器件的耗散功率和输出功率，较好地缓解了目前传统结构中 频率与功率、功耗的矛盾，并有利于改善器件抗二次击穿的性能。研制出 的梳状集电结( 基区) 结构试验管d c t 3 7 5 ，其最大电流容量、最大输出 功率、最大耗散功率以及频率特性等电参数明显比传统结构器件和国外同 类产品有大的提高。绝缘深阱结终端技术和梳状集电结( 基区) 结构技术 为新型高频、微波大功率晶体管的研制开辟了新的途径。” 为提高双极功率器件的可靠性，提出了非均匀双向镇流技术和v 系热 敏电阻过温保护技术。c 理论分析表明：上述两种技术，有利于减小电流集 中现象，降低器件峰值结温，避免热击穿和二次击穿的发生。实验结果表 明：具有非均匀双向镇流电阻结构的双极功率器件，其芯片中心峰值结温 电子科技大学博士论文 可降低7 j 0 ，管壳表面的温度也可降低3 7 ，器件的散热特性明 显提高。本论文创造性地采用半导体c v d 工艺在硅单晶衬底以及s i o ：衬 底上生长出最小厚度为6 0 0 h m 的v 系热敏电阻薄膜。实验证明：在9 0 c 温度范围内，该薄膜的电阻值近似于无穷大；当温度高达1 0 0 以上时， 其电阻值急剧下降；到1 5 0 c 时，薄膜电阻的升阻比r r 高达7 0 0 多倍。 并联在双极功率管e b 之间的薄膜电阻可起到良好的分流和过温保护作 用，从而较好地运免了温度电流正反馈现象的发生，器件的可靠性进步 、， 提高。) 7 为减小s i o ，钝化层带来的负面效应，本文在充分分析s i p o s 膜( 半绝 缘多晶硅) 特性的基础上，针对双极功率器件提出两种s i p o s 结构n f 一是 在本征区采用热生长s i o ：- s i p o s ( 氧浓度为1 5 a t m 2 5 a t m ) 一s i p o s ( 氧 浓度为2 5 a t m - 4 0 a t m ) 多层钝化结构；二是在非本征区采用“宽阱”式 s 1 p o s 结构。实验结果表明：第一种结构有利于屏蔽外电场对器件本征区 的影响，减小表面漏电，提高小电流下电流放大系数 。，具有低电阻率的 下层s i p o s 膜( 氧浓度小于等于2 5 a t ) 还具有电阻场板的作用；第二种 结构不仅可屏蔽外电场对器件非本征区的影响，更为重要的是几乎完全消 除了基极、发射极的延伸电极引起的寄生m o s 电容，这对提高器件的频率 特性和功率增益非常有利。y ， 为进一步减小寄生参数的影响，综合提高双极功率器件的输出功率、 增益、效率以及宽带性能，本文对适用于双极高频、微波功率管的内匹配 网络结构进行了研究，分析了输入、输出内匹配网络结构的设计方法，并 完成了双极功率管d c t 2 6 5 的内匹配试验。结果表明：采用内匹配网络有 利于使功率器件实现最大输出功率、最大功率增益、最大效率，并有利于 展宽带宽。r o， ( 关键词：双极功率器件：绝缘深阱结终端；梳状集电结q 刻结构： 非均匀双向镇流电阻；热敏电阻：半绝缘多晶硅膜镉卯州内匹配网络： 功率增益；频率 增纠! r ，7 1 1 a b s t r a e t h i g h f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e sh a v eb e e nl a r g e l y a p p l i e di nm i l i t a r ya n dc i v i l e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，m a i n l yi nc o m m u n i c a t i o n ， r a d a r ( i n c l u d i n gn a v i g a t i o n ) a n d e l e c t r o n c o n f r o n t a t i o nf i e l d s i n c et h e p a r a m e t e ro ff u l l - s o l i de l e c t r o n i ce q u i p m e n ts u c ha sv o l u m e ，w e i g h t ，p r o p e r t y , p r i c e a n dr e l i a b i l i t ye t c m o s t l yd e p e n d so nh i g h - f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v e b i p o l a rp o w e r t r a n s i s t o r sa n dt h e i ra m p l i f i e r s ，s oi th a sg r e a tv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et od e v i c e st h e i rp r o p e r t y o nt h eb a s i so fo p e r a t i n g - c h a r a c t e r i s t i co f h i g h - f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sn e w s t r u c t u r e sa n dn e wm a t e r i a l sw h i c hh e l p st oi m p r o v ed e v i c e s p r o p e r t y , d e t a i l y a n a l y z e s t h e i r