高压抗辐射横向扩散金属氧化物半导体的设计与研究

针对宇航级功率集成电路中横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件抗单粒子辐射性能低的问题,开展了高压LDMOS抗单粒子效应加固技术的研究,采用重掺杂P+well及漏区缓冲层结构设计了一种耐压为60 V的N型LDMOS器件。利用TCAD软件对重掺杂P+well及漏区缓冲层结构的加固机理进行仿真分析,并对回片器件利用Ta离子(线性能量转移,LET=79.2 MeV·cm^(2)/mg)进行辐照试验验证,结果表明,提高Pwell掺杂浓度和采用缓冲层结构可将高压LDMOS器件抗单粒子烧毁电压提升至60 V。

垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管电学法热阻测试中测试电流的研究

本文针对垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件电学法热阻测试的关键参数——测试电流的影响因素进行研究,测试电流选择恰当与否是热阻测试的先决条件。通过理论分析和三款典型垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的试验验证,得出一种通过测试电流自升温、测试延迟时间及校温曲线这3个方面有效确定垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件电学法热阻测试时测试电流的方法。

金属氧化物半导体气敏特性的研究──（Ⅱ）理论研究（续一）

本文介绍金属氧化物气敏特性研究的概况，以及我们最近完成的两个理论框架：①反应动力学理论；②扩散反应理论．

高功率微波作用下半导体器件失效和防护分析

高功率微波(HPM)通过直接或间接耦合产生的电热效应会干扰电子通信设备的工作,甚至造成不可逆转的损伤或损毁。总结了在高功率微波作用下器件失效性分析和高功率微波防护的国内外研究进展;求解了横向扩散金属氧化物场效应管(LDMOSFET)、异质结双极型晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率脉冲注入下的电热应力场分布以及阈值功率;提出了用瞬态稳压抑制器(TVS)二极管设计微波防护电路的方法。最后分析了当前研究的局限性以及后续研究方向,为电路系统的设计和安全性评估提供参考。

基于有限元方法的半导体器件电-热分析

随着微电子技术的迅猛发展,各种微电子设备获得了空前广泛的应用,电子系统对电磁干扰的敏感程度也随之增加。在电磁脉冲的影响下,电子系统中的晶体管会发生电、热击穿,因此,半导体器件的可靠性日益成为电磁兼容性领域的关键问题。为了研究半导体器件在常见电磁脉冲影响下的可靠性问题,本文采用了一种混合时域有限元方法,对半导体器件进行综合的电-热分析,通过计算机仿真数值求解半导体物理方程和热力学方程,获得在电磁脉冲下半导体器件内部的温度分布情况。从仿真结果可以看到,半导体器件在电磁脉冲作用下会产生严重的热效应,内部温度甚至能达到材料熔点。因而,在电子系统设计中必须采用相应的技术对半导体器件进行电磁防护。

金属诱导非晶硅(横向)结晶的扩散诱导模型

为了能定性定量解释金属诱导非晶硅薄膜结晶实验中所遇到的一系列现象 ,提出一套扩散诱导结晶模型 。

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET),在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上,提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS).这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题,使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿,而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用,提高N型缓冲层浓度,从而降低了器件的比导通电阻.利用三维仿真软件ISE分析表明,在漂移区长度均为10μm的情况下,P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右,较文献提出的N型缓冲层SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.

GGNMOS叉指宽度与金属布线对ESD防护性能的影响

栅接地NMOS(GGNMOS)器件具有与CMOS工艺兼容的制造优势,广泛用于静电放电(ESD)保护。鉴于目前GGNMOS的叉指宽度、叉指数及金属布线方式等外部因素对ESD鲁棒性的影响研究较少,设计了不同的实验对此开展对比分析。首先,基于0.5μm Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺设计并制备了一系列GGNMOS待测器件;其次,通过传输线脉冲测试,分析了叉指宽度与叉指数对GGNMOS器件ESD失效电流(It2)的影响,结果表明,在固定总宽度下适当减小叉指宽度有利于提高It2;最后,比较了平行式与交错式两种金属布线方案对It2的影响,结果表明,平行式金属布线下GGNMOS器件的ESD鲁棒性更好。

