硅射频DMOSFET发展现状
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作者:李飞
摘要：本文简单描述了硅射频DMOSFET的优势，介绍了LDMOS和VDMOS的发展概况，对比说明了LDMOS和VDMOS在工作频率、输出功率、功率增益和可靠性等方面各自的优势，并对二者的发展方向和前景进行了讨论。
关键词：硅;射频DMOSFET;发展
0 引言
我国早在20世纪60年代中期就开始了对Si基射频功率晶体管的研究，并且生产出了具有高功率、低成本、加工工艺成熟等特点的BJT器件，之后在移动通讯、雷达等领域应用的射频功率器件一直以BJT器件为主。与此同时，在20世纪70年代，科研人员同样开展了对DMOSFET器件的研究。研究表明，DMOSFET器件有很多优势，如[1]：输入阻抗高，因此驱动电路设计简单;电流温度系数为负，热稳定性好;不受二次击穿影响，安全工作区大;多数载流子导电，不存在少子存储效应，开关速度比BJT高十倍以上;可以多胞简单并联工作，获得较高输出功率。因此，Si基射频功率晶体管的研究方向逐渐由BJT器件向DMOSFET器件转移，尤其进入80年代中期到90年代，Si射频功率BJT器件的发展到达极限[1]，因此Si射频DMOSFET异军突起，逐步占领主导地位，直至今日，Si射频DMOSFET已在民用和军用领域都得到了广泛的应用。
1 射频DMOSFET的发展
射频LDMOSFET
1969年Y Tarui等人[2]最早提出了射频LDMOSFET的结构，如图1所示。与早期MOSFET相比，LDMOSFET在结构和工艺上主要有两点不同：1）沟道与漏极之间有一个比较长LDD区，该区域为N型低掺杂区，作用为提高器件的击穿电压;二是沟道主要由不同元素扩散速率的不同来控制，沟道长度为两次扩散的横向结深差，因此沟道可以做得很小并且不受光刻精度的限制，有利于减小载流子漂移时间，提高器件工作频率，再加上增加总栅宽的措施后，器件的电流也可以做得很大。
90年代以來，无线通信市场不断扩大，射频LDMOS器件在500MHz～2.5GHz频段内的蜂窝无线基站领域内开始广泛应用，超过50%的手机基站市场需要硅射频LDMOS器件技术[3]。蜂窝通信市场的发展使得LDMOS的需求量不断增长，市场竞争促进了LDMOS技术快速的进步。各商家不断地通过结构和工艺技术的改进，以满足高输出功率、宽工作频带、高工作效率、高可靠性、降低系统运行成本等市场要求。
进入21世纪以后，LDMOS技术更是发展迅速。2002年，飞利浦公司推出第三代0.8微米LDMOS技术，其代表产品为BLF3G21-30，工作频率为1800～2200MHz，输出功率30W，工作效率为35%，功率增益为13.5dB，比第二代0.8微米LDMOS技术产品的功率增益要高2dB。
2003年，飞利浦第四代LDMOS技术适用于800MHz到2.2GHz的所有频带，新型0.6um工艺使器件提升了50%的功率密度以及6%的工作效率，功率增益也比第三代技术提高了2dB。另外，第四代LDMOS器件采用多层金属化和金属线间连接技术，提高了器件的可靠性。
2004年第四季度，飞利浦公司推出第五代LDMOS技术，即0.4um工艺技术以及四层金属布线技术，功率密度比第四代高了20%，同时还提高了器件的功率增益和可靠性。到2005年6月，飞思卡尔半导体公司推出第六代高压LDMOS技术，其产品的输出功率从10W到220W，工作效率比前几代产品提高了15%，功率密度提高了50%，部分产品的增益比前几代提高了2dB。同年，恩智浦公司也推出第六代产品，如BLF6G22LS-180PN，工作频率为2000～2200MHz，输出功率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技术，产品覆盖了400～3500MHz整个频率范围。第七代的首款产品为BLF7G22LS-200基站功率晶体管，其工作频率为2110～2170MHz，输出功率200W，增益18.5dB，比上一代产品提高了1dB;工作效率为31%，提高了4个百分点;第七代产品还在工作频率上创下新高，最大工作频率可达3.8GHz。2013年8月，恩智浦公司LDMOS技术已发展到第八代，与第七代相比，功率密度提高了15%，其产品BLF8G22LS在2110～2170MHz频率下，平均输出功率为200W，效率27%以上，增益可达20dB，比上一代提高了1.5%。
