高性能射頻半導(dǎo)體功率器件設(shè)計(jì)及其可靠性研究.pdf

1、射頻功放器件是無(wú)線基站的核心器件,功能是放大無(wú)線射頻信號(hào),使之能完成良好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前，人類面臨環(huán)境危機(jī)和能源挑戰(zhàn)，營(yíng)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(jì)劃，因而從工作原理、設(shè)計(jì)方法、和實(shí)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(diǎn)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(jī)不同頻段選擇不同輸入薄膜電阻（TFR），通過(guò)測(cè)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(jí)和電、熱擊穿規(guī)律；提出并驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。
　?。?）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(jìn)一步設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了改進(jìn)的GaAs H

3、BTPA芯片，有效地改進(jìn)其輸出功率隨時(shí)間變化(PVT)的性能。
　　（3）研究了基于LDMOSFET工藝的基站PA在HPM作用下的失效機(jī)理，并分析與器件可靠性相關(guān)的參數(shù)；經(jīng)魯棒性測(cè)試后，準(zhǔn)確判斷鍵合線熱可靠性和芯片失效特征；通過(guò)紅外掃描測(cè)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(jìn)設(shè)計(jì)方法。
　　（4）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(dòng)

4、化測(cè)試臺(tái)對(duì)于不同高度(H)和寬度(W)的屏蔽蓋情形時(shí)進(jìn)行測(cè)試，得到了 S參數(shù)和PA樣品的輸入、輸出響應(yīng)；在改進(jìn)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(cè)試結(jié)果吻合；進(jìn)一步提出對(duì)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(lái)有效改進(jìn)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(hù)設(shè)計(jì)方法；詳細(xì)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(guò)改進(jìn)輸入鍵合線設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)10dB增益的單極寬頻帶放大器設(shè)計(jì)方法；通過(guò)應(yīng)用負(fù)反饋調(diào)節(jié)方法，取得VSWR輸入和增益平坦度的平衡，實(shí)現(xiàn)了AlGaN/GaN PA超寬帶性能；進(jìn)一步應(yīng)用GaN HEMT低輸出電容特性，

6、設(shè)計(jì)了反向Class-F AlGaN/GaN HEMT超高效率PA，通過(guò)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)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(guò)74%。
　?。?）研究了高功率電磁脈沖對(duì)AlGaN/GaN HEMT的影響，實(shí)驗(yàn)研究了不同脈沖寬度作用下它們的損毀特征，通過(guò)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(jìn)一步電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　在上述研究中，分別基于LDMO