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LDMOS（LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor)横向扩散金属氧化物半导体简介80年代以来，迅猛发展的超大规模集成电路技术给高压大电流半导体注入了新的活力，一批新型的声控功放器件诞生了，其中最有代表性的产品就是VDMOS声效应功率晶体管。这种电流垂直流动的双扩散MOS器件是电压控制型器件。在合适的栅极电压的控制下，半导体表面反型，形成导电沟道，于是漏极和源极之间流过适量的电流VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与双极晶体管相比，它的开关速度，开关损耗小；输入阻抗高，驱动功率小；频率特性好；跨导高度线性。特别值得指明出的是，它具有负的温度系数，没有双极功率的二次穿问题，安全工作区大。因此，不论是开关应用还是线性应用，VDMOS都是理想的功率器件。九十年代中后期开始大批量生产LDMOS,作为微波低端大功率(20W以上)器件的主流技术,2.4GHz以下输出峰值可达到200W以上,年产量超过4亿美元。与传统的双极型晶体管相比,LDMOS器件在2.4GHz以下频段时,增益、线性度、开关性能、散热性能、价格等方面都有着明显的优势。今后LDMOS将向更高频率、更低成本方向发展,见表1。现在，VDMOS器件已广泛应用于各种领域，包括电机调速、逆变器、不间熠电源、开关电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。由于VDMOS的性能价格比已优于比极功率器件，它在功率器件市声中的份额已达42%。并将继续上升。世界各大半导体厂商如Freescale公司(占全球市场60%)、Philips公司(占全球市场25%)、Infineon公司以及STM公司等竞相研究与开发。LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor；横向扩散金属氧化物半导体)是为900MHz蜂窝电话技术开发的，蜂窝通信市场的不断增长保证了LDMOS晶体管的应用，也使得LDMOS的技术不断成熟，成本不断降低，因此今后在多数情况下它将取代双极型晶体管技术。与双极型晶体管相比,LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可达14dB以上，而双极型晶体管在5~6dB,采用LDMOS管的PA模块的增益可达60dB左右。这表明对于相同的输出功率需要更少的器件，从而增大功放的可靠性。LDMOS能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比，能在较高的反射功率下运行而没有破坏LDMOS设备；它较能承受输入信号的过激励和适合发射数字信号，因为它有高级的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波数字信号放大且失真较小。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平到饱和区，不像双极型晶体管那样互调电平高且随着功率电平的增加而变化。这种主要特性允许LDMOS晶体管执行高于双极型晶体管二倍的功率，且线性较好。LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数，因此可以防止热耗散的影响。这种温度稳定性允许幅值变化只有0.1dB，而在有相同的输入电平的情况下，双极型晶体管幅值变化从0.5~0.6dB,且通常需要温度补偿电路。LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。1971年Y.Tarui等人提出了横向双扩散MOS的结构。1976年M.J.Declerq和J.D.Plummer采用这种方案，做出了第一个LDMOS。LDMOS器件结构如图1所示，LDMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源/漏区域相继两次进行硼磷扩散，一次注入浓度较大（典型注入剂量1015cm-2）的砷（As），另一次注入浓度较小（典型剂量1013cm-2）的硼（B）。