随着4G在全球的推广，恩智浦半导体公司继续优化适用于无线基站LDMOS射频功率晶体管，并于2014年6月推出第九代LDMOS产品。第九代产品主要针对的是紧凑、高效和高性能的LTE基站。在Doherty应用中，LDMOS晶体管的性能进一步得到提高，效率提升5%以上。同时，第九代LDMOS技术还针对3.4～3.8GHz下的应用进行优化，功率密度、效率和线性度上得到了提升。
微波VDMOSFET
VDMOSFET结构于1979年由H.W.Collins等人[4]提出。VDMOS的工作原理为，漏极电流经过垂直方向的N-漂移区，抵达栅极下面的积累层，再通过水平沟道流到源极。这种垂直结构的晶体管，工作电压为28V到50V，工作频率可达500MHz，而且热稳定性好，可靠性高，相比于LDMOS来说，工艺更简单，因此VDMOS开始被广泛采用。
1980年以后，VDMOS通过器件结构的改进，使器件在VHF、UHF频段大功率方面的研究有了长足的进步，到80年代中期，形成了连续输出功率从5W到125W的系列化产品。其中最有代表性的产品就是Motorola的MRF154[5]功率晶体管，工作频率在2～100MHz时，连续输出功率为600W，功率增益为16dB，漏极效率为45%，总耗散功率达1350W，在大功率方面硅MOSFET技术几乎达到了极限。到80年代末，实验室研制的VDMOSFET的工作频率最高可达1200-1400MHz，输出功率为16W，功率增益8dB，效率为55%，VSWR为8.6：1。由于结构上的限制，射频VDMOS发展到上世纪90年代时，增益和工作频率的提高遇到瓶颈。因此，相对于LDMOS的高频应用，射频VDMOS一直应用在低频段大功率领域。 直到2008年第四季度，HVVi公司在硅VDMOSFET基本架构的基础上进行新结构的研发创新和组合，推出了HVVFET系列产品，覆盖了L波段的1030～1090、1025～1150、1200～1400MHz等频段，功率增益为15dB到20dB，在同频段的器件中性能达到很高水平，填补了射频VDMOS高频段应用的空白。上表是三种L波段雷达用晶体管的性能比较。
HVVFET器件，采用了屏蔽栅结构，可以把栅长做的很短，同时降低了寄生电容，从而提高了器件的功率增益和工作频率;封装上HVVFET采用倒装焊结构，既有利于散射，又降低了接地电感，进一步提高了器件的工作频率。因此，HVVFET在发挥了VDMOS功率密度大优势的基础上，大幅提高了器件的射频性能，同时HVVFET在部分频率范围内超越了LDMOS。这一时期，HVVFET代表了射频VDMOS器件的最高水平，也代表了射频MOSFET器件发展的最高水平。
2 我国射频DMOSFET的发展
我国DMOS研究起步较晚，与国外大的半导体厂商相比差距较大，目前仍然处于探索研制阶段。国内有关射频功率DMOSFET的报道如下：
LDMOS方面，2010年7月，国内报道成功研制了P波段LDMOSFET，并介绍了主要设计和工艺，通过减小寄生电容和电阻，改善了器件频率性能;通过LDD区场板优化，阻止热载流子效应引起的性能退化。工作频率在480～610MHz，输出功率大于350W，增益大于17dB，漏极效率大于50%[6]。在2011年1月，国内报道了P波段450W硅LDMOS器件的研制结果，在漏源工作电压36V，脉宽20ms，占空比35.7%的测试条件下，485～606MHz全带内输出功率达到450W，增益大于18dB，效率大于60%[7]。
VDMOS方面，1998年11月，国内研制了一款VDMOSFET器件，其采用金属栅降低串联电阻，400MHz下用共源推挽结构成功地进行了并联工作，在50V工作电压下实现了连续波输出功率250W，增益10dB，漏极效率60%[8]。2000年，国内还研制出1GHz下输出功率10W，功率增益为8dB的VDMOS器件[9]，是国内VDMOS器件工作频率的最高水平。大功率方面，2001年报道了一款国内研制的VDMOSFET器件，采用金属栅电极共源平衡推挽结构，在95-105MHz、脉宽50ms、占空比5%的条件下实现了脉冲输出功率600W，增益大于9dB，漏极效率大于50%[10]。
3 射频DMOSFET未来展望
射频LDMOSFET
近几年，伴随着5G的时代浪潮，射频LDMOS的市场占有额受到GaN器件的巨大冲击。凭借着S波段及更高频率上性能的优势，GaN器件已经成为了基站功率技术的重要选择。
