改善微波功率器件可靠性的方法

馮彬，潘宏菽

（河北半導體研究所，河北　石家莊　050051）

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改善微波功率器件可靠性的方法

馮彬，潘宏菽

（河北半導體研究所，河北石家莊050051）

微波功率器件因其具有體積小、可靠性高等優點而被廣泛地運用在了微波通訊系統、遙測系統、雷達、電子對抗和導航等領域。但是，由于硅微波雙極功率器件的結比較淺、基區比較窄，因而其擊穿電壓往往較低，從而對器件的大功率輸出和抗燒毀能力造成了一定的不利影響。因此，從提高擊空電壓、鎮流電阻設計、降低基區電阻設計、預匹配的選擇和寬帶半導體材料的采用等方面對提高硅微波雙極功率器件的可靠性的具體措施進行了研究，對于改善硅微波雙極功率器件的性能、提高其可靠性具有重要的指導意義。

微波；功率晶體管；淺結；鎮流電阻；擊穿電壓；預匹配

0　引言

導通電阻低、輸出功率大的特點使得雙極功率器件在功率電子和微波大功率等方面得到了廣泛的應用，雖然隨著金屬-氧化物-半導體 （MOS： Meta1-Oxide-Semiconductor）器件的不斷進步，出現了代替雙極器件的趨勢，但是，MOS器件導通損耗隨功率的增大而增加的問題，限制了其應用范圍。由于硅微波雙極功率器件的結比較淺 （一般在亞微米量級）、基區比較窄，因而造成了其擊穿電壓低，對器件的大功率輸出和抗燒毀能力不利。提高硅雙極微波功率器件的擊穿電壓和電流能力，是提升器件的性能的主要措施，目前看主要是采用適宜的結終端技術來提高器件的擊穿電壓，采用優化器件結構、降低器件飽和壓降、提高器件二次擊穿耐量來提高器件的電流能力和抗燒毀能力。但是，由于Si的本征擊穿電壓明顯地低于寬禁帶材料SiC的本征擊空電壓，加之SiC的飽和電子漂移速度要比Si的高出一倍左右，故在高工作電壓和微波功率方面，SiC器件展現出了誘人的前景。加之其高溫工作的特點、較高的功率密度和加工工藝基本與硅工藝類似，故在大功率、小體積、輕重量和高溫工作等方面，SiC功率器件展現出了突出的優勢。

1　提高擊穿電壓的設計

微波功率器件的電性能指標與可靠性指標往往是矛盾的，這就要求設計和工藝人員必須將兩者綜合起來進行考慮，在提高器件可靠性的同時，又要提高器件的電性能。對于微波功率器件來說，提高擊穿電壓不能嚴重地影響器件的微波性能，以往常采用場限環等技術來實現這一目的，場限環示意圖如圖1所示。但是，隨著器件工作頻率的提高，器件的結深變得越來越淺，場限環的作用無法充分地顯現，容易出現擊穿電壓偏低的問題，例如：某工作在2.4 GHz下的硅雙極功率器件，工作電壓要求為30 V，器件的功率增益要求不低于6 dB，器件采用了低硼場限環作為提高其擊穿電壓的措施之一，但80%左右的器件的擊穿電壓卻處在50 V以下，主要原因就是隨著器件的結深變得越來越淺，低硼基區深度無法達到場限環進一步擴展表面耗盡區的目的，從而導致了器件低擊穿現象的出現。

為了避免發生上述問題，同時也為了不對器件的頻率性能產生嚴重的影響，在器件的主結上采用了淺結工藝，并在結終端采用了深結技術，使終端結曲率的半徑增大，從而避免了結終端的電場集中；同時采用了緩變結技術，使得器件的擊穿電壓得到了明顯的提高［1］，擊穿電壓高于50 V的達60%以上。為了證實其對器件頻率性能的副作用是否嚴重，在同樣的網狀發射極結構下，在工作頻率為3.4 GHz左右的器件中采用深的緩變結終端設計進行工藝流片，經微波測試后發現，器件的功率增益不但沒有降低，還提高了約1.5 dB，器件的增益大于7.5 dB，從而證明了此方法的適用性，同時也為器件可靠性的提高奠定了基礎。

