RFLDMOS的发展状况和技术路线

1、RF LDMOS 的发展状况和技术路线 RF LDMOS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.O kabe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RF LDMOS器件 上世纪90年代，RF LDMOS器件逐步进入商业领域 1992，Isao Yo shida等

2、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0.18 m，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Alan Wood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-

3、 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

4、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（RF LDMOS）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 MRF8P29300

5、0HS。其中MRFE6VP61K25H工作 频率为1.8600 MHz,热阻0.15 K/W,典型特性是 频率230 MHz,工作电压50 V,脉宽100Ls,占空比 20%条件下输出功率达到1 250 W,增益22.9 dB, 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2.72.9 GHz,脉宽300Ls,占空比10%,工作 电压32 V条件下输出功率320 W,增益13.3 dB,效 率50.5%,能够承受10 1的负载失配。 NXP 2010年研制的两种典型LDMOS射频功率器 件产品BLF888A和BLS7G2933S-

6、150。其中 BLF888A器件热阻0.15 K/W,在频率470860 MHz,工作电压50 V条件下,输出功率600 W,增益 21 dB,能够承受40 1的负载失配;BLS7G2933S- 150是为2.93.3 GHz脉冲应用而设计,器件热阻 0.16 K/W,在脉宽300Ls,占空比10%,工作电压32 V条件下输出功率150 W,增益13.5 dB,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LDM

7、OS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RF LDMOS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30 W、增益为11 dB、漏极效 率为60%的LDMOS器件。

8、中电55所在2010年完成了工作频率为485-606 MHz，功 率合成后输出功率为350-480 W，增益大于17 dB，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485606 MHz,工作电压36V,脉宽20 ms,占空比35.7%的条件输出功率350480

9、W,增益大于17 dB,效率大于52%,热阻0.2 K/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RF LDMOS的意义 RF LDMOS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

10、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28 V提高到3250 V。 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

11、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

12、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

13、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,Ayman Shibib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

14、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100 000 s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/L

15、DD3三层组成,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

16、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

17、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

18、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) 等。 3、散热问题 器件工作时结温是影响器件寿命的重要参 数。对硅微波功率器件而言,金属电迁移是 主要的失效机理之一,这种失效是指因流过 器件的电流及器件温升引起有源结附近金 属离子的物理迁移。 散热能力设计主要涉及芯片布局优化、芯 片厚度控制、芯片焊接控制以及使用高热 导率封装底座法兰材料等。 4、抗失配 射频功率器件在使用时会出现负载失配

19、问 题,失配严重时会导致器件烧毁,为避免因失 配造成的功率器件损坏,就要提高器件的抗 失配能力。 器件耗散功率瞬间增加、器件电压摆幅超 过击穿电压、寄生BJT导通、自激问题都可 能导致射频功率器件实现负载失配的问题 （1）器件耗散功率瞬间增加 研究表明在3 1失配时有25%的功率反射 回器件,在5 1失配时有44%的功率反射回 器件,因此在失配的瞬间,器件耗散功率聚然 增大,特别对大功率器件由于其输出功率大, 这部分瞬间增加的功耗也很大,器件要有能 力耗散这部分功率,这就要设法提高器件的 散热能力（图3）。 （2）器件电压摆幅超过击穿电压 一般工业认为,器件在失配时,电压摆幅可以 达到电源电压的2.5倍,因此器件的击穿电压 要有足够的余量。 （3）寄生BJT导通 DMOS射频功率器件的源区、沟道区以及漂移区 构成寄生双极晶体管,器件失配时若电压摆幅超过 击穿电压,器件会进入击穿状态,击穿引起的雪崩电 流流经源区下面的P型区时,若产生