Моделирование малосигнальных параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой

Актуальность темы

.

Среди многообразных направлений современной полупроводниковой электроники важное место занимает разработка и производство кремниевых транзисторов, предназначенных для работы в ВЧ диапазоне (на частотах от 30 до 300 МГц) и СВЧ диапазоне (при частотах выше 300 МГц), и высоких уровнях мощности (десятки-сотни Ватт) — так называемых мощных ВЧ и СВЧ транзисторов. Область применения таких транзисторов в специальных устройствах весьма широка. Они используются в предоконечных и выходных каскадах усилителей мощности, в средствах связи, в системах телевизионного приема, в космической телеметрии и других устройствах.

В последнее время в различных радиоэлектронных СВЧ устройствах наряду с мощными биполярными транзисторами начали широко использоваться и мощные полевые транзисторы с изолированным затвором, так называемые МДП (МОП) транзисторы.

Обладая рядом преимуществ, МОП — транзисторы могут успешно конкурировать с мощными биполярными ВЧ и СВЧ транзисторами. Так серийные СВЧ МОП-транзисторы работая в непрерывном режиме при напряжении питания 28 В значения выходной мощности Рвых составляют до 250 Вт на частоте 400 МГц и до 75 Вт на 1ГГц, а у биполярных транзисторов в аналогичном режиме работы значения мощности составляют до 150 Вт на 400МГц, и до 100 Вт на 1ГГц.

К достоинствам МОПтранзисторов стоит отнести:

— отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей,.

— небольшая вероятность тепловой нестабильности и вторичного пробоя из-за отрицательного температурного коэффициента тока стока.

Стимулами по созданию более мощных МОПтранзисторов послужили в первую очередь проблемы радиосвязи. Исследования, проведенные под руководством СоповаО.В. и БачуринаВ.В., позволили создать первые отечественные мощные МОПтранзисторы — КП901 и КП902. Приборы КП901, КП902, КП904, продемонстрированные на международных выставках в начале 70-х годов ХХ-го века, опередили на 4−5 лет появление подобных приборов за рубежом и дали толчок к развитию этого класса приборов в технически развитых зарубежных странах. В дальнейшем интерес к этому направлению в нашей стране ослабел, а, следовательно, и исследования в этой области практически прекратились.

На сегодняшний день можно констатировать тот факт, что строгая теория, которая описывала бы процессы внутри транзистора, возникающие при протекании тока, и их влияние на энергетические параметры мощных СВЧ МОП транзисторов, отсутствует, а существующие теории либо устарели, либо являются приблизительными, использующими эмпирические «подгоночные» коэффициенты и ограничиваются лишь узким кругом конструкций транзисторных структур.

При проектировании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, а именно, при выборе конструкции и расчете топологии, исходят, прежде всего, из требуемых значений энергетических параметровРвых, КУР, г|с. Энергетические параметры, в свою очередь, в значительной степени ограничиваются малосигнальными параметрами — входной — Свх = СцИ, выходной — Свых== С22 и? проходной — Спрох = С (2и емкостями и сопротивлением растекания стока в высокоомной гГ-области стока — гс. Соответственно при разработке новых типов транзисторных кристаллов необходима методика расчета, позволяющая предсказать значения малосигнальных параметров, лишь задав основные параметры прибора (периметр канала, концентрации и глубины диффузионных слоев, площади истоковой и затворной металлизации и т. п.), а не определять методом проб и ошибок требуемые значения емкостей и сопротивления стока. Стоит также отметить, что создание подобной методики позволит получать транзисторные структуры с изначально оптимизированными значениями малосигнальных, а, следовательно, и энергетических параметров.

Цель работы.

Целью диссертации является разработка физических моделей для расчета малосигнальных параметров СцИ, С22и, С2 и и гс в зависимости от напряжения сток-исток Uch, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и * горизонтальной структурой (LDMOS). Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Разработка физических моделей для определения зависимости входной, выходной и проходной емкостей современных мощных СВЧ ДМОП-транзисторов от приложенного напряжения Uch.

2. Разработка методика расчета зависимости границ области пространственного заряда, боковой и плоской частей стокового р-п перехода, от приложенного напряжения сток-исток Uch.

3. Разработка физических моделей для расчета сопротивления стока гс с ¦ учетом переменной толщины затворного окисла и цилиндрического растекания тока в ДМОП транзисторах с вертикальной структурой, а также с горизонтальной структурой.

4. Экспериментальная проверка расчета зависимостей Си и (Uch), Сг2и (иси) и С12 и (Uch) на основе предложенных моделей для разных типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов по предложенным моделям.

5. Экспериментальная проверка предложенной модели расчета сопротивления стока гс для разных типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, имеющие научнотехническую новизну:

1. Предложены физические модели для расчета зависимости входной емкости — Спи, выходной емкости — Сгги, проходной емкости — С12и от напряжения сток-исток — Uch, современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой с учетом наличия толстого окисла между истоковыми р-ячейками. В этих моделях.

• учитывается наличие двухслойного конденсатора (Si02 — обедненный слой Si), длина и толщина которого меняется в зависимости от напряжения сток-исток Uch.

2. Разработана методика расчета влияния расширяющейся боковой части цилиндрического стокового р-n перехода с учетом Гауссова закона распределения примеси на проходную емкость С12 и мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Разработаны физические модели для расчета сопротивления стока гс ВЧ и СВЧ МОП-транзисторов с вертикальной структурой с учетом.

• цилиндрического растекания тока стока и отсутствия слоя накопления на поверхности под толстым затворным окислом.