尽管受到GaN器件技术的冲击，射频LDMOS器件仍然在L波段及更低的频段上有着广泛的应用，并且仍有新产品研发出来。2019年6月，安谱隆半导体（Ampleon）发布2款产品，BLP9LA25S和BLP5LA55S。这2款13.6V工作的LDMOS器件可用在2MHz至941MHz的整个VHF和UHF频段，分别提供25W和55W输出，在整个工作频率范围内实现了>18dB的增益和>65%的效率，其优异的性能可以减少放大级数，提高稳定性，简化冷却装置，减小系统体积。它们还具有出色的线性度，因此成为陆地集群无线电（TETRA）应用的理想选择，并且它们还能耐受超过65：1电压驻波比（VSWR）的极端失配，能够承受最恶劣的应用环境，因此也非常适用于可靠性要求很高的手持式无线电台。此外，这2款器件采用紧凑的超模压塑料（OMP）TO270封装，体积小、成本低。
可以预见，射频LDMOS在L波段以下的频段仍有很大的市场和应用前景，其竞争力和优化提升方向则是提高稳定性和可靠性、减小体积和重量、不断降低成本，这些是保证LDMOS不断发展必须攻克的难题。
射频VDMOSFET
一直以来射频VDMOS的优势是大功率，应用于1GHz以下车载移动通信、TV发射机、电子对抗、雷达等方面，这些领域对器件的要求主要是宽带大功率和高可靠性。由于HVVFET的出现，使得长期以来发展滞后的射频VDMOS器件看到了新的曙光，新结构的HVVFET在1GHz的频段上的功率增益有着不俗的表现，更高的增益可以减少功率放大器所需器件的级联级数，减小功率放大器的体积。
尽管HVVi公司推出HVVFET之后没有继续推出新的更高频段的产品，但是为射频VDMOS向高频发展提供了路线，其特殊的结构使HVVFET还有很大的提升空间，在发挥其功率密度大的优势的前提下，向更高频率和更大增益方向发展。
我国射频DMOSFET发展展望
射频DMOSFET器件在国内有着巨大的市场，但由于研发技术相对落后，目前主要还是靠进口，制约了国内很多领域的发展。尽管GaN器件市场火热，我们仍然需要重视射频DMOSFET器件的研发和应用，加大投资，加强建设力度，改善工艺条件，引进先进技术，增强射频DMOSFET器件的自主研发能力，以期能够替代国外的同類产品，扭转受制于人的被动局面。射频DMOSFET的发展是有非常重要的经济效益和战略意义的。
参考文献
[1] 刘英坤. 硅微波功率DMOSFET发展现状[J]. 半导体情报， 1999年， 36（6）： 6-11
[2] Tarui T， Hayashi Y， Sekigawa T. Diffusion self-aligned MOST： A new approach for high speed devices. In Proc 1st Conf Solid-State Devices（Tokyo， Japan， 1969） 105-110
[3] Steve Jones， “LDMOS射频晶体管满足2.5G和3G蜂窝基站的新挑战，” Technology & Market， 2003
[4] Collins H W， Pelly B.HEXFET， a new power technology， cutts on-resistance， boots ratings. Electron Des， 1979; 17（12）： 36
[5] RF MOSFET pushes 600W. Microwave & RF， 1985; 24（9）： 180
[6] 郎秀兰， 段雪， 刘英坤， 邓建国， 胡顺欣， 刘忠山， 李明月， 潘茹， 黄雒光， 张晓帆 . P波段350W LDMOS功率管研制[A]. 2010’全国半导体器件技术研讨会论文集[C]. 2010年
[7] 王佃利， 李相光， 严德圣， 丁小明， 刘洪军， 钱伟， 蒋幼泉， 王因生. P波段450W LDMOS功率管研制[J]. 固体电子学研究与进展， 2011年， （1）： 60-64
[8] 刘英坤， 杨增敏， 郎秀兰， 王占利， 何玉樟， 吕仲志， 李勇， 周晓黎. 400MHz 250W VDMOS功率场效应晶体管[J]. 半导体学报， 1998年， 19（11）： 877-880
[9] 祁斌， 刘英坤， 王长河. 1GHz微波功率MOSFET的研究[J]. 半导体技术， 2000年， 25（1）： 22
[10] 郎秀兰， 刘英坤， 王占利. 高频大功率VDMOS场效应晶体管[J]. 半导体技术， 2001年， 26（1）： 34-36
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