圖1　場限環示意圖

2　鎮流電阻的分析與選擇

雙極功率晶體管由于發射結結電流為正溫度數，即隨著溫度的升高，器件的注入電流會增大，而電流增大又會導致溫度進一步地升高，形成惡性循環，出現“熱奔”現象，最終燒毀器件。為了避免電流的進一步增大，在有源區旁邊引入發射極鎮流電阻的設計，其結構示意圖如圖2所示，同時為了避免管芯中部局部過熱首先造成燒毀，設計中也采用了非等值鎮流電阻設計［2］。但是，隨著精細光刻要求的不斷提高，發射極鎮流電阻的位置不斷地縮小，大功率的要求會導致電流通過鎮流電阻的密度不斷地提高，因而常會發現鎮流電阻被嚴重地燒毀。為了緩解此矛盾，多數雙極功率器件將一個鎮流電阻對應一個發射極條的設計改為了2個甚至多個發射極條靠一個鎮流電阻來鎮流，這在一定程度上實際是犧牲了鎮流電阻的鎮流效果。克服其缺憾的措施主要有2種：1）采用發射極垂直鎮流；2）重新設計鎮流電阻的版圖，讓通過鎮流電阻的電流密度減小，即增大鎮流電阻的電流通過能力。前者會引起工藝較大的變動，而后者則能維持原有的工藝水準，只是在版圖設計上進行改進。通過優化設計，在一個發射極條對應一個鎮流電阻的前提下，且當器件的鎮流電阻值相同時，改進后的設計版圖流過鎮流電阻的電流密度可降低1倍左右，提高了鎮流電阻的電流通過能力，保證了鎮流電阻在更大的電流下工作，避免了鎮流電阻的過早燒毀。此外，將此設計應用到硅雙極微波脈沖大功率器件的3.1～3.5 GHz頻段當中，也取得了良好的效果，證明了其非但對S波段中高頻帶工作的硅大功率器件的微波性能沒有明顯的負面影響，還能進一步地提高器件的性能。

圖2　鎮流電阻

3　外基區摻雜濃度的考慮

在硅雙極微波功率晶體管中，為了縮短載流子的渡越時間，提高器件的頻率性能，在設計和工藝上均采用了淺結、窄基區結構；為了提高發射極的發射效率，基區的摻雜濃度又不能過高，因而容易造成基區橫向電阻增大，進而加劇發射極電流集邊或集中效應的發生，最終導致功率分布不均勻，即便有發射極鎮流電阻，此類效應也無法消除，控制不好還會造成晶體管的高頻增益下降。為此，在實際的硅工藝中為了減小外基區電阻，常采用外基區高硼擴散或注入摻雜，這在一定程度上也可避免雙極器件的二次擊穿過早地出現［4］。當然，目前回避摻雜方法制作器件的弊端的最好方法就是采用能帶工程，例如：采用鍺硅異質結結構，其基區濃度可以做得比較高［4-6］，但又不會影響發射極的發射效率，因而其可以大大地降低發射極電流集邊或集中效應發生的概率，而且其工藝方法與目前的硅工藝基本兼容。

4　預匹配結構的采用

硅雙極微波大功率器件由于其輸入、輸出阻抗很低，難以直接應用到50 Ω的微波系統中，因此，目前硅微波功率器件普遍采用預匹配結構進行阻抗轉換，如圖3所示。通過阻抗變換，使得晶體管的輸入阻抗變為與50 Ω接近的特性阻抗。加內匹配網絡后，低的晶體管內阻轉化為高的輸入阻抗，在一定程度上提高了器件的功率均分，并可適當地避免功率器件被燒毀，這對大功率器件是有利的。應當指出的是，匹配網絡的加入會使工藝的復雜性和難度增加，并且由于器件的整體可靠性與匹配網絡密切相關，因此，如果控制不好，則會對器件的可靠性形成較大的威脅。若要避免此問題，從目前來看，則可采用寬禁帶半導體材料，例如：采用SiC來進行器件研制，由于其輸入阻抗相對較高，因而可以簡化或不用預匹配網絡，從而降低了器件制作的復雜程度，同時還可以大大地減小器件的體積和重量，加之SiC材料具有高熱導率、高功率密度、高電子飽和速度、高漂移速度和高擊穿電場強度等特點，故其在高頻乃至微波大功率領域都有十分廣泛的應用前景。采用SiC研制的器件的功率增益和功率附加效率較Si器件都有顯著的提高，并實現了小體積和低重量的目標。同樣在2 GHz連續波輸出10 W狀態下工作的Si功率器件與SiC功率器件的主要參數的對比情況如表1所示，其中：Gp為器件的功率增益，PAE為器件的功率附件效率，V為器件的體積，W為器件的重量。

