改善微波功率器件可靠性的方法

冯彬，潘宏菽

（河北半导体研究所，河北　石家庄　050051）



改善微波功率器件可靠性的方法

冯彬，潘宏菽

（河北半导体研究所，河北石家庄050051）

微波功率器件因其具有体积小、可靠性高等优点而被广泛地运用在了微波通讯系统、遥测系统、雷达、电子对抗和导航等领域。但是，由于硅微波双极功率器件的结比较浅、基区比较窄，因而其击穿电压往往较低，从而对器件的大功率输出和抗烧毁能力造成了一定的不利影响。因此，从提高击空电压、镇流电阻设计、降低基区电阻设计、预匹配的选择和宽带半导体材料的采用等方面对提高硅微波双极功率器件的可靠性的具体措施进行了研究，对于改善硅微波双极功率器件的性能、提高其可靠性具有重要的指导意义。

微波；功率晶体管；浅结；镇流电阻；击穿电压；预匹配

0　引言

导通电阻低、输出功率大的特点使得双极功率器件在功率电子和微波大功率等方面得到了广泛的应用，虽然随着金属-氧化物-半导体 （MOS： Meta1-Oxide-Semiconductor）器件的不断进步，出现了代替双极器件的趋势，但是，MOS器件导通损耗随功率的增大而增加的问题，限制了其应用范围。由于硅微波双极功率器件的结比较浅 （一般在亚微米量级）、基区比较窄，因而造成了其击穿电压低，对器件的大功率输出和抗烧毁能力不利。提高硅双极微波功率器件的击穿电压和电流能力，是提升器件的性能的主要措施，目前看主要是采用适宜的结终端技术来提高器件的击穿电压，采用优化器件结构、降低器件饱和压降、提高器件二次击穿耐量来提高器件的电流能力和抗烧毁能力。但是，由于Si的本征击穿电压明显地低于宽禁带材料SiC的本征击空电压，加之SiC的饱和电子漂移速度要比Si的高出一倍左右，故在高工作电压和微波功率方面，SiC器件展现出了诱人的前景。加之其高温工作的特点、较高的功率密度和加工工艺基本与硅工艺类似，故在大功率、小体积、轻重量和高温工作等方面，SiC功率器件展现出了突出的优势。

1　提高击穿电压的设计

微波功率器件的电性能指标与可靠性指标往往是矛盾的，这就要求设计和工艺人员必须将两者综合起来进行考虑，在提高器件可靠性的同时，又要提高器件的电性能。对于微波功率器件来说，提高击穿电压不能严重地影响器件的微波性能，以往常采用场限环等技术来实现这一目的，场限环示意图如图1所示。但是，随着器件工作频率的提高，器件的结深变得越来越浅，场限环的作用无法充分地显现，容易出现击穿电压偏低的问题，例如：某工作在2.4 GHz下的硅双极功率器件，工作电压要求为30 V，器件的功率增益要求不低于6 dB，器件采用了低硼场限环作为提高其击穿电压的措施之一，但80%左右的器件的击穿电压却处在50 V以下，主要原因就是随着器件的结深变得越来越浅，低硼基区深度无法达到场限环进一步扩展表面耗尽区的目的，从而导致了器件低击穿现象的出现。

为了避免发生上述问题，同时也为了不对器件的频率性能产生严重的影响，在器件的主结上采用了浅结工艺，并在结终端采用了深结技术，使终端结曲率的半径增大，从而避免了结终端的电场集中；同时采用了缓变结技术，使得器件的击穿电压得到了明显的提高［1］，击穿电压高于50 V的达60%以上。为了证实其对器件频率性能的副作用是否严重，在同样的网状发射极结构下，在工作频率为3.4 GHz左右的器件中采用深的缓变结终端设计进行工艺流片，经微波测试后发现，器件的功率增益不但没有降低，还提高了约1.5 dB，器件的增益大于7.5 dB，从而证明了此方法的适用性，同时也为器件可靠性的提高奠定了基础。

图1　场限环示意图

2　镇流电阻的分析与选择

双极功率晶体管由于发射结结电流为正温度数，即随着温度的升高，器件的注入电流会增大，而电流增大又会导致温度进一步地升高，形成恶性循环，出现“热奔”现象，最终烧毁器件。为了避免电流的进一步增大，在有源区旁边引入发射极镇流电阻的设计，其结构示意图如图2所示，同时为了避免管芯中部局部过热首先造成烧毁，设计中也采用了非等值镇流电阻设计［2］。但是，随着精细光刻要求的不断提高，发射极镇流电阻的位置不断地缩小，大功率的要求会导致电流通过镇流电阻的密度不断地提高，因而常会发现镇流电阻被严重地烧毁。为了缓解此矛盾，多数双极功率器件将一个镇流电阻对应一个发射极条的设计改为了2个甚至多个发射极条靠一个镇流电阻来镇流，这在一定程度上实际是牺牲了镇流电阻的镇流效果。克服其缺憾的措施主要有2种：1）采用发射极垂直镇流；2）重新设计镇流电阻的版图，让通过镇流电阻的电流密度减小，即增大镇流电阻的电流通过能力。前者会引起工艺较大的变动，而后者则能维持原有的工艺水准，只是在版图设计上进行改进。通过优化设计，在一个发射极条对应一个镇流电阻的前提下，且当器件的镇流电阻值相同时，改进后的设计版图流过镇流电阻的电流密度可降低1倍左右，提高了镇流电阻的电流通过能力，保证了镇流电阻在更大的电流下工作，避免了镇流电阻的过早烧毁。此外，将此设计应用到硅双极微波脉冲大功率器件的3.1～3.5 GHz频段当中，也取得了良好的效果，证明了其非但对S波段中高频带工作的硅大功率器件的微波性能没有明显的负面影响，还能进一步地提高器件的性能。

