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LDMOS

（LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor)橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS介紹簡介80年代以來，迅猛發(fā)展的超大規(guī)模集成電路技術(shù)給高壓大電流半導(dǎo)體注入了新的活力，一批新型的聲控功放器件誕生了，其中最有代表性的產(chǎn)品就是VDMOS聲效應(yīng)功率晶體管。這種電流垂直流動的雙擴散MOS器件是電壓控制型器件。在合適的柵極電壓的控制下，半導(dǎo)體表面反型，形成導(dǎo)電溝道，于是漏極和源極之間流過適量的電流VDMOS兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點。與雙極晶體管相比，它的開關(guān)速度，開關(guān)損耗??；輸入阻抗高，驅(qū)動功率?。活l率特性好；跨導(dǎo)高度線性。特別值得指明出的是，它具有負的溫度系數(shù)，沒有雙極功率的二次穿問題，安全工作區(qū)大。因此，不論是開關(guān)應(yīng)用還是線性應(yīng)用，VDMOS都是理想的功率器件。九十年代中后期開始大批量生產(chǎn)LDMOS,作為微波低端大功率(20W以上)器件的主流技術(shù),2.4GHz以下輸出峰值可達到200W以上,年產(chǎn)量超過4億美元。與傳統(tǒng)的雙極型晶體管相比,LDMOS器件在2.4GHz以下頻段時,增益、線性度、開關(guān)性能、散熱性能、價格等方面都有著明顯的優(yōu)勢。今后LDMOS將向更高頻率、更低成本方向發(fā)展,見表1。現(xiàn)在，VDMOS器件已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括電機調(diào)速、逆變器、不間熠電源、開關(guān)電源、電子開關(guān)、高保真音響、汽車電器和電子鎮(zhèn)流器等。由于VDMOS的性能價格比已優(yōu)于比極功率器件，它在功率器件市聲中的份額已達42%。并將繼續(xù)上升。世界各大半導(dǎo)體廠商如Freescale公司(占全球市場60%)、Philips公司(占全球市場25%)、Infineon公司以及STM公司等競相研究與開發(fā)。LDMOS介紹LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor；橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體)是為900MHz蜂窩電話技術(shù)開發(fā)的，蜂窩通信市場的不斷增長保證了LDMOS晶體管的應(yīng)用，也使得LDMOS的技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，因此今后在多數(shù)情況下它將取代雙極型晶體管技術(shù)。與雙極型晶體管相比,LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可達14dB以上，而雙極型晶體管在5~6dB,采用LDMOS管的PA模塊的增益可達60dB左右。這表明對于相同的輸出功率需要更少的器件，從而增大功放的可靠性。

LDMOS能經(jīng)受住高于雙極型晶體管3倍的駐波比，能在較高的反射功率下運行而沒有破壞LDMOS設(shè)備；它較能承受輸入信號的過激勵和適合發(fā)射數(shù)字信號，因為它有高級的瞬時峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波數(shù)字信號放大且失真較小。LDMOS管有一個低且無變化的互調(diào)電平到飽和區(qū)，不像雙極型晶體管那樣互調(diào)電平高且隨著功率電平的增加而變化。這種主要特性允許LDMOS晶體管執(zhí)行高于雙極型晶體管二倍的功率，且線性較好。LDMOS晶體管具有較好的溫度特性溫度系數(shù)是負數(shù)，因此可以防止熱耗散的影響。這種溫度穩(wěn)定性允許幅值變化只有0.1dB，而在有相同的輸入電平的情況下，雙極型晶體管幅值變化從0.5~0.6dB,且通常需要溫度補償電路。

LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。1971年Y.Tarui等人提出了橫向雙擴散MOS的結(jié)構(gòu)。1976年M.J.Declerq和J.D.Plummer采用這種方案，做出了第一個LDMOS。LDMOS介紹

LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，LDMOS是一種雙擴散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項技術(shù)是在相同的源/漏區(qū)域相繼兩次進行硼磷擴散，一次注入濃度較大（典型注入劑量1015cm-2）的砷（As），另一次注入濃度較?。ǖ湫蛣┝?013cm-2）的硼（B）。注入之后再進行一個高溫推進過程，由于硼擴散比砷快，所以在柵極邊界下會沿著橫向擴散更遠（圖中P阱），形成一個有濃度梯度的溝道，它的溝道長度由這兩次橫向擴散的距離之差決定。在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個高阻層，稱為漂移區(qū)。高阻漂移區(qū)的存在提高了擊穿電壓，并減小了漏、源兩極之間的寄生電容，有利于提高頻率特性。同時，漂移區(qū)在溝道和漏之間起緩沖作用，削弱了LDMOS的短溝道效應(yīng)。由于VDS的絕大部分降落在漂移區(qū)上，因此在溝道夾斷后，基本上沒有溝道的長度調(diào)制效應(yīng)。當(dāng)VDS增大的時候，輸出電阻不會降低，溝道區(qū)也不易穿通，從而LDMOS的擊穿電壓不受溝道長度和摻雜水平的限制，可以進行獨立的設(shè)計。

LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS接高壓時，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴展到漂移區(qū)的場氧上面，充當(dāng)場極板，會弱化漂移區(qū)的表面電場，有利于提高擊穿電壓。場極板的作用大小與場極板的長度密切相關(guān)。要使場極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計好SiO2層的厚度，二要設(shè)計好場極板的長度。

