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、熱學(xué)設(shè)計以及可靠性設(shè)計三個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，其特點是：超高頻性好、功率高、噪聲低，被廣泛運用在超高頻或直流信號放大，混頻、變頻或者低噪聲放大的電路中，也可運用于星載天線接受信號的放大等，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

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)行材料及擴散雜質(zhì)的參數(shù)設(shè)計，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)計規(guī)則進(jìn)行管芯版圖設(shè)計，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、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，提高周長面積比等。

熱學(xué)設(shè)計：最高結(jié)溫和熱阻。器件所有的設(shè)計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，對晶體管基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定，并設(shè)計相關(guān)實現(xiàn)方案。

（2）應(yīng)用晶體管相關(guān)原理核算并驗證初步方案，同時按需調(diào)整。因為此前大多理論建立于理想情況之下，在實際情況中即使運用了簡單模型，在真正實行過程中依然會出現(xiàn)一些難預(yù)料因素，導(dǎo)致設(shè)計和計劃存在偏離。因此，在進(jìn)行晶體管設(shè)計的過程中，不應(yīng)該指望一次性成功。設(shè)計時需與實際情況相結(jié)合，無需追求過高的計算精準(zhǔn)度，盡可能使用經(jīng)驗公式及相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

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

（5）按照新的方案實施并制造，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，對產(chǎn)品定型[1]。

2.熱學(xué)設(shè)計

最大耗散功率以及最高工作結(jié)溫：晶體管于甲類運放中的最大功耗理論值是50%，但因為器件本身有VCES及ICEO，實際的功耗會低于50%。輸入直流功率時，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（PO=0），功耗達(dá)最大值，PCM=PO/η。進(jìn)行甲類運放時，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℃，其平均的失效時間會增加至5倍[2]。因此熱學(xué)設(shè)計需要從芯片面積、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

可靠性與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝設(shè)計有很高的關(guān)聯(lián)度，相關(guān)影響因素較多，需要逐一應(yīng)對。如高濃度磷擴散所在的基區(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)，可對復(fù)合過程會形成一定限制，同時有利于少子壽命的增加，也彌補了電流相關(guān)系數(shù)不足之處。在進(jìn)行芯片制作時，也可使用雙層Si3N4技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點是結(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，具體操作對芯片質(zhì)量也有影響，如清洗或者夾片、測試，在這些環(huán)節(jié)當(dāng)中若有處理不當(dāng)，便會導(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?，晶體管更不容易失效，但不能將溫度大幅降低，因為溫度過低同樣會使晶體管部分功能退化，例如：hFE下降，溫度過低還會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，對晶體管的可靠性有更大影響。由于長時間熱脹冷縮，會導(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)引線的強度變低、芯片的強度降低以及性能變化等情況。另外，機械的應(yīng)力對器件可靠性也有很大影響，主要是振動、沖擊以及熱機械間互相作用，影響最大的是振動。機械的應(yīng)力會導(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，同時引發(fā)熱擴散變形或者位移。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，便會對超高頻振動亦或加速超重運行的管結(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，該器件被大量運用在超高頻或者超超高頻信號放大、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，該器件被更多運用在衛(wèi)星項目里，因此，關(guān)于該器件的研發(fā)要求在逐步提高。因為該器件的研制要求偏高，而且其產(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，滿足國內(nèi)對該器件的使用需求。

【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)值計算與計算機應(yīng)用，2020，41（02）：159-168.

[2]張進(jìn)山.NPN型硅三極管應(yīng)用電路設(shè)計[J].電子制作，2017（11）：5-8.

[3]龍銘剛，吳勝利，劉逸為，張勁濤.納米溝道真空場發(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，2019，39（05）：414-419.