硅射頻DMOSFET發(fā)展現(xiàn)狀

李飛

摘要：本文簡單描述了硅射頻DMOSFET的優(yōu)勢，介紹了LDMOS和VDMOS的發(fā)展概況，對比說明了LDMOS和VDMOS在工作頻率、輸出功率、功率增益和可靠性等方面各自的優(yōu)勢，并對二者的發(fā)展方向和前景進行了討論。

關(guān)鍵詞：硅;射頻DMOSFET;發(fā)展

0 引言

我國早在20世紀60年代中期就開始了對Si基射頻功率晶體管的研究，并且生產(chǎn)出了具有高功率、低成本、加工工藝成熟等特點的BJT器件，之后在移動通訊、雷達等領(lǐng)域應(yīng)用的射頻功率器件一直以BJT器件為主。與此同時，在20世紀70年代，科研人員同樣開展了對DMOSFET器件的研究。研究表明，DMOSFET器件有很多優(yōu)勢，如[1]：輸入阻抗高，因此驅(qū)動電路設(shè)計簡單;電流溫度系數(shù)為負，熱穩(wěn)定性好;不受二次擊穿影響，安全工作區(qū)大;多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度比BJT高十倍以上;可以多胞簡單并聯(lián)工作，獲得較高輸出功率。因此，Si基射頻功率晶體管的研究方向逐漸由BJT器件向DMOSFET器件轉(zhuǎn)移，尤其進入80年代中期到90年代，Si射頻功率BJT器件的發(fā)展到達極限[1]，因此Si射頻DMOSFET異軍突起，逐步占領(lǐng)主導(dǎo)地位，直至今日，Si射頻DMOSFET已在民用和軍用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

1 射頻DMOSFET的發(fā)展

射頻LDMOSFET

1969年Y Tarui等人[2]最早提出了射頻LDMOSFET的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與早期MOSFET相比，LDMOSFET在結(jié)構(gòu)和工藝上主要有兩點不同：1）溝道與漏極之間有一個比較長LDD區(qū)，該區(qū)域為N型低摻雜區(qū)，作用為提高器件的擊穿電壓;二是溝道主要由不同元素擴散速率的不同來控制，溝道長度為兩次擴散的橫向結(jié)深差，因此溝道可以做得很小并且不受光刻精度的限制，有利于減小載流子漂移時間，提高器件工作頻率，再加上增加總柵寬的措施后，器件的電流也可以做得很大。

90年代以來，無線通信市場不斷擴大，射頻LDMOS器件在500MHz～2.5GHz頻段內(nèi)的蜂窩無線基站領(lǐng)域內(nèi)開始廣泛應(yīng)用，超過50%的手機基站市場需要硅射頻LDMOS器件技術(shù)[3]。蜂窩通信市場的發(fā)展使得LDMOS的需求量不斷增長，市場競爭促進了LDMOS技術(shù)快速的進步。各商家不斷地通過結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的改進，以滿足高輸出功率、寬工作頻帶、高工作效率、高可靠性、降低系統(tǒng)運行成本等市場要求。

進入21世紀以后，LDMOS技術(shù)更是發(fā)展迅速。2002年，飛利浦公司推出第三代0.8微米LDMOS技術(shù)，其代表產(chǎn)品為BLF3G21-30，工作頻率為1800～2200MHz，輸出功率30W，工作效率為35%，功率增益為13.5dB，比第二代0.8微米LDMOS技術(shù)產(chǎn)品的功率增益要高2dB。

2003年，飛利浦第四代LDMOS技術(shù)適用于800MHz到2.2GHz的所有頻帶，新型0.6um工藝使器件提升了50%的功率密度以及6%的工作效率，功率增益也比第三代技術(shù)提高了2dB。另外，第四代LDMOS器件采用多層金屬化和金屬線間連接技術(shù)，提高了器件的可靠性。

2004年第四季度，飛利浦公司推出第五代LDMOS技術(shù)，即0.4um工藝技術(shù)以及四層金屬布線技術(shù)，功率密度比第四代高了20%，同時還提高了器件的功率增益和可靠性。到2005年6月，飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出第六代高壓LDMOS技術(shù)，其產(chǎn)品的輸出功率從10W到220W，工作效率比前幾代產(chǎn)品提高了15%，功率密度提高了50%，部分產(chǎn)品的增益比前幾代提高了2dB。同年，恩智浦公司也推出第六代產(chǎn)品，如BLF6G22LS-180PN，工作頻率為2000～2200MHz，輸出功率180W，功率增益17.5dB，效率27.5%。