LDMOS在工藝上很容易實現(xiàn)0.4一2μm的溝道長度，故跨導(dǎo)gm、漏極電流IDS、最高工作頻率ft和速度都比一般的MOS有較大幅度的提高。LDMOS介紹80代初研制出了150MHz輸出17W、增益12.3dB和450MHz輸出11w、增益7.4dB的LDMOS及溝道長度2μm在1.IGHz下連續(xù)波輸出22w、增益8.5dB、漏極效率達51%的LDMOS。80年代末，研究者們利用RESURF原理，對LDMOS進行優(yōu)化設(shè)計，出現(xiàn)了LDMOS的不同結(jié)構(gòu)。其努力的方向是降低Ron及CGs，CGD，CDs，提高擊穿電壓BVDSS，并分析研究了柵電阻對器件微波性能的影響。在LDMOS的研究過程中，研究者們發(fā)現(xiàn)，限制器件增益和效率的主要因素是溝道長度、源極接地電感和柵電阻。到了90年代，由于器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的改進，使得LDMOS性能有了飛躍性的發(fā)展，實現(xiàn)了L波段大功率輸出，并在P波段、L波段形成了規(guī)模化、系列化產(chǎn)品，廣泛用于軍事裝備、通信及民用領(lǐng)域。從90年代初開始，微波LDMOS向著自對準亞微米溝道發(fā)展，同時采用難熔金屬柵或硅化物柵減小柵RC時間常數(shù)，并采用p+襯底代替原來的p-襯底。1992年研制出了高效率的靠電池供電移動通信用的低壓MO柵LDMOS，其溝道長度為0.8μm，在6v工作時1.5GHz下輸出2w，增益5dB，漏極效率達65%，功率附加效率為55%。1994年又研制出了在1.SGHz下連續(xù)波輸出35W，增益13dB，漏極效率50%的微波功率LDMOS。到1996年，Motorola的AlanWood等人研制出了2GHz下連續(xù)波輸出60w的高性能的微波功率LDMOS，其增益為11dB，漏極效率為44%。1998年又報道了采用推挽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了2GHz下連續(xù)波輸出120w，增益10.6dB，漏極效率42%的微波功率LDMOS，而且顯示了良好的線性。1999年3月Ericsson公司也推出了系列化的高性能的L波段微波功率LDMOS產(chǎn)品PTE系列和PTF系列，1.2一1.4GHz，輸出125w;其增益和效率均高于Motorola的產(chǎn)品。進入21世紀，為了提高LDMOS的特性，以飛思卡爾(原Motorola)，Ericsson(愛立信)，Philips以及瑞典的Uppsala大學(xué)等為首的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員不斷對LDMOS結(jié)構(gòu)(溝道長度、LDD區(qū)結(jié)構(gòu)、源極接地電感、源電阻和柵電阻)進行優(yōu)化設(shè)計，并取得大量的成果，研制出3GHz輸出1W的LDMOS。目前飛思卡爾正在開發(fā)第7代LDMOS產(chǎn)品B。第七代產(chǎn)品使用經(jīng)濟高效的超模壓塑料封裝和金屬陶瓷封裝(采用飛思卡爾低熱阻(LowRth技術(shù))來提高功率，降低成本。飛利浦己發(fā)展到第五代LDMOS，生產(chǎn)的盯功率晶體管柵長只有0.4μm，四層金屬鍍膜，其推出的BLFSG22一100，增益達到17dB。微波功率LDMOS仍在向著更高頻率、更大功率方向發(fā)展。發(fā)展LDMOS介紹現(xiàn)狀

目前，LDMOS已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段，國外各大公司都有多種LDMOS產(chǎn)品面世，滿足從300MHz~3GHz各個頻段，各種功率的需求。

Motorola公司生產(chǎn)多種LDMOS產(chǎn)品。MRF282、284、286系列產(chǎn)品，在2GHz下對三個器件分別輸入0.5、2.4、4.75W的功率，各器件相應(yīng)的峰值包絡(luò)功率為10、30、60W。MRF1507是GSM基站用的900MHz的LDMOS晶體管，是寬帶通信和工業(yè)應(yīng)用的一種低成本產(chǎn)品。MRF1507在520MHz下輸出功率為5W，增益為10dB，效率為63%，在7.5v直流供電便攜式FM(頻率調(diào)制)裝置中用作UHF、VHF功率放大器特別適合。目前，Motorola公司已經(jīng)推出了針對GSM、EDGE、CDMA和W-CDMA基站放大器應(yīng)用的第六代LDMOS產(chǎn)品。第六代射頻LDMOS技術(shù)的熱性能也達到了業(yè)界領(lǐng)先。例如，125W(P1dB)器件的熱阻達到了0.4℃/w。正在開發(fā)的第七代LDMOS產(chǎn)品使用經(jīng)濟高效的超模壓塑料封裝和金屬陶瓷封裝(采用飛思卡爾低熱阻(LowRth技術(shù))來提高功率，降低成本。

