CN100452427C - 小型非线性异质结双极晶体管阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种HBT阵列中，其中的HBT构成为非线性、即交错排列，因此减少了阵列中的相邻HBT之间的热耦合冲击并避开了用于线性HBT阵列所需的最小集电极-集电极间隔设计规则。采用这种非线性结构，相邻HBT彼此不对准。在优选实施例中，阵列中的相邻HBT构成为角对角排列，并且在更优选实施例中，相邻HBT的集电极对准或公用，即一个HBT的集电极与相邻HBT的集电极公用。在最优选实施例中，HBT以发射极镇流/基极镇流图形的形式(称为“混合镇流”或“双镇流”)被镇流。

Description

小型非线性异质结双极晶体管阵列
技术领域
本发明大体涉及异质结双极晶体管(HBT)，具体地，涉及HBT在HBT阵列中的应用。
背景技术
HBT是频繁用在功率放大器电路中的众所周知的晶体管结构。为了提高HBT功率放大器的总功率输出，通常将多个HBT并联连接以形成线性HBT阵列。术语“线性”用于表示HBT在阵列中的并排、均匀对齐的布置。
HBT阵列的热设计对于使用它的器件的可靠操作来说是关键的。有几个因素造成在HBT阵列工作期间温度升高。HBT阵列一般包括有源区(该区域包括HBT本身)和无源或“保护”区(该区域围绕HBT；基本上是除了HBT以外的整个阵列)。流过HBT的基极-发射极结的电流以热量的形式耗散功率，引起结内及周围温度的升高。升高的结温度不仅降低了功率和增益性能，而且还缩短了器件的使用寿命。
当几个HBT设置成线性阵列时，将出现另外的热问题。HBT在正常工作期间产生热量，并且热量通过热耦合被传递给HBT周围的无源区。如果相邻的HBT足够近地靠在一起，则一个HBT的热量还可能传递给相邻的HBT，引起它们的温度升高。此外，并联的HBT虽然理论上是相同的，但是实际上通常是不同的，因此不会具有相同的热耗散能力，导致可能存在以不同工作温度工作的两个“相同”HBT。
如果HBT阵列中的一个HBT工作时温度稍高于相邻的HBT，则较热的HBT开始承载更多的电流，导致它的温度进一步升高，这又进一步增大它承载的电流。这将产生逸出条件(公知为“热逸出”)，因此，温度升高到在较热条件下工作的HBT的破坏点。一旦那个HBT被破坏，其余的HBT必须承载被破坏的HBT的电流负载，由此也导致它们的温度升高。最后，整个器件将失效。
控制线性HBT阵列中的热逸出问题的一般可接受的方式是设置与并联连接的晶体管的每个发射极(称为“发射极镇流”)或每个基极(称为“基极镇流”)串联连接的定值电阻。公知的，使用镇流电阻器可以在HBT中强制产生基本上均匀的电流分布，因此减少了由于阵列中的HBT的热耗散特性的非均匀性引起的发生逸出条件的可能性。发射极镇流的例子例如可以在授予Boles的美国专利US6130471和授予Sovero的美国专利US5378922中找到，这里引证这两篇文献供参考。基极镇流的例子可以在授予Khatibzadeh等人的美国专利US5321279、授予Pratt的美国专利US5629648、授予Pratt的美国专利US5608353以及授予Mitsui等人的美国专利US5760457中找到，这里引证这些文献供参考。
为了处理热耦合问题(以及为了防止集电极-集电极漏电流)，设计者必须在线性HBT阵列中的每个HBT之间留下最小量的空间，以便增加相邻HBT之间的无源区的尺寸。HBT之间的常规间距(从一个HBT单元的中心到另一个相邻单元的中心的距离)为40-50μm。这使从一个HBT向另一个HBT传递的热量最小化。同时这有助于减小热耦合对器件工作的冲击，但是限制了设计者减小线性HBT的整个尺寸的能力，并因此限制了安装线性HBT阵列的任何部件的尺寸，这是因为在不降低阵列性能或不妨碍集电极-集电极漏电流隔离需求的情况下它们不能移动HBT使其互相靠近。
因而，希望具有一种HBT阵列，其中HBT器件可以互相紧密靠近在一起，以便实现更小的整体器件尺寸，同时不增加由于热耦合、热逸出和/或集电极-集电极泄漏引起的损坏和/或性能降低的可能性。
发明内容