注入之后再进行一个高温推进过程，由于硼扩散比砷快，所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远（图中P阱），形成一个有浓度梯度的沟道，它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。在有源区和漏区之间有一个高阻层，称为漂移区。高阻漂移区的存在提高了击穿电压，并减小了漏、源两极之间的寄生电容，有利于提高频率特性。同时，漂移区在沟道和漏之间起缓冲作用，削弱了LDMOS的短沟道效应。由于VDS的绝大部分降落在漂移区上，因此在沟道夹断后，基本上没有沟道的长度调制效应。当VDS增大的时候，输出电阻不会降低，沟道区也不易穿通，从而LDMOS的击穿电压不受沟道长度和掺杂水平的限制，可以进行独立的设计。LDMOS中的漂移区是该类器件设计的关键，漂移区的杂质浓度比较低，因此，当LDMOS接高压时，漂移区由于是高阻，能够承受更高的电压。图1所示LDMOS的多晶扩展到漂移区的场氧上面，充当场极板，会弱化漂移区的表面电场，有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关。要使场极板能充分发挥作用，一要设计好SiO2层的厚度，二要设计好场极板的长度。LDMOS在工艺上很容易实现0.4一2µm的沟道长度，故跨导gm、漏极电流IDS、最高工作频率ft和速度都比一般的MOS有较大幅度的提高。80代初研制出了150MHz输出17W、增益12.3dB和450MHz输出11w、增益7.4dB的LDMOS及沟道长度2µm在1.IGHz下连续波输出22w、增益8.5dB、漏极效率达51%的LDMOS。80年代末，研究者们利用RESURF原理，对LDMOS进行优化设计，出现了LDMOS的不同结构。其努力的方向是降低Ron及CGs，CGD，CDs，提高击穿电压BVDSS，并分析研究了栅电阻对器件微波性能的影响。在LDMOS的研究过程中，研究者们发现，限制器件增益和效率的主要因素是沟道长度、源极接地电感和栅电阻。到了90年代，由于器件结构和工艺技术的改进，使得LDMOS性能有了飞跃性的发展，实现了L波段大功率输出，并在P波段、L波段形成了规模化、系列化产品，广泛用于军事装备、通信及民用领域。从90年代初开始，微波LDMOS向着自对准亚微米沟道发展，同时采用难熔金属栅或硅化物栅减小栅RC时间常数，并采用p+衬底代替原来的p-衬底。1992年研制出了高效率的靠电池供电移动通信用的低压MO栅LDMOS，其沟道长度为0.8µm，在6v工作时1.5GHz下输出2w，增益5dB，漏极效率达65%，功率附加效率为55%。1994年又研制出了在1.SGHz下连续波输出35W，增益13dB，漏极效率50%的微波功率LDMOS。到1996年，Motorola的AlanWood等人研制出了2GHz下连续波输出60w的高性能的微波功率LDMOS，其增益为11dB，漏极效率为44%。1998年又报道了采用推挽结构实现了2GHz下连续波输出120w，增益10.6dB，漏极效率42%的微波功率LDMOS，而且显示了良好的线性。1999年3月Ericsson公司也推出了系列化的高性能的L波段微波功率LDMOS产品PTE系列和PTF系列，1.2一1.4GHz，输出125w;其增益和效率均高于Motorola的产品。进入21世纪，为了提高LDMOS的特性，以飞思卡尔(原Motorola)，Ericsson(爱立信)，Philips以及瑞典的Uppsala大学等为首的专家学者和工程技术人员不断对LDMOS结构(沟道长度、LDD区结构、源极接地电感、源电阻和栅电阻)进行优化设计，并取得大量的成果，研制出3GHz输出1W的LDMOS。目前飞思卡尔正在开发第7代LDMOS产品B。第七代产品使用经济高效的超模压塑料封装和金属陶瓷封装(采用飞思卡尔低热阻(LowRth技术)来提高功率，降低成本。飞利浦己发展到第五代LDMOS，生产的盯功率晶体管栅长只有0.4µm，四层金属镀膜，其推出的BLFSG22一100，增益达到17dB。微波功率LDMOS仍在向着更高频率、更大功率方向发展。