960~1400 MHz宽带功率放大器设计

基于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件,研制了一款应用于L波段的宽带射频功率放大器。该放大器共由2级放大级联组成,为了实现宽带以及良好的输出驻波,末级功放采用平衡式拓扑电路结构;级间匹配网络使用微带线及电容混合匹配方法实现宽带匹配。最终实测数据如下:频率覆盖0.96 GHz~1.4 GHz,功放整体输出功率达到50 dBm(100 W),功率增益大于30 dB,效率大于45%。功率回退8 dB,输出功率42 dBm时,邻信道功率比(ACPR)为-40 dBC。指标表明功放模块能够很好地应用于雷达和无线通信发射机中。

SiC功率LDMOS器件发展现状及新进展

集成化和小型化是未来电力电子技术的发展方向,SiC-横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件兼有SiC材料优势和LDMOS器件优势,击穿电压高、比导通电阻低、易与其他器件集成,在单片功率集成和小型化应用中起着重要的作用,但受限于晶圆材料和部分工艺加工技术而发展有限。综述了国内外SiC晶圆材料和SiC-LDMOS器件结构的发展现状,着重从衬底材料、晶体取向和器件结构优化方面阐述了SiC-LDMOS的研究进展,指出了SiC-LDMOS全面发展的瓶颈所在,展望了未来SiC-LDMOS的发展方向。

阶梯氧化层新型折叠硅横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需的低功耗横向功率器件,提出了一种具有阶梯氧化层折叠硅横向双扩散金属-氧化物-半导体(step oxide folding LDMOS,SOFLDMOS)新结构.这种结构将阶梯氧化层覆盖在具有周期分布的折叠硅表面,利用阶梯氧化层的电场调制效应,通过在表面电场分布中引入新的电场峰而使表面电场分布均匀,提高了器件的耐压范围,解决了文献提出的折叠积累型横向双扩散金属-氧化物-半导体器件击穿电压受限的问题.通过三维仿真软件ISE分析获得,SOFLDMOS结构打破了硅的极限关系,充分利用了电场调制效应、多数载流子积累和硅表面导电区倍增效应,漏极饱和电流比一般LDMOS提高3.4倍左右,可以在62 V左右的反向击穿电压条件下,获得0.74 mΩ·cm^2超低的比导通电阻,远低于传统LDMOS相同击穿电压下2.0 mΩ·cm^2比导通电阻,为实现低压功率集成电路对低功耗横向功率器件的要求提供了一种可选的方案.

沟槽栅功率器件栅氧化膜特性的工艺研究

本文分析了沟槽栅功率器件中对栅氧化膜特性造成影响的主要工艺因素,报告了一种获得高性能栅氧特性的方法,并且对栅氧化膜特性改善的机理进行了研究。对于厚度55nm的沟槽栅氧化膜,其正向偏置和反向偏置下的击穿电压都高于30伏特。

Si/SiC超结LDMOSFET的短路和温度特性

Si/SiC超结横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(SJ-LDMOSFET)能有效改善Si SJ-LDMOSFET阻断电压低、温度特性差和短路可靠性低的问题。采用TCAD软件对Si SJ-LDMOSFET和Si/SiC SJ-LDMOSFET的短路和温度特性进行研究。当环境温度从300 K上升到400 K时,Si/SiC SJ-LDMOSFET内部最高温度均低于Si SJ-LDMOSFET,表现出良好的抑制自热效应的能力;Si/SiC SJ-LDMOSFET的击穿电压基本保持不变,且饱和电流退化率较低。发生短路时,Si/SiC SJ-LDMOSFET内部最高温度上升率要明显小于Si SJ-LDMOSFET。在环境温度为300 K和400 K时,Si/SiC SJ-LDMOSFET的短路维持时间相对于Si SJ-LDMOSFET分别增加了230%和266.7%。研究结果显示Si/SiC SJ-LDMOSFET在高温下具有更好的温度稳定性和抗短路能力,适用于高温、高压和高短路可靠性要求的环境中。