图2　镇流电阻

3　外基区掺杂浓度的考虑

在硅双极微波功率晶体管中，为了缩短载流子的渡越时间，提高器件的频率性能，在设计和工艺上均采用了浅结、窄基区结构；为了提高发射极的发射效率，基区的掺杂浓度又不能过高，因而容易造成基区横向电阻增大，进而加剧发射极电流集边或集中效应的发生，最终导致功率分布不均匀，即便有发射极镇流电阻，此类效应也无法消除，控制不好还会造成晶体管的高频增益下降。为此，在实际的硅工艺中为了减小外基区电阻，常采用外基区高硼扩散或注入掺杂，这在一定程度上也可避免双极器件的二次击穿过早地出现［4］。当然，目前回避掺杂方法制作器件的弊端的最好方法就是采用能带工程，例如：采用锗硅异质结结构，其基区浓度可以做得比较高［4-6］，但又不会影响发射极的发射效率，因而其可以大大地降低发射极电流集边或集中效应发生的概率，而且其工艺方法与目前的硅工艺基本兼容。

4　预匹配结构的采用

硅双极微波大功率器件由于其输入、输出阻抗很低，难以直接应用到50 Ω的微波系统中，因此，目前硅微波功率器件普遍采用预匹配结构进行阻抗转换，如图3所示。通过阻抗变换，使得晶体管的输入阻抗变为与50 Ω接近的特性阻抗。加内匹配网络后，低的晶体管内阻转化为高的输入阻抗，在一定程度上提高了器件的功率均分，并可适当地避免功率器件被烧毁，这对大功率器件是有利的。应当指出的是，匹配网络的加入会使工艺的复杂性和难度增加，并且由于器件的整体可靠性与匹配网络密切相关，因此，如果控制不好，则会对器件的可靠性形成较大的威胁。若要避免此问题，从目前来看，则可采用宽禁带半导体材料，例如：采用SiC来进行器件研制，由于其输入阻抗相对较高，因而可以简化或不用预匹配网络，从而降低了器件制作的复杂程度，同时还可以大大地减小器件的体积和重量，加之SiC材料具有高热导率、高功率密度、高电子饱和速度、高漂移速度和高击穿电场强度等特点，故其在高频乃至微波大功率领域都有十分广泛的应用前景。采用SiC研制的器件的功率增益和功率附加效率较Si器件都有显著的提高，并实现了小体积和低重量的目标。同样在2 GHz连续波输出10 W状态下工作的Si功率器件与SiC功率器件的主要参数的对比情况如表1所示，其中：Gp为器件的功率增益，PAE为器件的功率附件效率，V为器件的体积，W为器件的重量。

表1　2 GHz连续波输出10 W功率晶体管主要参数比较

经过进一步的努力，采用新的版图设计和优化后的工艺，又实现了2 GHz下连续波状态下输出功率大于20 W的SiC微波单胞功率器件，具体测试结果是其输入功率为31 dBm（1.26 W）时，输出功率达43.23 dBm（21.04 W），Gp为12.23 dB，PAE为30.8%；当输入功率达33 dBm时，输出功率可达43.46 dBm（22.18 W），PAE大于31%，器件的小信号增益大于15 dB［7-8］，较同频段的硅双极器件有明显的优势。

图3　预匹配示意图

可以看出SiC功率器件无论是在器件的电性能还是在器件的体积、重量等方面都比Si器件显示出了可观的优势，随着宽禁带技术的不断完善，高性能的微波大功率器件将会不断地涌现。

5　结束语

本文从击穿电压提高、镇流电阻设计、降低外基区电阻设计、预匹配的选择和宽禁带半导体材料的采用等方面对提高Si微波双极大功率晶体管的电性能和可靠性的具体措施进行了研究，通过分析发现，提高微波功率器件的性能不但要提高器件的击穿电压还要提高器件的功率均分能力、电流通过能力和微波系统的匹配能力，不能只考虑一方面而忽视另一方面；此外，从以上对比结果还可以看出采用新型半导体材料SiC能够在一定程度上弥补Si微波器件的不足。相信随着新材料、新工艺和新技术的采用，微波功率器件定能在大功率和可靠性方面取得突破性的进展。

［1］黄忠升，潘宏菽.提高微波功率晶体管击穿电压研究［J］.半导体技术，1996，21（5）：22-26.

［2］高光渤.微波功率晶体管发射极不均匀镇流电阻的设计研究 ［J］.半导体技术，1978，3（4）：1-9.

［3］潘宏菽，乔树允，黄忠升.双极大功率晶体管可靠性的提高 ［C］//第十届全国半导体集成电路硅材料学术会论文集 （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］.半导体学报，2001，22（9）：1188-1190.

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［6］胡辉勇.微波功率SiGe HBT关键技术研究 ［D］.西安：西安电子科技大学，2006：98-130.

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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

冯彬 （1982-），男，河北衡水人，河北半导体研究所模型室工程师，硕士，主要从事微波器件LDMOS的建模工作。