2008年6月，恩智浦公司推出了第七代LDMOS技術(shù)，產(chǎn)品覆蓋了400～3500MHz整個頻率范圍。第七代的首款產(chǎn)品為BLF7G22LS-200基站功率晶體管，其工作頻率為2110～2170MHz，輸出功率200W，增益18.5dB，比上一代產(chǎn)品提高了1dB;工作效率為31%，提高了4個百分點;第七代產(chǎn)品還在工作頻率上創(chuàng)下新高，最大工作頻率可達3.8GHz。2013年8月，恩智浦公司LDMOS技術(shù)已發(fā)展到第八代，與第七代相比，功率密度提高了15%，其產(chǎn)品BLF8G22LS在2110～2170MHz頻率下，平均輸出功率為200W，效率27%以上，增益可達20dB，比上一代提高了1.5%。

隨著4G在全球的推廣，恩智浦半導(dǎo)體公司繼續(xù)優(yōu)化適用于無線基站LDMOS射頻功率晶體管，并于2014年6月推出第九代LDMOS產(chǎn)品。第九代產(chǎn)品主要針對的是緊湊、高效和高性能的LTE基站。在Doherty應(yīng)用中，LDMOS晶體管的性能進一步得到提高，效率提升5%以上。同時，第九代LDMOS技術(shù)還針對3.4～3.8GHz下的應(yīng)用進行優(yōu)化，功率密度、效率和線性度上得到了提升。

微波VDMOSFET

VDMOSFET結(jié)構(gòu)于1979年由H.W.Collins等人[4]提出。VDMOS的工作原理為，漏極電流經(jīng)過垂直方向的N-漂移區(qū)，抵達柵極下面的積累層，再通過水平溝道流到源極。這種垂直結(jié)構(gòu)的晶體管，工作電壓為28V到50V，工作頻率可達500MHz，而且熱穩(wěn)定性好，可靠性高，相比于LDMOS來說，工藝更簡單，因此VDMOS開始被廣泛采用。

1980年以后，VDMOS通過器件結(jié)構(gòu)的改進，使器件在VHF、UHF頻段大功率方面的研究有了長足的進步，到80年代中期，形成了連續(xù)輸出功率從5W到125W的系列化產(chǎn)品。其中最有代表性的產(chǎn)品就是Motorola的MRF154[5]功率晶體管，工作頻率在2～100MHz時，連續(xù)輸出功率為600W，功率增益為16dB，漏極效率為45%，總耗散功率達1350W，在大功率方面硅MOSFET技術(shù)幾乎達到了極限。到80年代末，實驗室研制的VDMOSFET的工作頻率最高可達1200-1400MHz，輸出功率為16W，功率增益8dB，效率為55%，VSWR為8.6：1。由于結(jié)構(gòu)上的限制，射頻VDMOS發(fā)展到上世紀90年代時，增益和工作頻率的提高遇到瓶頸。因此，相對于LDMOS的高頻應(yīng)用，射頻VDMOS一直應(yīng)用在低頻段大功率領(lǐng)域。

直到2008年第四季度，HVVi公司在硅VDMOSFET基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行新結(jié)構(gòu)的研發(fā)創(chuàng)新和組合，推出了HVVFET系列產(chǎn)品，覆蓋了L波段的1030～1090、1025～1150、1200～1400MHz等頻段，功率增益為15dB到20dB，在同頻段的器件中性能達到很高水平，填補了射頻VDMOS高頻段應(yīng)用的空白。上表是三種L波段雷達用晶體管的性能比較。

HVVFET器件，采用了屏蔽柵結(jié)構(gòu)，可以把柵長做的很短，同時降低了寄生電容，從而提高了器件的功率增益和工作頻率;封裝上HVVFET采用倒裝焊結(jié)構(gòu)，既有利于散射，又降低了接地電感，進一步提高了器件的工作頻率。因此，HVVFET在發(fā)揮了VDMOS功率密度大優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，大幅提高了器件的射頻性能，同時HVVFET在部分頻率范圍內(nèi)超越了LDMOS。這一時期，HVVFET代表了射頻VDMOS器件的最高水平，也代表了射頻MOSFET器件發(fā)展的最高水平。

2 我國射頻DMOSFET的發(fā)展

我國DMOS研究起步較晚，與國外大的半導(dǎo)體廠商相比差距較大，目前仍然處于探索研制階段。國內(nèi)有關(guān)射頻功率DMOSFET的報道如下：

LDMOS方面，2010年7月，國內(nèi)報道成功研制了P波段LDMOSFET，并介紹了主要設(shè)計和工藝，通過減小寄生電容和電阻，改善了器件頻率性能;通過LDD區(qū)場板優(yōu)化，阻止熱載流子效應(yīng)引起的性能退化。工作頻率在480～610MHz，輸出功率大于350W，增益大于17dB，漏極效率大于50%[6]。在2011年1月，國內(nèi)報道了P波段450W硅LDMOS器件的研制結(jié)果，在漏源工作電壓36V，脈寬20ms，占空比35.7%的測試條件下，485～606MHz全帶內(nèi)輸出功率達到450W，增益大于18dB，效率大于60%[7]。

