高性能射頻半導(dǎo)體功率器件設(shè)計及其可靠性研究.pdf

1、射頻功放器件是無線基站的核心器件,功能是放大無線射頻信號,使之能完成良好的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前，人類面臨環(huán)境危機和能源挑戰(zhàn)，營中的能源消耗已迫在眉睫。各大基站供應(yīng)商都相應(yīng)推出了高效綠色基站計劃，因而從工作原理、設(shè)計方法、和實現(xiàn)工藝等方面系統(tǒng)地研究基于GaAs HBT、LDMOS和 GaN工藝的高性能功率放大器（Power Amplifer:PA）變得十分重要。
　　該博士論文的主要研究工作和創(chuàng)新點如下：
　?。?）在不同人體模

2、型（HBM）描述的ESD電壓作用下，分別為手機不同頻段選擇不同輸入薄膜電阻（TFR），通過測試功率放大器(PA)裸片的性能參數(shù)隨ESD電壓的變化特性，發(fā)現(xiàn)其性能降級和電、熱擊穿規(guī)律；提出并驗證了在GaAs HBT PA輸入端引入合適的薄膜電阻，能有效地抑制PA芯片的ESD沖擊實驗。
　?。?）借助有限元法(FEM)算法和熱紅外掃描儀(IR)，得到了GaAs HBT PA芯片表面的溫度分布；進一步設(shè)計、制作并測試了改進的GaAs H

3、BTPA芯片，有效地改進其輸出功率隨時間變化(PVT)的性能。
　?。?）研究了基于LDMOSFET工藝的基站PA在HPM作用下的失效機理，并分析與器件可靠性相關(guān)的參數(shù)；經(jīng)魯棒性測試后，準確判斷鍵合線熱可靠性和芯片失效特征；通過紅外掃描測試得到了芯片和鍵合線表面的溫度分布，得到不同鍵合線陣列的溫度分布特性，并且，提出了鍵合線結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計方法。
　?。?）充分考慮到功率放大器加上鋁屏蔽蓋后射頻性能發(fā)生變化的特性，首先，用自動

4、化測試臺對于不同高度(H)和寬度(W)的屏蔽蓋情形時進行測試，得到了 S參數(shù)和PA樣品的輸入、輸出響應(yīng)；在改進的電路模型中，研究了輸入接地線校正因子和環(huán)路損耗，使得模型仿真和測試結(jié)果吻合；進一步提出對包含多條接地線的內(nèi)部阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法來有效改進S_參數(shù)的方法；并且提出了提高印刷電路板（PCB）上LDMOSFET PA射頻性能的電磁防護設(shè)計方法；詳細地研究了LDMOSFET PA和PCB之間的相互影響；精確地確定了腔內(nèi)最敏感反饋路徑

5、，并在 LDMOSFET輸入（柵極）和輸出（漏極）鍵合線間引入金屬隔離墻，有效地抑制了反饋效應(yīng)；通過改進輸入鍵合線設(shè)計，獲得了性能更好的小型化PA模塊。
　　（5）研究了寬頻帶反饋式GaN PA的基本原理，給出了在100MHz到3.5GHz頻段內(nèi)實現(xiàn)10dB增益的單極寬頻帶放大器設(shè)計方法；通過應(yīng)用負反饋調(diào)節(jié)方法，取得VSWR輸入和增益平坦度的平衡，實現(xiàn)了AlGaN/GaN PA超寬帶性能；進一步應(yīng)用GaN HEMT低輸出電容特性，

6、設(shè)計了反向Class-F AlGaN/GaN HEMT超高效率PA，通過仿真與測試結(jié)果對比，驗證了設(shè)計的準確性；輸出功率高于10W，增益高于20dB，增益平坦度為±0.6dB，效率超過74%。
　?。?）研究了高功率電磁脈沖對AlGaN/GaN HEMT的影響，實驗研究了不同脈沖寬度作用下它們的損毀特征，通過芯片切片截面分析，精確顯示了芯片的損毀部位和程度，為其進一步電磁防護設(shè)計提供指導(dǎo)。
　　在上述研究中，分別基于LDMO