Ericsson公司是生產(chǎn)LDMOS產(chǎn)品的主要廠商之一。相繼研制出了工作于1.8-2.0GHz的增強型LDMOS器件PTF10120和工作在2.1-2.17GHz的LDMOS器件PTF10134。PTFIO120型產(chǎn)品包含四個芯片并安裝推挽結(jié)構(gòu)，輸入輸出端口設(shè)有內(nèi)匹配電路。在1.8-2.0GHz的頻率范圍內(nèi)，具有120W的峰值包絡(luò)功率，功率增益10.5dB。PTF10134是適用于PCS基站的金一金屬化LDMOS晶體管。在2.1-2.17GHz的WCDMA中可提供100W的峰值包絡(luò)功率，1dB壓縮點的輸出功率是110W。此外，Ericsson公司推出了系列可以滿足CDMA和WCDMA的線性和峰值功率需求的大功率LDMOS器件。它采用全金金屬化和氮化硅鈍化層，使用周期長，可靠性高。

Philips公司推出了1030-l090MHz頻率范圍內(nèi)輸出功率200W，增益14dB，效率大于40%的LDMOS產(chǎn)品。Philips公司生產(chǎn)的BLF0810一180LDMos晶體管用于CDMA蜂窩電話基站。與其他同類產(chǎn)品相比，該技術(shù)使用更少數(shù)量的元件設(shè)計出封裝尺寸更小、性能更高的晶體管。此外，這些晶體管采用雙層金屬化和金線間連接技術(shù)，使得其平均無故障時間(MTBF)提高8一10倍。飛利浦已發(fā)展到第五代LDMOS，生產(chǎn)的盯功率晶體管柵長只有0.4μm，四層金屬鍍膜，其推出的BLFSG22-100，增益達到17dB。與國外大的半導(dǎo)體廠商相比，國內(nèi)LDMOS研究起步較晚，加上現(xiàn)有工藝條件不是很成熟，與國外差距較大，目前還處于探索研制階段。僅有個別高校或研究機構(gòu)針對LDMOS進行理論的研究和器件結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，很少有真正立足于實現(xiàn)產(chǎn)品化而進行研究的。對于微波功率應(yīng)用的LDMOS，中國電子科技集團公司第十三研究所針對未來軍事裝備的需求進行了初步設(shè)計和研制，于2003年3月報道了采用Mo柵工藝研制出的1GHz連續(xù)輸出30W、增益11dB、漏極效率60%、IMD3為-30dB的LDMOS器件。2005年5月報道了10Hz連續(xù)波輸出60w、1oow的LDMOS器件,100W的LDMOS器件增益10.5dB，漏極效率57.6%。國內(nèi)其他研究機構(gòu)鮮有器件性能報道。LDMOS介紹閾值電壓

閾值電壓Vgs(th)定義為使半導(dǎo)體表面為反型層時柵上所需加的電壓。它由三部份組成：（1）柵上首先需加電壓VFB（平帶電壓）使半導(dǎo)體表面能帶是平的；（2）若要表面反型則半導(dǎo)體能帶應(yīng)有2qφFB的彎曲，其中qφFB是體內(nèi)費米能級到禁帶中央的距離，故柵上還應(yīng)再加qφFB的電壓；（3）能帶彎曲qφFB對應(yīng)著表面反型層到體內(nèi)有一過渡的耗盡層，此耗盡層有一負的電荷面密度，這個負電荷需由柵上相應(yīng)的正電荷來屏蔽，因此氧化層上又需再加一個電壓Q/Cox，綜上所述，得到閾值電壓：LDMOS介紹圖2-4是射頻功率LDMOS器件在漏極偏壓為10V，Id＝100μA（6.06×10-10A?μm）時的轉(zhuǎn)移特性曲線，可知射頻功率LDMOS器件的閾值電壓為3.1V。LDMOS介紹LDMOS的I-V特性

源電位為零，不同VGs下典型LDMOSFET的電流-電壓特性(VDS代表漏源電壓，IDS代表漏源電流)，共分為六個區(qū)域:1)截止區(qū)，在這個區(qū)VGs≤VGs(th),VDs從零開始變大，電流Io始終接近于零，直到達到擊穿電壓BVdss為止;2)線性區(qū)，又稱非飽和區(qū)或歐姆區(qū)，VGs≥VGs(th)且Vxs<VGS-VGs(th)(Vxs為MosFET溝道末端的電壓)，在該區(qū)溝道未夾斷或VGs≥VGs(th)且Vxs<Vc(電子速度飽和的臨界場強所對應(yīng)的電壓)，溝道中電子未達到速度飽和，IDS隨VDS增加而線性增加;3)飽和區(qū)，Vxs>VGs一VGs(th)且VGs>VGs(th)，溝道已夾斷或溝道中電子已完全達到速度飽和，VDs增大，IDS變化很小，漏電流飽和;4)擊穿區(qū)，VDs≥BVdss，外延層與漂移區(qū)形成的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，電流急劇增大;5)源漏正向偏置區(qū)，這時源電位高于漏電位，與源相通P阱和漏區(qū)形成PN結(jié)正偏，電流隨電壓增加按指數(shù)規(guī)律急劇增加，表現(xiàn)為正偏二極管的I-V特性;6)準飽和區(qū)，VGs很大時,IDS本身很大，但隨VGs的增大沒有很明顯的增加，即跨導(dǎo)很小。LDMOS介紹LDMOS與普通MOS的I一V特性有三點顯著不同:

(l)在飽和區(qū)IDs是隨柵壓線性增加的，這是跨導(dǎo)gm是常數(shù)，這是因為微波功率LDMOS的溝道很短，因此溝道中電場在飽和區(qū)很高，已經(jīng)超過載流子速度開始出現(xiàn)飽和的臨界電場Es。(2)LDMOS在飽和區(qū)輸出特性曲線很平，即輸出阻抗很高，遠大于一般MOS。這是因為溝道末端有效漏電壓遠小于實際漏極電壓VDs，當(dāng)VDs變化時，由于JEFT效應(yīng)，漂移區(qū)電阻變大，空間電荷區(qū)主要向LDD區(qū)擴展，溝道長度變化很小，同時溝道中載流子漂移速度己經(jīng)達到飽和，幾乎不隨VDs的變化而變化，因此Io在飽和區(qū)幾乎不隨Vos變化。(3)LDMOS的I一V特性存在準飽和區(qū)，而一般MOS則沒有。LDMOS的這一特點是:Vos增加10也增加，不飽和。而Vos增加時Vos隨IDS變化很小，這時gm幾乎為零。其原因在于LDMOS存在一個寄生的JEFT，其溝道寬度受VGs的調(diào)制。當(dāng)LDMOS柵極電壓很高時，漂移區(qū)和襯底間的反偏P一N結(jié)耗盡層變寬，JEFT溝道變窄，溝道電阻很大，使大部分漏極電壓降落到JEFT上，MOS溝道末端的電壓始終低于夾斷電壓，電流不會飽和。LDMOS介紹LDMOS電容的特性表現(xiàn)出和MOS結(jié)構(gòu)有著巨大的差異，并且現(xiàn)有建立的模型在交流條件下很不精確。MOS的電容行為是與柵和漏的電壓相關(guān)的。和普通的MOS結(jié)構(gòu)不同，電容曲線不是平的，而是在較低漏壓時有一個大的凸起，射頻LDMOS的器件電容特性如圖示。而MOS結(jié)構(gòu)的電容特性在很大的電壓范圍內(nèi)卻沒有明顯的峰谷。這是和溝道中不均一的摻雜以及溝道區(qū)和漂移區(qū)中的相互耗盡引起的。LDMOS電容特性LDMOS介紹

而此時器件的電容特性和LDMOS的電容特性還有些差距，但是已經(jīng)具備了LDMOS電容特性的根本特點，只是峰谷都沒有LDMOS結(jié)構(gòu)的電容特性大，這是漂移區(qū)的存在以及漂移區(qū)和溝道區(qū)相互作用產(chǎn)生的影響導(dǎo)致的，因為溝道要通過橫向擴散形成，而且為了達到耐高壓的目的，要充分耗盡漂移區(qū)，耗盡的漂移區(qū)會和溝道區(qū)相互影響。所以，溝道區(qū)和漂移區(qū)的綜合影響是LDMOS的電容特性和MOS的電容特性有較大差異的原因。

為了討論MOS和LDMOS之間的電容差異原因，把LDMOS的漂移區(qū)去掉，用器件模擬軟件模擬了當(dāng)沒有漂移區(qū)存在時的情況。即不改變原來的LDMOS器件結(jié)構(gòu)，只是把漂移區(qū)去掉。此時，器件結(jié)構(gòu)和MOS結(jié)構(gòu)的差異只是有著濃度梯度的溝道區(qū)。器件沒有漂移區(qū)的存在，但是器件的電容特性已經(jīng)表現(xiàn)出和原來的MOS結(jié)構(gòu)的明顯不同，即有了峰值的出現(xiàn)，而且隨著柵源電壓的變化而變化。所以，有著濃度梯度的溝道區(qū)是LDMOS器件的電容特性和MOS結(jié)構(gòu)的電容特性有著如此巨大的差異的根本原因。LDMOS介紹LDMOS的優(yōu)勢技術(shù)面：

卓越的效率，可降低功率消耗與冷卻成本

卓越的線性度，可將信號預(yù)校正需求降到最低

優(yōu)化超低熱阻抗，可縮減放大器尺寸與冷卻需求并改善可靠度

卓越的尖峰功率能力，可帶來最少數(shù)據(jù)錯誤率的高3G數(shù)據(jù)率

高功率密度，使用較少的晶體管封裝

超低感抗、回授電容與串流閘阻抗，目前可讓LDMOS晶體管在雙載子器件上提供7bB的增益改善

直接源極接地，提升功率增益并免除BeO或AIN隔離物質(zhì)的需求

在GHz頻率下?lián)碛懈吖β试鲆?，帶來更少設(shè)計步驟、更簡易更具成本效益的設(shè)計(采用低成本、低功率驅(qū)動晶體管)運作面：

絕佳的穩(wěn)定性，由于負汲極電流溫度常數(shù)，所以不受熱散失的影響，免除熱混亂的問題

比雙載子更能忍受較高的負載未匹配現(xiàn)象(VSWR)，提高現(xiàn)場實際應(yīng)用的可靠度

卓越的射頻穩(wěn)定度，在閘極與汲極間內(nèi)置隔離層，可以降低回授電容

在平均無故障時間(MTTF)上有相當(dāng)好的可靠度LDMOS介紹LDMOS主要的缺點1．功率密度低；2．容易受到靜電的破壞。當(dāng)輸出功率相近時，LDMOS器件的面積比雙極型的大。這樣，單晶圓上裸片的數(shù)量更少，從而使MOSFET(LDMOS)器件的成本更高。面積較大也限制了給定封裝的最大有效功率。而靜電通常可以高達幾百伏，它會損壞LDMOS器件的源極到溝道的柵，所以防靜電措施是必需的。LDMOS介紹