高压LDMOS场极板的分析与设计

场板是高压LDMOS中普遍使用的一种结终端技术,对单阶梯LDMOS场板的长度、其下方氧化层厚度以及场氧侵蚀厚度等参数进行了模拟和分析,在此基础上设计了一种新型体硅双阶梯场板LDMOS,并对其具体参数进行了细致的模拟和分析。模拟结果表明,双阶梯场板LDMOS的击穿电压比单阶梯场板LDMOS提高了15.3%,导通电阻降低了17.1%,电流驱动能力也提高了8.5%。

LDMOS微波功率放大器分析与设计

在对晶体管绝对稳定性分析的基础上,根据负载牵引得到的晶体管的输入输出阻抗运用共轭匹配,成功设计出2级LDMOS微波功率放大器,P-1大于45 dBm,在1580-1650 MHz功率增益30 dB以上,PAE大于30％。同时,得到了最终的版图并且运用MOMENTUM对它进行了2．5D仿真,得到了理想的结果。

新型的功率器件——射频LDMOS

射频LDMOS功率器件与普通双极型功率器件相比,结构合理、增益高、热稳定性好、性价比高,广泛应用于通信、广播、航空、军事电子等领域。文中对射频LDMOS功率器件的发展趋势、应用前景及主要性能作了较详细的分析,通过实验得出结论,LDMOS功率器件可用于固态发射机中。

一种高频E类功率放大器设计方法

E类功率放大器（PA）具有设计简单和高效率的优点,然而频率较高时功率管的寄生输出电容大于E类功率放大器所需的电容,这个寄生输出电容导致E类功率放大器的效率降低。提出一种高频E类功率放大器的设计方法,使用负载牵引得到考虑寄生输出电容后的最佳负载阻抗,再结合谐波阻抗控制方法设计E类功率放大器。采用飞思卡尔的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）功率管MRF21010设计了一款工作在930~960 MHz的E类功率放大器。测试数据表明,该功率放大器的输出功率为36.8 d Bm（4.79 W）,具有79.4%的功率附加效率。

F类Doherty功率放大器的设计

为了满足新一代基站对功率放大器效率的要求,将开关F类功率放大器与Doherty理论相结合,并从实际应用考虑,采用LDMOS管研制了一款应用于FDD-LTE基站的高效率功率放大器,并将其与数字预失真系统结合。实测结果显示,设计的功放小信号增益为15dB左右,整个6dB回退范围内的功率附加效率大于42%,经过数字预失真系统纠正后的ACLR达-60dBc@5MHz,基本实现了高效率和高线性度的设计要求。

基于双匹配的高效大功率Doherty功率放大器

针对Doherty功率放大器传统设计方法的不足,提出了一种双匹配设计技术,并给出了实现方法。基于LDMOS器件,用该方法设计了一款饱和功率为55 dBm的Doherty放大器。仿真结果显示,与未采用双匹配法相比,该Doherty放大器的效率改善更好。功率附加效率在6 dB回退点比平衡式放大器改善15%,在回退约8 dB的区间上,整体效率都在40%以上。实测结果表明,该放大器增益约12 dB,在输出回退6 dB的区间上,功率附加效率改善10%。

S波段宽带微波固态功率放大器的设计

微波功率放大器是发射机的重要组件,它的设计成了微波发射系统的关键.文中使用ADS仿真软件对一款功率放大器进行电路设计和仿真,根据晶体管的小信号S参数和I-V曲线,对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化设计,使其性能达到设计要求.在2～2.5GHz的频段内,对输入功率为0dBm射频信号,使用功放模块可以输出40dBm的射频信号,带内波动≤±1.5dB.