d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r ea n d f u n c t i o n ，c o m p l e t e sc o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t s ，a n do b t a i n si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ld a t a t h em a i n w o r k sa r ea st h ef o l l o w s i nv i e wo ft h ec o n t r a d i c t i o n a m o n gf r e q u e n c y ，o u t p u tp o w e r a n d d i s s i p a t i o np o w e r ，p r o p o s ed e e p - t r e n c hj u n c t i o nt e r m i n a t i o n s t r u c t u r e f i l l i n g w i t hi s o l a t e dm a t e r i a l sa n dc o l l e c t o r - c o m b e df b a s e c o m b e d ) s t r u c t u r e u s i n g t w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e a n a l y z et h ea f f e c to fi s o l a t e d t r e n c h s p a r a m e t e r s o nt h eb r e a k d o w nv o l t a g e so ft h r e e c l a s s b i p o l a rp o w e r d e v i c e s ( w h o s ei d e a l b r e a k d o w nv o l t a g e sc o r r e s p o n dt o4 0v ，7 0 va n d1o o v ) ， w h i c hi n c l u d e w i d t h ，d e p t h ，i s o l a t e d m a t e r i a l sd i e l e c t r i c c o n s t a n t ，f i x e d i n t e r f a c e - c h a r g ea n df i e l dp l a t el o c a t e da t t h et o po fd e e p t r e n c ht e r m i n a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i e a t e ，d e e p - t r e n e hi u n c t i o nt e r m i n a t i o nw i t hc e r t a i n w i d t h ，d e p t ha n df i l l i n g w i t hi s o l a t e dd i e l e c t r i cc a ni n c r e a s et h ea v a l a n c h e b r e a k d o w n v o l t a g eo fd e v i c e st oa b o v e9 5 o f t h ei d e a lv a l u e t h e8 y c 8 0a n d b v c e 。o fd c t 2 6 0t h a th a sd e e p t r e n c ht e r m i n a t i o ns t r u c t u r ea r er e s p e c t i v e l y 6 6 va n d3 2 v ，w h i c ha r es e p a r a t e l y9 4 a n d9 2 o fi d e a lv a l u e s ，a d dt o9 va n d 6 vt h a n3 d a 2 6 0w i t ht r a d i t i o n a lt e r m i n a t i o ns t r u c t u r e a n dt h er e s u l t so f c a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e ，w i t h o u ti n c r e a s i n gt h ei n t r i n s i c c o l l e c t o r o u n c t i o na r e ao fp o w e rd e v i c e s ，c o l l e c t o r c o m b e ds t r u c t u r eh e l p st o r a i s et h ei n t r i n s i c h e a t d i s s i p a t i n g a r e aa n db a s e s p e r i m e t e r , i m p r o v eh e a t d i s s i p a t i n gm e t h o do f e a c hc e l lo ft h ec h i p ，e n h a n c et h ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y o f j