LDMOS與雙極晶體管的比較

LDMOS的性能比雙極晶體管優(yōu)越而價格卻比GaAs器件低得多。目前,LDMOS已成為大量生產(chǎn)低成本基站功率放大器的最佳射頻功率器件,是替代雙極器件的升級換代產(chǎn)品。下面與雙極器件相比較來進一步了解LDMOS的優(yōu)異性能。前面已經(jīng)指出,與雙極器件相比較,LDMOS具有線性放大動態(tài)范圍大、線性增益高、輸出功率大等突出優(yōu)點。圖2是900MHz連續(xù)波工作時LDMOS與同類雙極器件間增益特性曲線的比較。左下圖把LDMOS與雙極器件的增益特性曲線同理想增益曲線作了比較。右下圖是1GHz頻段200WLDMOS的增益與效率同輸出功率之間的關(guān)系曲線。這些圖充分說明了LDMOS高增益、高線性、寬動態(tài)范圍、大功率的性能特點。從圖中可見,當(dāng)雙極器件的輸出功率飽和時,LDMOS卻未呈現(xiàn)飽和。即使在動態(tài)范圍大于30dB、輸出功率高達200W的情況下,LDMOS也遠未飽和。LDMOS介紹LDMOS的增益一般比同類雙極器件要高6~9dB。對功率放大器的設(shè)計來說,這可減少放大器的級數(shù),使用的元件數(shù)可大大減少,占用印刷板的面積縮小,也可節(jié)省電源。過去用雙極器件設(shè)計高線性功率放大器時,一般都要求在主放大器前設(shè)置預(yù)矯正放大器,其增益為8dB左右。當(dāng)采用LDMOS來設(shè)計時,由于它比雙極器件的增益高很多而且線性又好,就沒有必要再設(shè)置預(yù)矯正放大器了。

LDMOS的交叉調(diào)制失真比雙極器件低得多。例如,900MHz150WLDMOS的交叉失真一般為-40dBc;而同類的雙極器件,其交叉調(diào)制失真高達-30dBc。

LDMOS的開關(guān)速度很高,這是雙極器件所無法比擬的。下圖表示1GHz200WLDMOS的開關(guān)特性。從圖上可以看出,開關(guān)的輸出功率為52.4dBm時,開關(guān)時間小于50ns。雙極器件很難在大輸出功率條件下獲得短的開關(guān)時間。LDMOS介紹LDMOS的源極經(jīng)p+通孔與襯底相連接,芯片直接鍵合在封裝的熱沉上,其間不用任何絕緣片,源電極與熱沉(接地)之間有良好的電氣接觸;在雙極晶體管中,芯片的集電極與熱沉(地)之間必須用散熱性能較好的絕緣片進行電氣隔離。很顯然,LDMOS比雙極器件具有更為優(yōu)異的熱性能。MRF286型2GHz60W的LDMOS器件,在外殼溫度為80℃時的射頻測試條件下,測得的熱阻僅為0.55℃/W。下圖是以熱瞬態(tài)有限元法對采用SOT502封裝的1GHz200WLDMOS器件的芯片進行模擬得到的結(jié)果。這一結(jié)果是在耗散功率250W、效率50%、時間1.2ms的條件下求得的。從圖中可以看出,整個芯片上的溫度分布均勻,器件的熱性能優(yōu)異。LDMOS介紹比較結(jié)果（1）優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性：負溫度系數(shù)，免熱耗散（2）頻率穩(wěn)定（3）更高的增益，更好的增益線性度（4）使用壽命提高：源極和溝道是短接的，不存在擊穿電壓（5）更低的噪聲：沒有裝配限流電阻（6）低反饋電容（7）更簡單的偏流電路：電壓控制器件，偏置電路中沒有電流（8）恒定的輸入阻抗：輸入阻抗隨柵電壓波動而變化的幅度很?。?）IMD性能更佳（10）更低的熱阻，更好的散熱性能（11）具有較低的上升下降沿時間（12）具有較高的擊穿電壓（13）AGC能力更強，即自動增益可控LDMOS介紹LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝。與標(biāo)準MOS工藝不同的是，在器件封裝上，LDMOS沒有采用BeO氧化鈹隔離層，而是直接硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長了器件壽命。由于LDMOS管的負溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時自動均流，而不會象雙極型管的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點，從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強了負載失配和過激勵的承受能力。同樣由于LDMOS管的自動均流作用，其輸入－輸出特性曲線在1dB壓縮點（大信號運用的飽和區(qū)段）下彎較緩，所以動態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號放大。LDMOS在小信號放大時近似線性，幾乎沒有交調(diào)失真，很大程度簡化了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡單，無需復(fù)雜的帶正溫度補償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

對LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過增加漂移區(qū)的長度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長度的折中選擇。因為耐壓和導(dǎo)通阻抗對于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻雜外延層和長的漂移區(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重摻雜外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長度，以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提下，得到最小的導(dǎo)通電阻。LDMOS介紹RFLDMOS器件的工藝流程設(shè)計按順序列出主要工藝步驟（采用清華大學(xué)微電子所的0.5μm標(biāo)準CMOS工藝）：(1)備片：P+外延片，晶向<100>，外延層摻雜濃度：1e16；(2)初氧：濕氧氧化，氧化溫度：1000℃，氧化時間：100min，初氧氧化層厚度：6000±600?；(3)P+Sinker注入：注入雜質(zhì)：硼B(yǎng)+，注入能量：70keV，注入劑量：1e16；(4)P+Sinker擴散：擴散溫度：1100℃，擴散時間：干氧環(huán)境下210min，N2氣體環(huán)境下30min；(5)生長柵氧化層：干氧氧化：氧化溫度：950℃，氧化時間：85min，柵氧化層厚度：400±50?；(6)生長多晶硅：厚度4000±400?；(7)多晶擴磷：擴散溫度：940℃，擴散時間30min，要求擴磷后多晶硅的方塊電阻為25±5Ω/□(8)干法刻蝕多晶硅；(9)P-溝道注入：注入與柵自對準，注入雜質(zhì)：硼B(yǎng)+，注入能量：60keV，注入劑量：3.0e13；(10)P-溝道擴散：擴散溫度：1000℃，擴散時間：干氧環(huán)境下30min，N2氣體環(huán)境下150min；(11)N-LDD注入：注入雜質(zhì)：磷Ph+，注入能量：60keV，注入劑量分三種情況，以驗證不同注入劑量對器件特性的影響：2.6e12(片號1#、2#)，3.1e12(片號3#、4#、5#、6#、7#、8#)，3.6e12(片號9#、10#)；(12)N+源漏注入：注入雜質(zhì)：磷Ph+，注入能量：80keV，注入劑量：1.0e13；(13)TiSi合金：濺鈦、合金，形成TiSi柵結(jié)構(gòu)；(14)刻孔：濕法+干法刻孔；(15)濺鋁：厚度為1.0±0.1μm；(16)刻鋁：干法刻鋁，形成引線與金屬場板結(jié)構(gòu)。LDMOS介紹LDMOS的研究方向1.擊穿特性的改善擊穿電壓是射頻LDMOS的一個重要的電學(xué)參數(shù)，同時也是器件可靠性的一個重要方面，由于LDMOS有低摻雜漂移區(qū)的存在，使之有較高的擊穿電壓，為了更適合高壓大功率的發(fā)展需要，對擊穿電壓的研究就顯得格外重要。為了提高擊穿電壓而采用的技術(shù)主要有：RESURF技術(shù)、內(nèi)場限環(huán)技術(shù)和場板技術(shù)。LDMOS的擊穿電壓下降主要是由于受PN結(jié)界面的影響，表面電場常常在摻雜濃度突變的地方（耗盡區(qū)）突然增大，遠大于體內(nèi)的最大電場。故器件的擊穿電壓往往由表面電場來決定。另外，當(dāng)碰撞電離發(fā)生在表面時，電離過程產(chǎn)生的熱載流子容易進入二氧化硅層，在柵氧形成固定電荷，改變了電場分布，嚴重降低了器件的可靠性。

RESURF技術(shù)的基本原理是：選擇適當(dāng)?shù)钠茀^(qū)摻雜濃度和厚度，控制漂移區(qū)表面的二維電場，使擊穿發(fā)生在體內(nèi)從而達到高擊穿電壓的目的。所以器件必須設(shè)計成在溝道和漂移區(qū)結(jié)的電場尚未達到臨界電場之前，即漂移區(qū)在表面擊穿前要全部耗盡。漂移區(qū)厚度應(yīng)等于或小于發(fā)生表面擊穿時漂移區(qū)和襯底結(jié)在漂移區(qū)的耗盡層厚度。也就是說，通過降低漂移區(qū)摻雜，在P溝道和N-漂移區(qū)耗盡層的電場尚未達到臨界電場之前，利用P襯底和N-漂移區(qū)的PN結(jié)將漂移區(qū)耗盡，降低橫向電場強度，減小雪崩擊穿的可能性，從而提高擊穿電壓。RESURF技術(shù)的原理圖如下圖所示。LDMOS介紹

內(nèi)場限環(huán)的基本原理是在漂移區(qū)中插入P型區(qū)域，漂移區(qū)插入內(nèi)場限環(huán)時，內(nèi)場限環(huán)耗盡區(qū)的電場與表面電場方向相反，增大了柵場耗盡區(qū)的有效曲率半徑，降低了柵極邊緣的峰值電場強度，從而提高了器件耐壓。采用內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的LDMOS的器件結(jié)構(gòu)如圖所示.。

