基于硅襯底的NPN型超高頻低噪聲晶體管的研制方法

吳貴陽

【摘要】文章從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱學(xué)設(shè)計(jì)以及可靠性設(shè)計(jì)三個(gè)方面分析了基于硅襯底的NPN型超高頻低噪聲晶體管的研制技術(shù)，旨在為研究人員提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參考。

【關(guān)鍵詞】NPN;超高頻低噪聲;晶體管;研制方法

前言

微波集成電路的發(fā)展在不斷更新，主要以小型化、毫米波為主，在體積上要求器件盡可能小，這樣利于使用頻率的進(jìn)一步提高。NPN型硅超高頻低噪聲晶體管是一種微波半導(dǎo)體器件，其特點(diǎn)是：超高頻性好、功率高、噪聲低，被廣泛運(yùn)用在超高頻或直流信號(hào)放大，混頻、變頻或者低噪聲放大的電路中，也可運(yùn)用于星載天線接受信號(hào)的放大等，是各微波通信中的重要組成器件。因此相比通用型產(chǎn)品，超高頻低噪聲晶體管的研制必須有更高要求，文章分析了該器件的主要研制方法，意在給相關(guān)人員提供參考。

NPN型硅超高頻低噪聲晶體管的主要研制方法有：

1.器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縱向結(jié)構(gòu)：根據(jù)放大、耐壓、頻率、噪聲等參數(shù)要求，進(jìn)行材料及擴(kuò)散雜質(zhì)的參數(shù)設(shè)計(jì)，其包含了芯片各層次厚度、襯底片電阻率以及厚度、外延層電阻率及厚度、基區(qū)濃硼區(qū)及淡硼區(qū)的擴(kuò)散表面濃度、發(fā)射結(jié)結(jié)深、多晶發(fā)射極濃度分布等。

橫向參數(shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行管芯版圖設(shè)計(jì)，包含確定芯片面積尺寸，選擇、決定幾何圖形結(jié)構(gòu)，發(fā)射條的條長(zhǎng)、寬度和數(shù)量，基極歐姆接觸條，發(fā)射極邊緣最小間距以及發(fā)射面積，提高周長(zhǎng)面積比等。

熱學(xué)設(shè)計(jì)：最高結(jié)溫和熱阻。器件所有的設(shè)計(jì)均要考慮管芯的安裝以及散熱均勻性等問題。

具體的設(shè)計(jì)步驟為：

（1）按照電學(xué)相關(guān)指標(biāo)的要求以及已有生產(chǎn)水平，加上已有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)晶體管基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)現(xiàn)方案。

（2）應(yīng)用晶體管相關(guān)原理核算并驗(yàn)證初步方案，同時(shí)按需調(diào)整。因?yàn)榇饲按蠖嗬碚摻⒂诶硐肭闆r之下，在實(shí)際情況中即使運(yùn)用了簡(jiǎn)單模型，在真正實(shí)行過程中依然會(huì)出現(xiàn)一些難預(yù)料因素，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和計(jì)劃存在偏離。因此，在進(jìn)行晶體管設(shè)計(jì)的過程中，不應(yīng)該指望一次性成功。設(shè)計(jì)時(shí)需與實(shí)際情況相結(jié)合，無需追求過高的計(jì)算精準(zhǔn)度，盡可能使用經(jīng)驗(yàn)公式及相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）使用計(jì)算機(jī)技術(shù)如Silvaco TCAD模擬初步設(shè)計(jì)的晶體管，按照所模擬的結(jié)果更改或者調(diào)整設(shè)計(jì)方案，直至滿足相應(yīng)的要求，實(shí)際流片時(shí)，可采用多目標(biāo)版進(jìn)行方案驗(yàn)證，以提高效率。

（4）批量檢驗(yàn)，對(duì)已經(jīng)制造出來的晶體管進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)問題并分析解決問題，繼續(xù)修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，再實(shí)行模擬，得出新的方案。

（5）按照新的方案實(shí)施并制造，不斷修改和完善，直至完全達(dá)到相關(guān)要求之后，再確定量產(chǎn)產(chǎn)品版圖和工藝條件，對(duì)產(chǎn)品定型[1]。

2.熱學(xué)設(shè)計(jì)

最大耗散功率以及最高工作結(jié)溫：晶體管于甲類運(yùn)放中的最大功耗理論值是50%，但因?yàn)槠骷旧碛蠽CES及ICEO，實(shí)際的功耗會(huì)低于50%。輸入直流功率時(shí)，輸出功率PO=ηP電源，轉(zhuǎn)變成熱量功耗后PC=P電源-ηP電源=（1-η）P電源。若沒有輸入或者輸出信號(hào)（PO=0），功耗達(dá)最大值，PCM=PO/η。進(jìn)行甲類運(yùn)放時(shí)，晶體管最大功耗PCM需滿足以上條件。通常硅基晶體管最大結(jié)溫為=150～200℃，若最高結(jié)溫從200℃下降為150℃，其平均的失效時(shí)間會(huì)增加至5倍[2]。因此熱學(xué)設(shè)計(jì)需要從芯片面積、封裝散熱能力等方面進(jìn)行綜合考慮，最終目的是降低熱阻，提高最大耗散功率和最高工作結(jié)溫。