u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n to f e a c he e l lo f t h ec h i p ，r e d u c et h et h e r m a l 儿i r e s i s t a n c ea n dr a i s et h ed i s s i p a t i o np o w e rp da n do u t p u tp o w e rp d ，f a i r l yw e l l r e l a xt h ec o n t r a d i c t i o na m o n gf r e q u e n c y ，o u t p u tp o w e ra n dd i s s i p a t i o np o w e r o ft h ed e v i c e s ，a n df u r t h e ri m p r o v e t h e d e v i c e s p r o p e r t ya g a i n s t s e c o n d b r e a k d o w n ，e x p e r i m e n t a ls a m p l ed c t 3 7 5w i t hc o l l e c t o r c o m b e ds t r u c t u r eh a s b e t t e rp a r a m e t e rs u c ha si c mp o ，p da n d 凡e t c t h a nt r a d i t i o n a l s t r u c t u r ed e v i c e s a n do v e r s e a sd e v i c e so ft h es a m ek i n d c o l l e c t o r - c o m b e ds t r u c t u r et e c h n o l o g y o p e n su pan e ww a y f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fn e w h i g h f r e q u e n c y , m i c r o w a v e p o w e r d e v i c e s i no r d e rt oi m p r o v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e s r e l i a b i l i t y , p r o p o s en o t u n i f o r m t w o d i r e c t i o n b a l l a s t i n gt e c h n o l o g y a n d o v e r l o a d - t e m p e r a t u r ed e f e n d i n g t e c h n o l o g yw i t hv c l a s st h e r m i s t o rf i l m t h e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e s ，t h et w o t e c h n o l o g yh e l p sr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no fc u r r e n t ，l o w e rt h ep e a kj u n c t i o n t e m p e r a t u r e ，a n de f f e c t i v e l ya v o i d t h ea p p e a r a n c eo fd e v i c e s b r e a k d o w nc a u s e d b yh e a ta n dc u r r e l l t e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w , w i t ht h en o t u n i f o r m t w o - d i r e c t i o nb a l l a s t i n gt e c h n o l o g y , t h ep e a kj u n c t i o n t e m p e r a t u r ea tt h ec e n t e ro f t h ec h i pc a nb el e s s e n e d7 1 0 s u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h ec a s ec a na l s o r e d u c e3 一7 a n dt h eh e a t d i s s i p a t i n gp r o p e r t yo ft h ep o w e rd e v i c e sh a s d i s t i n c t i m p r o v e m e n t v c l a s s t h e r m i s t o rf i l mi s s u c c e s s f u l l yp r o d u c e d o n s i l i c o ns u b s t r a t ea n ds i 0 2s u b s t r a t ea p p l y i n gc v d p r o c e s sf o rt h ef i r s tt i m ei n t h i sp a p e r , w h o s em i n i m u mt h i c k n e s