場板技術(shù)的原理是在漂移區(qū)上方形成半絕緣多晶硅電阻場板，如右上圖所示，B處電阻場板產(chǎn)生均勻分布的垂直電場施加于漂移區(qū)中，與水平電場合成，迫使漂移區(qū)電場分布也均勻化，降低了A處的電場強度，從而提高了擊穿電壓。LDMOS介紹2.溝槽結(jié)構(gòu)(Treneh一sinker)的采用

刻蝕深溝槽并填充重摻雜多晶硅來代替原來的P++區(qū)，由于P-面積由刻蝕過程決定而不是由橫向擴散的面積決定，采用溝槽技術(shù)可以大大降低sinker面積，下圖柵邊緣到P++邊緣從7μm并減少到2μm，這樣，P++區(qū)的面積就減小了三分之二，而整個器件的面積減小了40%。其次，采用高溫擴散形成的P++區(qū)不容易實現(xiàn)低阻，而溝槽中填充重摻雜的多晶硅很容易實現(xiàn)極低的電阻，并降低了寄生電容，適合制作高功率密度的器件。柵寬為5mm時的小信號增益16.5dB。采用這種結(jié)構(gòu)的難點在于溝槽中摻雜多晶硅的填充，要保證填充的均勻性又不能有空隙。LDMOS介紹3.漂移區(qū)階梯摻雜

漂移區(qū)階梯摻雜有兩種不同的形式，橫向階梯摻雜和縱向階梯摻雜。其中，橫向階梯摻雜分布結(jié)構(gòu)如下圖所示，漂移區(qū)從溝道區(qū)到漏區(qū)，雜質(zhì)濃度依次增高，LDD1>LDD2>LDD3。這與普通器件相比，漂移區(qū)橫向電場分布更加一致，增強了電壓控制能力，抑制了寄生雙極晶體管效應(yīng)，從而抑制了kink效應(yīng)。但是這需要增加額外的淹膜板，增加了工藝復(fù)雜度。LDMOS介紹

縱向階梯摻雜結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)使用了吻/n三層結(jié)構(gòu)，LDD1濃度最高，這在表面形成了一個相對低阻的通道，降低了器件的導(dǎo)通電阻。LDD3摻雜濃度最低，并且結(jié)深最深，可以降低輸出電容。LDD2是一個濃度適宜的P型區(qū)，對電子產(chǎn)生耗盡作用，使LDD1與LDD3夾斷，以提高擊穿電壓。采用這種結(jié)構(gòu)的LDMOS，與相同柵長相同漂移區(qū)長度的常規(guī)LDMOS相比，飽和漏極電流增加了67%，擊穿電壓提高了16%。在高壓LDMOS中，還可以采用一種超級結(jié)(SJ-LDMOS)結(jié)構(gòu)可以大大提高擊穿電壓，如下所示。LDD區(qū)的n-p-n-p結(jié)構(gòu)在漏極加壓時相互耗盡，因此可以承受更高的電壓。LDMOS介紹4.復(fù)合多晶硅結(jié)構(gòu)

復(fù)合多晶硅柵LDMOS與普通LDMOS的不同之處,在于其柵電極由兩塊不同功函數(shù)的多晶硅材料制成。圖中Lg1是復(fù)合多晶硅柵LDMOS的S-gate(前柵)長度,S-gate由功函數(shù)較高的P型多晶硅材料制成;Lg2是復(fù)合多晶硅柵LDMOS的D-gate(后柵)長度,D-gate由功函數(shù)較低的N型多晶硅材料制成;Lf是場極板的長度,它的材料和D-gate相同。本文用MEDICI模擬時,采用的復(fù)合多晶硅柵LDMOS的結(jié)構(gòu)參數(shù)與普通LDMOS結(jié)構(gòu)參數(shù)相比只有柵材料不同。LDMOS介紹工藝第一步,在柵氧化層和場氧化層上淀積未摻雜的多晶硅材料;第二步,將整個多晶硅材料摻入N型雜質(zhì),形成N型多晶硅柵和N型多晶硅場極板;第三步,利用S-gate掩膜板,在D-gate和場極板上涂抹光刻膠,形成S-gate摻雜窗口;第四步,從S-gate摻雜窗口向多晶硅柵摻入P型摻雜,補償N型雜質(zhì)后形成P型的S-gate部分;第五步,利用刻蝕技術(shù),去除覆蓋在D-gate和場極板上的光刻膠,形成復(fù)合多晶硅柵。復(fù)合多晶硅柵LDMOS在工藝實現(xiàn)上較簡單，只比普通LDMOS的工藝多出3個步驟和一塊掩膜板，并且所有的工藝步驟都很容易進行控制。生產(chǎn)的重復(fù)性可以很好的得到保證。LDMOS介紹DMG-LDMOS直流特性分析電勢與電場分布DMG-LDMOS的柵電極是由兩種不同功函數(shù)的多晶硅材料構(gòu)成，由于功函數(shù)的突變，在S-gate和D-gate的界面下方的電勢會出現(xiàn)一個躍變，同時由下圖可看出在S-gate和D-gate的界面后的溝道區(qū)表面電勢變大，這樣對于DMG-LDMOS來說，溝道區(qū)所占源漏電勢的比例增大，從而減小了漂移區(qū)和漏端的電勢分布。好處:1）溝道區(qū)承擔(dān)了更多的電壓降落，提高溝道區(qū)的平均電場強度從而增加溝道區(qū)載流子的速度:2）器件漂移區(qū)和漏端承擔(dān)的電壓減小，漏端的電場降低，改善了器件的熱電子效應(yīng)。LDMOS介紹載流子速度分布