表1　2 GHz連續波輸出10 W功率晶體管主要參數比較

經過進一步的努力，采用新的版圖設計和優化后的工藝，又實現了2 GHz下連續波狀態下輸出功率大于20 W的SiC微波單胞功率器件，具體測試結果是其輸入功率為31 dBm（1.26 W）時，輸出功率達43.23 dBm（21.04 W），Gp為12.23 dB，PAE為30.8%；當輸入功率達33 dBm時，輸出功率可達43.46 dBm（22.18 W），PAE大于31%，器件的小信號增益大于15 dB［7-8］，較同頻段的硅雙極器件有明顯的優勢。

圖3　預匹配示意圖

可以看出SiC功率器件無論是在器件的電性能還是在器件的體積、重量等方面都比Si器件顯示出了可觀的優勢，隨著寬禁帶技術的不斷完善，高性能的微波大功率器件將會不斷地涌現。

5　結束語

本文從擊穿電壓提高、鎮流電阻設計、降低外基區電阻設計、預匹配的選擇和寬禁帶半導體材料的采用等方面對提高Si微波雙極大功率晶體管的電性能和可靠性的具體措施進行了研究，通過分析發現，提高微波功率器件的性能不但要提高器件的擊穿電壓還要提高器件的功率均分能力、電流通過能力和微波系統的匹配能力，不能只考慮一方面而忽視另一方面；此外，從以上對比結果還可以看出采用新型半導體材料SiC能夠在一定程度上彌補Si微波器件的不足。相信隨著新材料、新工藝和新技術的采用，微波功率器件定能在大功率和可靠性方面取得突破性的進展。

［1］黃忠升，潘宏菽.提高微波功率晶體管擊穿電壓研究［J］.半導體技術，1996，21（5）：22-26.

［2］高光渤.微波功率晶體管發射極不均勻鎮流電阻的設計研究 ［J］.半導體技術，1978，3（4）：1-9.

［3］潘宏菽，喬樹允，黃忠升.雙極大功率晶體管可靠性的提高 ［C］//第十屆全國半導體集成電路硅材料學術會論文集 （下），1997（9）：474-477.

［4］JIA Hong-yong，CHEN Pei-yi，TSIEN Per-hsin et a1. Low vo1tage c1ass C SiGe microwave power HBTs［J］.半導體學報，2001，22（9）：1188-1190.

［5］虞麗生.半導體異質結物理 （第二版）［M］.北京：科學出版社，2006：65-106.

［6］胡輝勇.微波功率SiGe HBT關鍵技術研究 ［D］.西安：西安電子科技大學，2006：98-130.

［7］劉忠山，楊勇，崔占東，等.新型快速高功率半導體開關器件及其應用技術 ［J］.半導體技術，2010，35（增刊）：40-47.

［8］婁辰，潘宏菽.S波段連續波輸出功率20 W的SiC MESFET［J］.半導體技術，2012，37（5）：355-358.

The Method of Improving the Reliability of Microwave Power Devices

FENG Bin，PAN Hong-shu
（Hebei Semicondutor Research Institute，Shijiazhuang 050051，China）

With the advantages of sma11 size and high re1iab1i1ity，microwave power devices have been wide1y used in microwave communication system，te1emetry system，radar，e1ectronic warface，navigation and other fie1ds.However，the breakdown vo1tage of si1icon microwave bipo1ar power devices is re1ative1y 1ow due to its sha11ow junction and narrow base region，which has caused a certain adverse effect on its high power out put and burn-out resistance.Therefore，the specific measures to improve the reliability of silicon microwave power bipolar devices are studied from the aspects of improving breakdown vo1tage，the design of ba11ast resistance，the design for reducing base resistance，the se1ection of pre-matching and the adoption of wide bandgap semiconductor materia1s，which has important guiding significance to improve the performance and re1iabi1ity of si1icon microwave bipo1ar power devices.

microwave；power transistor；sha11ow junction；ba11ast resistance；breakdown vo1tage；pre-matching

TN 385；TN 323+.4

A

1672-5468（2016）03-0029-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.006

2016-01-12

馮彬 （1982-），男，河北衡水人，河北半導體研究所模型室工程師，碩士，主要從事微波器件LDMOS的建模工作。