si so n l y6 0 0 n mo rs o e x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v e ，t h i s f i l mh a sa ni n f i n i t er e s i s t a n c ew i t h i n 9 0 t e m p e r a t u r e b u t i t s r e s i s t a n c ew i l ls u d d e n l yd r o po n c et h et e m p e r a t u r ei so v e r1 0 0 a n da t1 5 0 t e m p e r a t u r e ，i t sr m r m i so v e r7 0 0t i m e s t h ef i l mr e s i s t a n c e p a r a l l e l c o n n e c t e db e t w e e nt h ee m i t t e ra n dt h eb a s eo fp o w e rd e v i c e sc a l l p l a y a i m p o r t a n tr o l e i nc u r r e n t s h u n t i n ga n do v e r l o a d t e m p e r a t u r ed e f e n d i n g ，s ot h e d e v i c e sj u n c t i o n - t e m p e r a t u r ec a nb ew e l lc o n t r o l l e d ，p o s i t i v ef e e d b a c kb e t w e e n t e m p e r a t u r e a n dc u r r e n tc a na l s ob ei n h i b i t e d ，a n dt h e r e l i a b i l i t y o fp o w e r d e v i c e sc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d i no r d e rt or e d u c et h eu n f a v o r a b l ep a s s i v a t i o ne f f e c to fs i o ，t h i sp a p e r p r o p o s e st w os i p o ss t r u c t u r e si n v i e wo f b i p o l a rp o w e rd e v i c e sb a s e do n a d e q u a t e l ya n a l y z i n gt h ep r o p e r t yo fs i p o s ( s e m i i n s u l a t e dp o l y s i l i c o n ) f i r s t ， a d o p tm u l t i - l a y e rp a s s i v a t i o n s t r u c t u r ew h i c hi n c l u d e s s i o ，。s i p o s ( w h o s e o x y g e na t o mp e r c e n ti sa m o n g15 a t t o2 5 a t ) s i p o s ( w h o s eo x y g e na t o m p e r c e n ti sa m o n g2 5 a t t o4 0 a t ) i nt h ei n t r i n s i ca r e a ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h i ss t r u c t u r eh e l p ss h i e l dt h ei n f l u e n c ef r o me x t e r n a l e l e e t r i c a l f i e l d ，r a i s et h eh f eo fs m a l lc u r r e n t ，a n dt h eu n d e rs i p o sl a y e rw h o s eo x y g e n a t o mp e r c e n ti s a m o n g15 a t t o 2 5 a t c a na c t a s 。r e s i s t o r f i e l d - p l a t e t o o s e c o n d ，e m p l o y w i d et r e n c h s i p o ss t r u c t u r ea t t h ee x t r i n s i ca r e aw h i c hc a n e f f e c t i v e l y s h i e l d t h ei n f l u e n c ef r o me x t e r n a le l e c t r i c a l f i e l d ，a n d m o s t i m p o r t a n t l y ，i t a l m o s tc o m p l e t e l ye l i m i n a t e st h e p a r a s i t i c m o sc a p a c i t a n c e c a u s e db ye x t e n d e de l e c t r o d eo ft h eb a s ea n dt