4. На основании расчетов по предложенным моделям установлено, что при длинах слоя обогащения А/<�хсо (хсо — глубина металлургического перехода р-истоковых ячеек) сопротивление стока гс мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов практически не меняется (с точностью ~ 10%).

5. Предложена физическая модель для определения электрофизических параметров rf-стокового слоя СВЧ МОП-транзисторов с горизонтальной структурой (LDMOSFET's).

Практическая значимость.

Методика расчета малосигнальных параметров (входной емкости стока — гс) была применена при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур в ходе выполнения ОКР «Пастила», «Подшипник», «Поток», «Прорыв» в ФГУП «НИИЭТ» г. Воронеж, что подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

Данная работа проводилась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Физические модели для расчета зависимости входной емкости — Сц и> выходной емкости — С22и> проходной емкости — Спи от напряжения сток-исток — Uch, современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой с учетом наличия толстого окисла между истоковыми р-ячейками. В этих моделях учитывается наличие двухслойного конденсатора (Si02 — обедненный слой Si) длина и толщина которого меняется в зависимости от напряжения сток-исток Uch.

2. Методика расчета влияния расширяющейся боковой части цилиндрического стокового р-n перехода с учетом Гауссово закона распределения примеси на проходную емкость С12 и мощных СВЧ МОП транзисторов.

3. Физические модели для расчета сопротивления стока гс в ВЧ и СВЧ МОП-транзисторах с вертикальной структурой с учетом цилиндрического растекания тока стока и отсутствия слоя накопления на поверхности под толстым затворным окислом.

4. Сопротивление стока гс мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов практически не меняется (с точностью ~ 10%) при длинах слоя обогащения А/ < хсо (хсо — глубина металлургического перехода р-истоковых ячеек).

5. Физическая модель для определения электрофизических параметров п стокового слоя СВЧ МОП-транзисторов с горизонтальной структурой.

LDMOSFET’s).

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VIII и IX международных научно-технических конференцях «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2002,2003 г. г.) и на научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004 г.).

Публикации.

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи и 3 доклада на научно-технических конференциях. В совместных работах автору принадлежат: вывод аналитических выражений и расчет малосигнальных параметров (входной емкости — СцИ, выходной емкости — С22и, проходной емкостиС12 и? сопротивления растекания стока — гс) в зависимости от приложенного напряжения сток-исток Цси и проведение экспериментальных исследований зависимости малосигнальных параметров от напряжения Uch.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 45 наименований. Объем диссертации составляет 113 страниц, включая 43 рисунка и 3 таблицы.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Предложены физические модели для расчета зависимости входной емкости — Си и, выходной емкости — С22 и, проходной емкости — С12и от 4 напряжения сток-исток — Uch, современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой с учетом наличия толстого окисла между истоковыми р-ячейками, двухслойного конденсатора (Si02 — обедненный слой Si) длина и толщина которого меняется в зависимости от напряжения сток-исток Uch.

2. На основе решения уравнения Пуассона для боковой и плоской частей цилиндрического р±п перехода и Гауссова закона распределения акцепторной примеси в р~-ячейках была разработана методика расчета влияния расширяющейся боковой части цилиндрического стокового р-п перехода на проходную емкость мощных СВЧ МОП транзисторов. 3. Разработаны физические модели для расчета сопротивления стока гс ВЧ и СВЧ МОП-транзисторов с вертикальной структурой с учетом цилиндрического растекания тока стока и отсутствия слоя накопления на поверхности п~-области стока под толстым затворным окислом. Рассмотрены три характерных случая растекания тока стока в зависимости от размеров (АГ) тонкого подзатворного окисла над гГ-слоем стока: А/ < 0,1 мкм, А/ < 0,5 мкм и А/ ~ хс0 = 1,5−2 мкм.

4. Предложена физическая модель для определения электрофизических параметров rf-стокового слоя, обеспечивающих протекание заданного тока стока, пробивные напряжения Uch max и сопротивление растекания стока СВЧ МОП-транзисторов с горизонтальной структурой (LDMOSFET's).

5. На основе проведенных измерений зависимостей емкостей СцИ (иси), С22h (Uch), C12H (Uch), установлено:

— рассчитанные по предложенным моделям значения емкостей демонстрируют совпадение с измеренными с точностью ~ 10−15%, что подтверждает правильность выбранных физических моделей;

— получено хорошее совпадение 5%) рассчитанных значений емкостей с экспериментальными данными при напряжении сток-исток Uch = 28 В (напряжении питания), это является крайне важным результатом, поскольку именно эти значения емкостей (С п и (иси=Шит), С22 и (иси=ипит), С]2 и (иси=ипит)) используются при расчете электрических схем- 6. Расчеты сопротивления стока, с учетом радиального растекания, проведенные по предложенной модели на основе параметров современных мощных СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой и переменной толщиной затворного окисла над rf-стоковым слоем, показали хорошее совпадение (до 5−10%) полученных значений сопротивления растекания стока гс с паспортными значениями Леи. Это подтверждает корректность предложенных физических моделей.

7. Показана возможность применения предложенных моделей расчета малосигнальных параметров СцИ, С22и, CJ2 и и гс для повышения КУР при проектировании топологии мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой при наличии толстого окисла между истоковыми р-ячейками в рамках существующей методики проектирования. 8. Предложенные модели расчета малосигнальных параметров (входной емкости — Сци> выходной емкости — С22 и, проходной емкости — С12 и, сопротивления стока — гс) применялись при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, с повышенными значениями КУР, в ходе выполнения ОКР «Пастила», «Подшипник», «Поток», «Прорыв» в ФГУП «НИИЭТ» г. Воронеж.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.