VDMOS方面，1998年11月，國內(nèi)研制了一款VDMOSFET器件，其采用金屬柵降低串聯(lián)電阻，400MHz下用共源推挽結(jié)構(gòu)成功地進行了并聯(lián)工作，在50V工作電壓下實現(xiàn)了連續(xù)波輸出功率250W，增益10dB，漏極效率60%[8]。2000年，國內(nèi)還研制出1GHz下輸出功率10W，功率增益為8dB的VDMOS器件[9]，是國內(nèi)VDMOS器件工作頻率的最高水平。大功率方面，2001年報道了一款國內(nèi)研制的VDMOSFET器件，采用金屬柵電極共源平衡推挽結(jié)構(gòu)，在95-105MHz、脈寬50ms、占空比5%的條件下實現(xiàn)了脈沖輸出功率600W，增益大于9dB，漏極效率大于50%[10]。

3 射頻DMOSFET未來展望

射頻LDMOSFET

近幾年，伴隨著5G的時代浪潮，射頻LDMOS的市場占有額受到GaN器件的巨大沖擊。憑借著S波段及更高頻率上性能的優(yōu)勢，GaN器件已經(jīng)成為了基站功率技術(shù)的重要選擇。

盡管受到GaN器件技術(shù)的沖擊，射頻LDMOS器件仍然在L波段及更低的頻段上有著廣泛的應(yīng)用，并且仍有新產(chǎn)品研發(fā)出來。2019年6月，安譜隆半導(dǎo)體（Ampleon）發(fā)布2款產(chǎn)品，BLP9LA25S和BLP5LA55S。這2款13.6V工作的LDMOS器件可用在2MHz至941MHz的整個VHF和UHF頻段，分別提供25W和55W輸出，在整個工作頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了>18dB的增益和>65%的效率，其優(yōu)異的性能可以減少放大級數(shù)，提高穩(wěn)定性，簡化冷卻裝置，減小系統(tǒng)體積。它們還具有出色的線性度，因此成為陸地集群無線電（TETRA）應(yīng)用的理想選擇，并且它們還能耐受超過65：1電壓駐波比（VSWR）的極端失配，能夠承受最惡劣的應(yīng)用環(huán)境，因此也非常適用于可靠性要求很高的手持式無線電臺。此外，這2款器件采用緊湊的超模壓塑料（OMP）TO270封裝，體積小、成本低。

可以預(yù)見，射頻LDMOS在L波段以下的頻段仍有很大的市場和應(yīng)用前景，其競爭力和優(yōu)化提升方向則是提高穩(wěn)定性和可靠性、減小體積和重量、不斷降低成本，這些是保證LDMOS不斷發(fā)展必須攻克的難題。

射頻VDMOSFET

一直以來射頻VDMOS的優(yōu)勢是大功率，應(yīng)用于1GHz以下車載移動通信、TV發(fā)射機、電子對抗、雷達等方面，這些領(lǐng)域?qū)ζ骷囊笾饕菍拵Т蠊β屎透呖煽啃?。由于HVVFET的出現(xiàn)，使得長期以來發(fā)展滯后的射頻VDMOS器件看到了新的曙光，新結(jié)構(gòu)的HVVFET在1GHz的頻段上的功率增益有著不俗的表現(xiàn)，更高的增益可以減少功率放大器所需器件的級聯(lián)級數(shù)，減小功率放大器的體積。

盡管HVVi公司推出HVVFET之后沒有繼續(xù)推出新的更高頻段的產(chǎn)品，但是為射頻VDMOS向高頻發(fā)展提供了路線，其特殊的結(jié)構(gòu)使HVVFET還有很大的提升空間，在發(fā)揮其功率密度大的優(yōu)勢的前提下，向更高頻率和更大增益方向發(fā)展。

我國射頻DMOSFET發(fā)展展望

射頻DMOSFET器件在國內(nèi)有著巨大的市場，但由于研發(fā)技術(shù)相對落后，目前主要還是靠進口，制約了國內(nèi)很多領(lǐng)域的發(fā)展。盡管GaN器件市場火熱，我們?nèi)匀恍枰匾暽漕lDMOSFET器件的研發(fā)和應(yīng)用，加大投資，加強建設(shè)力度，改善工藝條件，引進先進技術(shù)，增強射頻DMOSFET器件的自主研發(fā)能力，以期能夠替代國外的同類產(chǎn)品，扭轉(zhuǎn)受制于人的被動局面。射頻DMOSFET的發(fā)展是有非常重要的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義的。

參考文獻

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責(zé)編/馬銘陽