h ee m i t t e r ，s ot h ep o w e rg a i na n d f r e q u e n c yo fb i p o l a rp o w e r d e v i c e sc a l lb ei n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y i no r d e rt of u r t h e r1 0 w e rt h ei n f l u e n c eo fp a r a s i t i cp a r a m e t e ra n di m p r o v e t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo fb i p o l a rp o w e rd e v i c e ss u c ha s p o w e lg a i n ， e f f i c i e n c y , a n dw i d e b a n de t c ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e r n a lm a t c h i n gn e t w o r k s u i t a b l ef o rh i g hf r e q u e n c ya n dm i c r o w a v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e s ，a n a l y s e st h e d e s i g nm e t h o d o fi n p u te n da n d o u t p u te n dm a t c h i n gn e t w o r k ，a n dc o m p l e t e st h e m a t c h i n gn e t w o r ke x p e r i m e n t o fd c t 2 6 5p o w e rd e v i c e s t h er e s u l t s s h o w , i n t e r n a lm a t c h i n gn e t w o r kh e l p sp o w e rd e v i c e sa c h i e v em a x i m u m o u t p u tp o w e r ， m a x i m u m p o w e rg a i na n dm a x i m u me f f i c i e n c ya n do p e nu pb a n d w i d t h k e y w o r d s ：b i p o l a rp o w e rd e v i c e s ；i s o l a t e dd e e p - t r e n c hj u n c t i o n t e r m i n a t i o n ；b a s e - c o m b e ds t r u c t u r e ；n o t - u n i f o r m t w o - d i r e c t i o n b a l l a s t i n g r e s i s t a n c e ；t h e r m i s t o r ；s e m i - i s o l a t e dp o l y s i l i c o n ( s l p o s ) ；i n t e r n a lm a t c h i n g n e t w o r k ；p o w e rg a i n ；f r e q u e n c y ；r e l i a b i l i t y v 第一章绪论 高频、微波大功率晶体管是非常重要的半导体器件，在军用、民用电 子设备中有着广泛的应用，其典型应用主要在通信、雷达( 含导航) 和电 子对抗等领域， 1 6 8 。大功率全固态电子设备的体积、重量、性能、价格和 可靠性很大程度上都取决于该类器件及其放大器的性能，因此一个国家功 率管的发展水平在某种意义上决定了有关各类整机的发展水平。高频、微 波大功率晶体管研制和生产的难度是全球公认的，它是一个投资大、周期 长的基础器件工业，这也正是世界各国都将其列为国家关键技术的原因。 1 1 高频、微波功率晶体管的进展 虽然第一只锗功率管早在1 9 5 4 年就已问世，硅功率晶体管也在5 6 年 出现，但是都局限于较小功率容量( 小于2 0 w ) 和低频( 工作频率为几十 千赫) 范围 2 1 。在硅平面工艺兴起以前，由于高频、大电流和高耐压功率 晶体管制作的困难，导致了在电子设备中高频和甚高频波段使用的功率管 几乎全是电子管。2 0 世纪6 0 年代硅平面工艺的兴起，开辟了高频、微波 大功率晶体管的广阔前景。从1 9 6 4 年第一只双极微波功率晶体管诞生开 始，高频、微波功率晶体管的发展已有3 7 年的历史。由于理论研究的深入， 制作半导体器件用的各种超纯材料质量的提高以及制作工艺的不断革新， 大功率晶体管的功率容量、耐压、大电流特性、频率特性以及可靠性都有 了极为显著的提高，不仅出现了千瓦级的超高功率容量的功率晶体管，而 且已成功地制作出电流容量为2 5 0 3 0 0 a 的大电流晶体管和千伏甚至万伏 级的超高压晶体管 2 1 。在高频、微波晶体管的制作方面更有了质的飞跃， 国际上现已有的研制水平为：对于硅双极高频、微波大功率晶体管，在 8 6 0 m h z 下可输出1 5 0 w 的线性功率，在1 5 g h z 下可输出5 0 w 的线性功 率，在3 g h z 下可输出1 1 0 w 脉冲功率的；对于g a a s 微波功率场效应晶 体管( f e t ) ，在6 g h z 下可输出2 5 w ，在1 5g h z 下可输出8 w ，在3 0 g h z 下可输出2 w l ”】。