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高频大功率VDMOS场效应晶体管 高频大功率VDMOS场效应晶体管 郎秀兰,刘英坤,王占利 (电子十三所,河北石家庄050051) 摘要:采用Mo栅工艺技术和n沟道增强型VDMOS结构,研制出了在95~105MHz,脉宽P=501as,占空 LtD=5%的条件下,输出功率PD≥600W,共源结构输出功率选600W的高性能VDMOSFET 关键词:高频高功率:M0栅工艺;VDMOSFET 中图分类号:TN386.1文献标识码:A文章编号:1003-353(2001)01-0034-03 HighfrequencyhighpowerVDMOSFET LANGXiu-Ian.LIUYing-kun,WANGZhan-li (Thet3ResearchInstitute.MinistryofII,Shijia~huang050051,China) Abstract:Ahighperformance,highpowerVDMOSFEThasbeendevelopedbyMogateandn- channelenhancementverticaldouble—diffusedtechnologies.Thedevicecandeliverontpntpowerof 600Wat95to105MHz,Pw=50~tsDF=5%inacommonsourcepush.pullconfiguration- Keywords:highfrequency;highPower;Mogatetechnology;VDMOSFET 1引言 VDMOS场效应晶体管由于具有输入阻抗高, 负温度系数易于并联输出大功率【1,在低频段逐渐 成为功率器件发展的主流.国外许多大公司竞相开 发研制,并推出系列化的产品.在大功率方面代表 最高水平的是Motorola公司的产品MRF157,该 器件在80MHz时,连续波输出功率600W.国内 由于设备,原材料,工艺水平等方面的限制,高频 功率VDMOSFET的研制和生产水平与国外差距较 大.本文介绍我们所研制的VDMOS场效应晶体 管,采用难熔金属Mo作栅电极,共源平衡推挽结 构,在95～105MHz,P=50~ts,D=5%的条件 下实现了脉冲输出功率600W. 2器件设计与制造 该器件的难度在于高频条件下如何实现大功率 输出.主要从以下几个方面考虑: 2.1增益 由晶体管的基本理论可知,提高增益主要是 34半导仕技术摹26卷摹i期 提高和减小寄生参数.采用n沟道增强型VDMOS 结构,较高的对位精度减小寄生参量,lt;100gt;晶 向,加强工艺质量控制提高载流子迁移率,选取合 适的材料,沟道长度和栅氧化层厚度,采用Mo金 属栅电极减小栅电阻,提高晶体管的频率性能. 2.2输出功率 MOSFET的最大输出功率可以近似表示为: P0一 =1/2×J ～ (VDD--)(1) 提高输出功率的主要途径是增大,…和.., 并减小和热阻.提高. 主要是增加栅宽Z,优 化确定材料参数以得到晟大电流能力和击穿电压. V是等效射频饱和压降,减小V.是通过提高频 率性能和减小直流导通电阻月来实现. 2.3k的选取 为提高频率性能和输出功率能力,减小寄生 参量和导通电阻,采用梳状结构,图1是VDMOS 器件的纵向结构.其导通电阻可表示为: R. =R+ +R.h +R. +J+R 州 +Rb+R. (2) 二oo一年一局 其中,R+:源I1区电阻:尺h:沟道电阻: 尺:积累层电阻;RJ:寄生JFET电阻:尺.: 高阻外延层电阻;R:衬底电阻;R:接触电 阻. 图1VDMOS纵向结构 L.VDMOSFET向结构设计的关键参数之 一 ,它对R,R,R.均有影响,而且对R的 影响最显着.B.J.BALIGA在MODERNPOWER DEVICES中计算了L.对导通电阻的影响,如 图2所示. 自 0 鲁 g 臣 删 睦 : 图2单位面积导通电阻睫k的变化 图中电阻单位为milli一~/cm2,因此为实现最 小R必须对L进行优化设计,选取最佳值. 另外根据M0HANMEDNDARWISH等人的研 究I,VDMOS最大电流主要受制于高场下载流 子饱和速度v,I1一区掺杂浓度,P一阱的间距b (bo=L一2x一2W).当栅压足够大时,最大电 流可近似表示为ID=qn.Vb.z,b.为P一阱的最小间 距,为载流子饱和时的浓度.在VDMOS器件 设计中,要解决的关键问题之一就是L的选取 LG增大,寄生c..增加,器件增益降低.L.减小, 月中月分量迅速增加,最大电流减小.综合考 虑选取Lo=73Bin. January2OOl 2.4栅电极 常规VDMOS制作过程中,一般用多晶硅,但 多晶硅的薄层电阻较大(20—30Q/cm),一方 面导致栅RC时间常