发展现状目前，LDMOS已经发展到比较成熟的阶段，国外各大公司都有多种LDMOS产品面世，满足从300MHz~3GHz各个频段，各种功率的需求。Motorola公司生产多种LDMOS产品。MRF282、284、286系列产品，在2GHz下对三个器件分别输入0.5、2.4、4.75W的功率，各器件相应的峰值包络功率为10、30、60W。MRF1507是GSM基站用的900MHz的LDMOS晶体管，是宽带通信和工业应用的一种低成本产品。MRF1507在520MHz下输出功率为5W，增益为10dB，效率为63%，在7.5v直流供电便携式FM(频率调制)装置中用作UHF、VHF功率放大器特别适合。目前，Motorola公司已经推出了针对GSM、EDGE、CDMA和W-CDMA基站放大器应用的第六代LDMOS产品。第六代射频LDMOS技术的热性能也达到了业界领先。例如，125W(P1dB)器件的热阻达到了0.4℃/w。正在开发的第七代LDMOS产品使用经济高效的超模压塑料封装和金属陶瓷封装(采用飞思卡尔低热阻(LowRth技术)来提高功率，降低成本。Ericsson公司是生产LDMOS产品的主要厂商之一。相继研制出了工作于1.8-2.0GHz的增强型LDMOS器件PTF10120和工作在2.1-2.17GHz的LDMOS器件PTF10134。PTFIO120型产品包含四个芯片并安装推挽结构，输入输出端口设有内匹配电路。在1.8-2.0GHz的频率范围内，具有120W的峰值包络功率，功率增益10.5dB。PTF10134是适用于PCS基站的金一金属化LDMOS晶体管。在2.1-2.17GHz的WCDMA中可提供100W的峰值包络功率，1dB压缩点的输出功率是110W。此外，Ericsson公司推出了系列可以满足CDMA和WCDMA的线性和峰值功率需求的大功率LDMOS器件。它采用全金金属化和氮化硅钝化层，使用周期长，可靠性高。Philips公司推出了1030-l090MHz频率范围内输出功率200W，增益14dB，效率大于40%的LDMOS产品。Philips公司生产的BLF0810一180LDMos晶体管用于CDMA蜂窝电话基站。与其他同类产品相比，该技术使用更少数量的元件设计出封装尺寸更小、性能更高的晶体管。此外，这些晶体管采用双层金属化和金线间连接技术，使得其平均无故障时间(MTBF)提高8一10倍。飞利浦已发展到第五代LDMOS，生产的盯功率晶体管栅长只有0.4µm，四层金属镀膜，其推出的BLFSG22-100，增益达到17dB。与国外大的半导体厂商相比，国内LDMOS研究起步较晚，加上现有工艺条件不是很成熟，与国外差距较大，目前还处于探索研制阶段。仅有个别高校或研究机构针对LDMOS进行理论的研究和器件结构上的调整，很少有真正立足于实现产品化而进行研究的。对于微波功率应用的LDMOS，中国电子科技集团公司第十三研究所针对未来军事装备的需求进行了初步设计和研制，于2003年3月报道了采用Mo栅工艺研制出的1GHz连续输出30W、增益11dB、漏极效率60%、IMD3为-30dB的LDMOS器件。2005年5月报道了10Hz连续波输出60w、1oow的LDMOS器件,100W的LDMOS器件增益10.5dB，漏极效率57.6%。国内其他研究机构鲜有器件性能报道。阈值电压阈值电压Vgs(th)定义为使半导体表面为反型层时栅上所需加的电压。它由三部份组成：（1）栅上首先需加电压VFB（平带电压）使半导体表面能带是平的；（2）若要表面反型则半导体能带应有2qφFB的弯曲，其中qφFB是体内费米能级到禁带中央的距离，故栅上还应再加qφFB的电压；（3）能带弯曲qφFB对应着表面反型层到体内有一过渡的耗尽层，此耗尽层有一负的电荷面密度，这个负电荷需由栅上相应的正电荷来屏蔽，因此氧化层上又需再加一个电压Q/Cox，综上所述，得到阈值电压：图2-4是射频功率LDMOS器件在漏极偏压为10V，Id＝100μA（6.06×10-10A?μm）时的转移特性曲线，可知射频功率LDMOS器件的阈值电压为3.1V。LDMOS的I-V特性源电位为零，不同VGs下典型LDMOSFET的电流-电压特性(VDS代表漏源电压，IDS代表漏源电流)，共分为六个区域:1)截止区，在