2 0 世纪8 0 年代，可在原子尺度上控制外延生长的分子 束外延( m b e ) 和金属有机化合物汽相淀积( m o c v d ) 两种技术的成熟， 使得半导体工程产生了划时代的变化，由掺杂工程向能带工程发展，异质 结场效应管( h f e t ) 和异质结双极晶体管( h b t ) 开始发展，并按照各自 结构的特点形成竞争的格局”“1 1 2 4 - 2 s 。其中，h b t 在微波、毫米波功率晶体 管的领域中表现出较好的性能，i i f e t 则在毫米波低噪声和毫米波功率方 电子科技大学博士论文 面表现出优势。 除了上述异质结功率晶体管外，其它还有多种微波功率晶体管正在研 制和发展中，如金刚石微波功率晶体管、s i c 晶体管以及真空微电子器件。 s i c 材料和金刚石半导体材料均具有禁带宽、击穿电场强度高、热导率高、 介电常数低及载流子饱和漂移速度高等远优于s i 、g a a s 等常规半导体材料 的特性，这些优异的特性在研制高温、高频、大功率、抗辐射器件等方面 具有潜在的应片前景 t 2 - 2 1 】。t r e w 等人采用计算机模拟对金刚石、s i c 、g a a s m e s f e t 三种器件的分析表明：金刚石m e s f e t 的最高功率密度为 6 w r a m ，s i cm e s f e t 为5 w m m ，而g a a sm e s f e t 为l w m m ，金刚石 m e s f e t 的线性功率增益比g a a sm e s f e t 高2 - 3 d b ；并预计金刚石 m e s f e t 在1 0 g h z 时连续输出功率可达2 0 0 w ，在1 0 0 g h z 时连续输出功 率为1 w ，s i cm e s f e t 在0 g h z 输出功率为1 0 0 w ，在1 0 0g h z 输出功率 为3 0 0 r o w ；在高温工作方面，预计金刚石二极管最高工作温度可达到9 0 0 ，其f e t 可达到6 0 0 ，s i c 二极管的最高工作温度可达到7 5 0 ，其f e t 可达7 0 0 2 ”。而利用“尖端放电效应”冷发射的真空微电子器件既兼顾 了半导体器件体积小、功耗低等优点，又发挥了真空器件的长处( 即电子 在真空中极限速度比在s i 中快l o o 倍，比在g a a s 、i n p 中快2 0 倍) ，具有 抗辐射能力强、可在高电场、高温、低温下工作等特点1 。 新材料、新结构和新工艺的不断出现，使得具有高频、高温、高功率 的“三高”器件将成为理想的微波功率晶体管。但目前由于材料制备、制 作工艺、成本等多种因素的限制，s i c 、金刚石以及真空微电子功率器件仍 处于研制阶段，尚未见大量实用的报道。因此，在微波、毫米波新型功率 器件的各类新品种中，当前最有竞争力的仍是化合物功率器件h b t 和 h f e t 。而就目前实用的高频、微波功率晶体管而言，硅双极功率晶体管仍 然是单管输出功率最大的功率管，它开创了微波功率晶体管的发展历史， 并奠定了微波功率晶体管设计的基本理论和技术途径。由于s i 双极功率管 工艺较成熟，价格合适，因此目前仍是国际上固态高频、微波晶体管的主 流产品。 国外由于采用新工艺手段，硅双极功率晶体管的频率和功率得以较大 的提高，可靠性大大改善，目前在3 0m h z 一3 0 0 0 m h z 范围内，已有数百种 不同规格的产品，分别适用于脉冲、连续波、线性、振荡等不同的应用场 合。因其器件结构和工艺技术较成熟，国外已从研究性阶段转入了产品化 阶段。我国硅双极功率晶体管的发展尽管起步早，但由于功率管的技术难 度大，发展相对缓慢，与国外的差距仍然很大，产品无论在输出功率、增 益、稳定性以及可靠性等各方面均难与国外的相比。若能借鉴国外同类产 品的结构特点，充分利用现有的微电子工艺技术，进一步优化器件结构， 采用新材料与新工艺技术，对解决目前国内s i 双极功率晶体管依然存在的 频率与功率、功耗的矛盾，提高其稳定性和可靠性，并最终形成系列化和 规模化的产品有着现实意义。 1 2 硅双极功率晶体管存在的主要问题 硅双极微波功率晶体管区别于微波小信号晶体管的最大工作特点为： 首先，在大的耗散功率或输出功率条件下工作，具有承受较高电流的能力， 且在增加发射极周长以提高这种能力时不恶化频率响应，这也是设计高频、 微波大功率管的基本前提；其次，由于其具有功率密度高和器件面积大的 特点，且运用在大的输入和输出信号下，可靠性问题尤为突出。上述特点 决定了硅双极功率晶体管的设计必须满足以下要求：小的热阻；小的 饱和压降或饱和电阻；良好的频率性能；大电流容量：一定的耐压； 工作稳定可靠。但高频、微波功率晶体管工作行为复杂，在低频或工作 频率不很高时未曾显露或突出的矛盾，在高频时将逐渐反映出来，且随着 频率的升高，矛盾将更加突出。双极功率晶体管中目前存在的主要问题是 频率与功率、功耗的矛盾，以及各种潜在的失效机理【5 】| 2 6 - 2 7 】，这已成为阻碍 双极功率晶体管性能提高和稳定可靠工作的关键因素。 1 2 1 频率与功率、功耗的矛盾 首先，从功率角度来看，在工作电压一定的条件下，为了提高输出功 率，集电极最大工作电流厶旷f 扛。必须足够大。为减小高频工作时大大加 剧的电流集中与饱和电阻增大现象，在微波功率晶体管设计中一般选取较 小的发射极线电流密度，因此提高上。归结为增大有效发射极总周长工。 但上，的增大必然使发射结面积爿。和集电结面积a ，增大。其次，获得大的 输出功率的前提条件是功率管须具有较大的功率耗散能力，即具有良好的 散热特性，而这与基区周长成正比关系 2 7 - 2 8 。