由圖可看出DMG-LDMOS溝道載流子速度有兩個峰值，一個在靠近源端的溝道區(qū)，另一個在兩種多晶硅柵的界面處，另外還能看出DMG-LDMOS的溝道載流子速度的平均值比普通的n+、P+多晶硅柵LDMOS都要大，而在溝道區(qū)末端三種器件的載流子速度基本相同，這時載流子速度達到了飽和。造成以上變化的主要原因是因為DMG-LDMOS的柵電極由高功函數(shù)的S-gate和低功函數(shù)的D-gate兩塊組成，在S-gate和D-gate界面溝道處由于功函數(shù)突變的影響，下面的溝道電場分布不均勻，其界面處溝道電場有一個峰值，這個峰值與溝道處的PN結(jié)引起的電場峰值共同作用，使得DMG-LDMOS靠近源端的電場峰值與復(fù)合柵界面處的電場梯度比普通的LDMOS大，因而溝道內(nèi)電子的加速度比較大，使得DMG=LDMOS的溝道載流子漂移速度增加較快，達到飽和速度所用的時間更短。LDMOS介紹導(dǎo)通電阻與擊穿電壓

隨著S-gate和D-gate長度比例的增大，在相同漏電壓下，DMG-LDMOS的漏電流變小，主要是因為相同柵壓下的漏電流，而DMG-LDMOS的閡值電壓隨S-gate和D-gate長度比例的增大而增大，因此有效柵壓就會變小，使得漏電流變小，如果在相同柵壓下，DMG-LDMOS與普通LDMOS具有相同反型層電荷的條件下，由于DMG-LDMOS的溝道載流子速度更快，因而它們會具有更大的漏電流。LDMOS介紹S-gate和D-gate長度比例不同時DMG-LDMOS與普通LDMOS器件的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓

LDMOS介紹DMG-LDMOS交流特性分析電容特性DMG-LDMOS的柵電極是由功函數(shù)(Wd)為5.25ev的擴多晶硅S-gate和功函數(shù)(Ws)為4.17eV的n+多晶硅D-gate組成，s-gate的功函數(shù)比D-gate的大，這樣在S-gate底下形成溝道所需的縱向電壓就要比D-gate的大，所以在Vgs不是很大的情況下DMG-LDMOS源端對電荷的控制能力要比普通LDMOS的差，從而導(dǎo)致DMG-LDMOS的Cgs和Cgd在Vgs不是很大的情況下變化幅度較大;當(dāng)Vgs進一步增大后，兩種柵電極功函數(shù)差的影響逐漸減小，這時普通柵與復(fù)合柵兩種結(jié)構(gòu)LDMOS的Cgs和Cgd逐步趨于一致。LDMOS介紹當(dāng)Vds較低時DMG-LDMOS的Cgs和Cgd的變化趨勢比普通LDMOS的大，在整個Vds的變化范圍內(nèi)，DMG-LDMOS的Cgs比普通的LDMOS大，而Cgdt匕普通的LDMOS小;同時可以看出DMG-LDMOS總的柵電容(C，+Cgd)比普通LDMOS小，這是因為DMG-LDMOS的闡值電壓較大，因而在強反型下DMG-LDMOS的反型層電荷總量比普通LDMOS的小，因此其總的柵電容要比普通LDMOS的小。LDMOS介紹截止頻率DMG-LDMOS的最大截止頻率是fTmax=14.2GHz，普通的n+和p+多晶硅柵LDMOS的最大截止頻率基本相等為fTmax=8.7GHz，DMG-LDMOS的最大截止頻率提高了約63.2%。同時，當(dāng)Vgs在3.5V~7V之間變化時，DMG-LDMOS的截止頻率fT要比普通n+和p+多晶硅柵LDMOS的截止頻率大，對于應(yīng)用在孫射頻放大器中的LDMOS器件來說，其工作電壓一般在5V左右，因此DMG-LDMOS在有效的工作電壓下，其截止頻率特性比普通LDMOS更優(yōu)越。LDMOS介紹DMG-LDMOS器件截止頻率的最大值隨S-gate、D-gate長度比例的增加先增大后減小，在S-gate與D-gate長度為1:1時有最大值，這和跨導(dǎo)的變化是一一呼應(yīng)的。這說明當(dāng)復(fù)合柵材料固定的情況下DMG-LDMOS的頻率特性也有一個最優(yōu)值，可以通過設(shè)計復(fù)合柵電極的長度比例來達到這個最佳的狀態(tài)。LDMOS介紹SOI的結(jié)構(gòu)特點是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來隔斷二者的電器連接。可見SOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電器連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離通過反偏PN結(jié)完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電器連接被完全消除。這一結(jié)構(gòu)特點為SOI帶來了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強等諸多優(yōu)點。由于SOI器件有著許多優(yōu)越的特點，目前體硅LDMOS器件的結(jié)構(gòu)已經(jīng)移植到SOI上，LDMOS制造在埋氧化層(BOX)上，可以消除體硅LDMOS器件中PN結(jié)的泄漏電流，減小寄生