單芯片大功率RF LDMOS晶體管設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

劉武平，周 星，韓鵬宇，鄧小川

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，成都 610054）

1 引言

射頻橫向雙擴(kuò)散效應(yīng)管晶體管（RF LDMOS）廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。與雙極型器件相比，RF LDMOS器件具有線性增益高、輸出功率大、效率高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)RF LDMOS器件基于成熟的硅工藝，使得其制作成本較低，現(xiàn)已發(fā)展為射頻大功率器件的主流技術(shù)[1]。對(duì)于傳統(tǒng)RF LDMOS晶體管，器件的源極通過p+sinker連接到器件的襯底，以減小源極外接引線電感，增大射頻增益，但缺點(diǎn)是源電阻不易降低以及源區(qū)占據(jù)芯片面積較大。本文中的槽型sinker RF LDMOS器件的主要特點(diǎn)是通過在源極刻蝕貫通外延層的溝槽并填充金屬的方法來實(shí)現(xiàn)背面源結(jié)構(gòu)。該工藝過程不僅減少了高能離子注入推結(jié)的熱預(yù)算，而且減小sinker源區(qū)的面積1/3以上[2]。

本文采用上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司的0.35 μm RF LDMOS工藝平臺(tái)，得到柵寬200 μm器件的飽和電流為170 mA/mm，擊穿電壓120 V，截止頻率和最大振蕩頻率分別為5.5 GHz和10 GHz；柵寬345 mm單芯片器件在50 V工作電壓、1 090 MHz時(shí)的峰值輸出功率為362 W，功率增益15.6 dB，漏極效率38.1%。

2 器件結(jié)構(gòu)

槽型sinker RF LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。器件制作在p-外延層上，通過自對(duì)準(zhǔn)工藝和雙擴(kuò)散工藝技術(shù)形成溝道。器件n+源區(qū)通過金屬和槽型sinker與重?fù)诫sp+襯底相連。器件的耐壓主要由輕摻雜漏區(qū)（Lightly Doped Drain，LDD）承受，通過調(diào)節(jié)LDD區(qū)的注入劑量可以有效調(diào)節(jié)器件的擊穿電壓。為了優(yōu)化RF LDMOS器件的表面電場(chǎng)分布，器件采用兩層shield場(chǎng)板，shield場(chǎng)板通過金屬與源極相連。該結(jié)構(gòu)不僅可以減小柵極邊緣的電場(chǎng)，也可以降低柵極與漏極之間的反饋電容，從而增加LDD區(qū)摻雜濃度以提高器件的效率和功率密度[3]。器件的柵長為0.65 μm，LDD區(qū)長度為5.5 μm，采用上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司的0.35 μm RF LDMOS工藝平臺(tái)。流片實(shí)驗(yàn)得到的器件SEM剖面圖如圖1（b）所示。

圖1 槽型sinker RF LDMOS器件結(jié)構(gòu)剖面圖和SEM圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

流片的RF LDMOS器件直流特性采用吉時(shí)利的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器4200完成測(cè)試。圖2為柵寬200 μm RF LDMOS器件的直流測(cè)試曲線。從測(cè)試結(jié)果可以看到，柵壓VG= 6 V時(shí)，器件的飽和電流密度為170 mA/mm；當(dāng)柵壓VG=5 V/6 V時(shí)，器件飽和電流隨著漏源電壓繼續(xù)增大而減小。其原因是器件在柵壓比較高時(shí)器件電流大，其產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致載流子的遷移率降低，從而衰退了飽和電流。

圖2 柵寬200 μm RF LDMOS器件的直流特性曲線

圖3為RF LDMOS器件的轉(zhuǎn)移及跨導(dǎo)特性曲線，測(cè)試條件為漏源電壓VD=10 V，柵源電壓VG從0 V掃描到6 V。器件閾值電壓VT=2.1 V，最大跨導(dǎo)gm-max=67 ms/mm。圖4所示為器件反向擊穿電壓測(cè)試曲線，器件的擊穿電壓為120 V，這是通過LDD區(qū)和shield結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到的結(jié)果。優(yōu)化后器件LDD區(qū)的表面電場(chǎng)更加均勻，電場(chǎng)峰最大值出現(xiàn)在頂層shield邊緣，柵極邊緣以及漏極邊緣的電場(chǎng)值較弱。電場(chǎng)分布情況見圖5，同時(shí)此電場(chǎng)分布對(duì)器件的可靠性和耐久性有一定提高[4]。