在现有器件结构中，提高功 率管的散热特性，基区周长必然增大，从而导致结面积增大。此外，为了 保证功率增益疋足够大，要求基极电阻“要小，从图形结构讲，就是要求 发射极条窄而长且条数多，基极条与发射极条间距要小，前者将使a ，、a ： 增大，而后者将可能因器件内部散热差而导致热击穿。结面积的增大不仅 导致管子高频性能的恶化，同时也会影响到输出功率的提高。 从频率角度看，为提高特征频率矗，一方面要求发射结电容及集电结 电容小，这可归结为缩小电流流通的有效集电结面积以及提高集电区材料 的电阻率，但是前者必须保证器件有足够的有源发射区面积( 发射极有效 面积) 和发射极周长，同时也需顾及器件的散热特性，而后者又受到器件 频率特性和输出功率要求的限制；另一方面要求基区宽度窄，外延层厚度 薄，集电区掺杂浓度高，而这又受器件耐压指标的限制。另外，为避免频 率特性的恶化以及高频下功率增益的降低，应充分减小延伸电极形成的 m o s 电容m i 。 微波功率管的最佳设计，应该是在最小的结面积彳。或爿。下能够达到 器件所要求的发射极周长工。，即在最小的结面积下能使管子承受所要求的 工作电流和功率。因此，微波功率晶体管频率与功率、功耗的矛盾，集中 反映在发射极总周长与发射结、集电结结面积的比值五。朋。上。上。 1 2 2 可靠性问题 随着电子技术的飞速发展和微波功率管的广泛应用，对功率管的可靠 性问题也提出了愈来愈高的要求。微波功率晶体管能否长期稳定可靠地工 作，成为设计和生产中必须解决的基本问题之一。而半导体的表面状况、 二次击穿、热损坏、电极损坏是影响器件可靠性最重要的因素。 半导体器件的许多参数，如击穿电压、最大电流、电流放大系数、低 频噪声以及稳定性和可靠性，都直接和半导体表面密切相关。硅双极功率 晶体管采用的表面保护膜包括s i o ：、p s g 以及s i 抖。，常用的结构为 s i o ，p s g 、s i o ：s i ，n 。口”j 。由于s i o ，中存在可动电荷、界面陷阱电荷、氧 化物陷阱电荷及固定正电荷等正电荷，将分别引起n 型s i 表面电子堆积和 p 型s i 表面形成反型层，从而造成器件的反向击穿电压降低，表面漏电增 大；这些正电荷会导致位于发射区一基区冶金结区域的表面复合速率提高， 从而引起硅平面器件发射结的雪崩击穿，导致小电流时 ，。退化：在反偏电 压下注入s i o ，绝缘膜的热载流子存在存储效应，在膜中会长期驻留，从而 改变器件表面的电导率，造成击穿电压蠕变现象；另外，s i o ，绝缘层不能 避免电荷的积累以及表面离子沾污，这些电荷不仅会导致硅衬底表面处形 成相反的极性，而且会改变其电导率，从而影响器件的特性。因此，无论 是热生长还是低温淀积s i o ：膜作保护层，器件的稳定性和可靠性均受到影 响。虽然p s g 对钠离子有较强的捕集和阻挡作用，并可以在1 0 0 0 0 c 左右 的温度下熔融回流，减缓布线台阶，但该膜存在极化效应和吸湿性，从而 有可能给器件带来新的不稳定性。s i ，n 。的优点是对金属的台阶覆盖性好， 对水汽和钠离子有很好的阻挡作用，化学稳定性好，抗腐蚀能力强，但它 ；萋= 塞篁鎏 一 除和p s g 一样存在极化效应外，还存在陷阱效应，再加上它与s i 的应力 匹配不良，因此须采用s i o ：s i ，n 复合结构。具有上述保护结构的器件均 存在较大的寄生m o s 电容，尤其是对于硅双极高频、微波功率晶体管而言， 延伸电极形成的寄生m o s 电容已占集电极总电容的5 0 左右口”，这对器 件频率特性、功率增益的影晌非常大。 二次击穿是造成高频、微波大功率管突然毁坏或早期失效的重要原因。 在电感性负载电路和大电流开关电路中，二次击穿更是晶体管毁坏的主要 因素。对双极功率管而言，通常使用电压不大( 低于5 0 v ) ，因此二次击穿 多数是由于电流集中而引发的。其原因主要是在大电流下情况下，晶体管 内部发生发射极电流的高度集边现象，加上材料或扩散等工艺造成的不均 匀性因素，引起电流局部集中，形成热电正反馈现象，造成过热点处首先 发生热电击穿或热击穿，进而烧毁整个器件，产生二次击穿现象。对于大 功率晶体管，管芯面积很大，工艺的不均匀性问题也愈严重，电流集中型 二次击穿也必然更加容易发生。 对于高频、微波功率晶体管来说，由于工作在较大的电流密度和较大 的功率条件下，特别是由于电流和热流在结面上的不均匀分布导致的电流 集中效应和热流截面积的缩小，加上受到工作状态急陡变化的影响，使得 高频、微波功率管的热稳定性问题更为突出。热损坏己成为高频、微波功 率管最主要的失效因素，其原因大半都归咎于功率管结构设计上的不合理 及晶体材料的不均匀性l ”“”。 金属化电极结构对高频、微波功率晶体管能否稳定、可靠地工作至关 重要【3 “”i 。在低、中频小功率和大部分低频大功率平面管制作中，迄今为 止铝是被广泛应用的欧姆接触电极材料。在较小电流密度和较低工作温度 下，采用单层纯a l 电极时，器件的性能是稳定的。但在高频和大功率工作 条件下，作为传统使用的单层a 1 电极结构却显示出较大的局限性。首先， 在较高温度下，a l 与s i 、s i o ：溶用很剧烈，即使在通常大功率晶体管的工 作温度下( 1 5 0 c 左右) ，s i 也易于溶入到a l 中，有可能破坏管子的电极结 构。尤其是对于高频、微波功率晶体管而言，其发射结的结深很浅，扩散 窗口边缘距发射结边界非常近( 近似等于结深度瓦) ，a 1 电极与s i 反应， 易造成e - b 短路。其次，由于热应力的缘故，a l 电极在s i o ，膜的窗孔台阶 处容易出现断裂的现象。再有，在大的工作电流和高的工作温度下，a l 电 极会出现一种电迁移现象，使金属电极膜上产生空洞和小丘，造成电极的 断路。随着工作电流密度和