3.可靠性設(shè)計(jì)

可靠性與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)有很高的關(guān)聯(lián)度，相關(guān)影響因素較多，需要逐一應(yīng)對(duì)。如高濃度磷擴(kuò)散所在的基區(qū)相關(guān)工藝輻射于晶體管區(qū)，易出現(xiàn)很多缺陷，若使用薄基區(qū)，可對(duì)復(fù)合過程會(huì)形成一定限制，同時(shí)有利于少子壽命的增加，也彌補(bǔ)了電流相關(guān)系數(shù)不足之處。在進(jìn)行芯片制作時(shí)，也可使用雙層Si3N4技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊密、高電絕緣、不受Na+離子污染等。尤其是Si3N4的鈍化層能夠有效提高芯片抗輻射的效果，減少核輻射以及電離輻射對(duì)其內(nèi)部造成傷害，減少電路失效的情況。在生產(chǎn)過程中，具體操作對(duì)芯片質(zhì)量也有影響，如清洗或者夾片、測(cè)試，在這些環(huán)節(jié)當(dāng)中若有處理不當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致晶片彎曲或者光刻缺陷等隱患。此外，晶體管的使用溫度過高，也會(huì)使材料快速老化，發(fā)生離子遷移、金屬化合物的合成、蠕變、微觀結(jié)構(gòu)重排、絕緣材料分子化等情況，使晶體管的功能發(fā)生退化。因此，將溫度適當(dāng)?shù)亟档停w管更不容易失效，但不能將溫度大幅降低，因?yàn)闇囟冗^低同樣會(huì)使晶體管部分功能退化，例如：hFE下降，溫度過低還會(huì)使材料收縮或者斷裂。就溫度方面來看，高溫或者低溫循環(huán)變化，相較于恒定的低溫亦或是高溫，對(duì)晶體管的可靠性有更大影響。由于長(zhǎng)時(shí)間熱脹冷縮，會(huì)導(dǎo)致管中不同的結(jié)構(gòu)和材料存在熱匹配問題，最后出現(xiàn)材料開裂、內(nèi)引線的強(qiáng)度變低、芯片的強(qiáng)度降低以及性能變化等情況。另外，機(jī)械的應(yīng)力對(duì)器件可靠性也有很大影響，主要是振動(dòng)、沖擊以及熱機(jī)械間互相作用，影響最大的是振動(dòng)。機(jī)械的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶體管在結(jié)構(gòu)上失常，鍵合以及連接的部位失去效果等。機(jī)械的相互作用能夠?qū)е戮w管材料以及互聯(lián)發(fā)生不同程度的膨脹，同時(shí)引發(fā)熱擴(kuò)散變形或者位移。此外，如果器件的內(nèi)部存在裝配亦或是封焊時(shí)所遺留的自由粒子，所有的自由粒子達(dá)到足夠的質(zhì)量，便會(huì)對(duì)超高頻振動(dòng)亦或加速超重運(yùn)行的管結(jié)構(gòu)造成很大的破壞，最后導(dǎo)致嚴(yán)重的失效[3]。綜合來看，以上情況都應(yīng)該采取相應(yīng)措施進(jìn)行規(guī)避。

結(jié)語

NPN型硅超高頻低噪聲晶體管是一種微波半導(dǎo)體的器件，其特點(diǎn)是：有良好的超高頻特性、噪聲小、高功率增益，該器件被大量運(yùn)用在超高頻或者超超高頻信號(hào)放大、變頻、混頻、低噪音的放大、非飽和開關(guān)等相關(guān)電路中。近些年來，該器件被更多運(yùn)用在衛(wèi)星項(xiàng)目里，因此，關(guān)于該器件的研發(fā)要求在逐步提高。因?yàn)樵撈骷难兄埔笃撸移洚a(chǎn)品的性能以及參數(shù)存在不穩(wěn)定性，因此生產(chǎn)難度高，成品率低，在滿足客戶方面存在極大的限制。此次研究中，針對(duì)器件特性，分析了NPN型硅超高頻低噪聲晶體管的研制方法，給相關(guān)研制平臺(tái)提供一定的數(shù)據(jù)和方法參考，也希望相關(guān)研究單位能夠進(jìn)一步提升該器件的研制水平，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)該器件的使用需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]段丙皇，熊涔，陳泉佑，趙洪超.硅基管脈沖中子輻射效應(yīng)TCAD仿真[J].數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2020，41（02）：159-168.

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[3]龍銘剛，吳勝利，劉逸為，張勁濤.納米溝道真空?qǐng)霭l(fā)射管的制備及其特性研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，39（05）：414-419.