圖3 柵寬200 μm RF LDMOS器件轉(zhuǎn)移及跨導(dǎo)特性曲線

圖4 柵寬200 μm RF LDMOS器件反向擊穿電壓測(cè)試曲線

圖6所示為柵寬200 μm RF LDMOS器件的S參數(shù)，測(cè)試條件為柵源電壓VG=4 V，漏源電壓VD=40 V，頻率從800 MHz掃描到20 GHz。由S參數(shù)測(cè)試結(jié)果得到器件的截止頻率fT=5.5 GHz，最高振蕩頻率fMAX=10 GHz；在頻率為1 GHz時(shí)器件的功率增益達(dá)到29 dB，高增益的原因是器件采用了雙層shield結(jié)構(gòu)。

圖5 RF LDMOS器件表面電場(chǎng)分布曲線

圖6 柵寬200 μm器件小信號(hào)測(cè)試S參數(shù)

表1為柵寬345 mm單芯片RF LDMOS器件功率測(cè)試結(jié)果，測(cè)試條件為漏源電壓VD=50 V，器件靜態(tài)工作電流IDQ=50 mA，脈沖信號(hào)頻率為1 090 MHz，脈沖寬度為128 μs，信號(hào)占空比為10%。輸入功率5 W，單芯片器件的峰值輸出功率為299 W，功率增益為17.8 dB，漏極效率為36.2%；輸入功率10 W，單芯片器件的峰值輸出功率達(dá)362 W，功率增益為15.6 dB，漏極效率為38.1%。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)器件在工作時(shí)的漏極效率偏低，這是器件在工作時(shí)熱量分布不均勻所致。改善器件的熱量情況可有效提高器件的漏極效率，同時(shí)也可增大器件的輸出功率。

4 結(jié)論

本文完成了一種槽型sinker RF LDMOS器件的實(shí)驗(yàn)研究。槽型sinker結(jié)構(gòu)通過挖槽填金屬實(shí)現(xiàn)，將源區(qū)sinker面積減小1/3以上。通過流片實(shí)驗(yàn)，得到飽和電流為170 mA/mm、擊穿電壓為120 V、截止頻率和最大振蕩頻率分別為5.5 GHz和10 GHz的RF LDMOS器件。柵寬345 mm單芯片RF LDMOS器件在頻率1 090 MHz、工作電壓50 V時(shí)的峰值輸出功率為362 W，功率增益為15.6 dB，漏極效率為38.1%，實(shí)現(xiàn)了單芯片RF LDMOS器件的大功率輸出。

致謝

感謝上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司為本次流片提供了工藝指導(dǎo)，同時(shí)感謝中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所為本次實(shí)驗(yàn)提供功率測(cè)試指導(dǎo)。

[1]F.van Rijs.Status and trends of silicon LDMOS base station PA technologies to go beyond 2.5 GHz applications[J].RWS 2008: 69-72.

[2]CheonSoo Kim,Sung Do Kim,Mun-Yang Park,et al.Trenched-Sinker LDMOSFET (TS-LDMOS) Structure for 2 GHz Power Amplifiers[C].Electron Devices Meeting，2001: 40.2.1-40.2.4.

[3]S J C H Theeuwen,J H Qureshi.LDMOS Technology for RF Power Amplifiers[J].Microwave Theory and Techniques,2012,60(6): 1755-1763.

[4]S J C H Theeuwen,W J A M Sneijers,J G E Kiappe,et al.High Voltage RF LDMOS Technology for Broadcast Applications[C].Microwave Integrated Circuit Conference,2008: 24-27.