根据本发明，HBT阵列中的HBT构成非线性，即交错排列，由此降低了阵列中的相邻HBT之间的热耦合的冲击并绕过了线性HBT阵列所需的最小集电极-集电极间隔设计规则。采用这种非线性结构，代替现有技术中的对准的、直接并排设置，相邻的HBT互相不对准设置。在优选实施例中，阵列中的相邻HBT构成为角对角设置，并在更优选的实施例中，相邻HBT的集电极对准排列或公用，即一个HBT的集电极与相邻HBT的集电极共享。在最优选实施例中，HBT在发射极-镇流/基极-镇流图形中被镇流(称为“混合镇流”或“双镇流”)。(结果是得到更紧凑的HBT阵列，被镇流HBT呈现出较低的温度性能，同时对相邻HBT的热耦合效应被降低。)
采用优选的双镇流非线性HBT阵列而制造的功率放大器远小于传统的功率放大器，而且没有降低耐热性或操作结(operating junction)的温度。
附图说明
图1表示典型HBT的基本结构；
图2表示构成为发射极镇流的图1的HBT；
图3表示基极镇流结构的图1的HBT；
图4表示现有技术中的基极镇流HBT的标准线性阵列；
图5表示构成用于功率放大的、根据本发明的非线性(交错型)基极镇流HBT阵列；
图6表示本发明的优选实施例，即结合了混合或双镇流结构的HBT单元非线性阵列；和
图7表示可以用在典型功率放大器结构中的、本发明的最优选实施例的电路示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，理解根据现有技术的HBT和镇流HBT的基本结构是有帮助的。图1示出典型的现有技术HBT 100的基本结构。在本例中，五个基极指104在基极102处接合；四个发射极指108设置在基极指104之间并在发射极106处接合；集电极110设置在基极和发射极的两侧。图1中所示的器件可采用公知加工步骤制造，如注入或台面隔离技术、湿法和/或干法刻蚀、金属沉积以及欧姆接触成型，并且应该理解，尽管上面的描述看起来是两维的，但是公知的，晶体管制造是三维过程，包括沉积材料的分层等。所使用的制造技术不是本发明的新方案之一。
图2表示根据现有技术结构的、用于发射极镇流的图1的HBT 100。如图2所示，公用发射极106耦接到发射极镇流器(例如电阻器)212上，而发射极镇流器212耦接到接地通路214。众所周知，当外部基极发射极电压VEB施加于HBT单元时，基极电流流进HBT单元并到达发射极106，如图2中的结构，并将流过发射极镇流器212和到达接地通路214。当集电极电流(大于基极电流的60-120倍)流到发射极时，该HBT单元受热并试图获取更多的集电极电流。当某一具体HBT试图获取比周围的镇流HBT更多的电流时，对于阵列中的每个HBT使用发射极镇流器212将稍微降低HBT的基极-发射极结的电压。这个负反馈机制补偿了HBT的正温度系数(这是不稳定的正反馈)并在HBT中强制产生近似均匀的电流分布，由此减小了产生逸出条件的可能性。除了提供接地位置之外，接地通路214还用于耗散HBT100的基极发射极结产生的一些热量。理想地，接地通路214设置成尽可能靠近HBT100的基极发射极结，以便使接地通路的消散效应最大化。然而，发射极镇流器212位于发射极和接地通路214之间，由此防止接地通路214的位置与HBT100直接相邻，那里将使耗散效应最大化。
图3表示根据现有技术的基极镇流结构的图1的HBT 100。如图3所示，基极镇流器312连接到基极102。由于没有镇流器位于发射极附近，因此接地通路214直接与HBT100相邻。通过这种方式，HBT获得了镇流效果(基极镇流器312)并具有使其基极发射极结非常靠近接地通路214的附加优点，由此使接地通路的耗散效应最大化。此外，图3中的基极镇流HBT得益于在发射极镇流电阻器两端没有集电极-发射极电压降，这降低了HBT单元将DC功率转换成RF功率的能力，降低了RF输出功率和效率。
图4示出具有基极镇流HBT的线性HBT阵列的常规结构。一系列HBT100线性排列(直接并排、均匀对准，如图所示)，它们的发射极连接至接地通路214。镇流电阻器312耦接到每个HBT 100的基极，如图所示。如上所述，每个HBT与它的相邻HBT隔开预定距离，通常为40-50μm。该HBT不能有效地互相靠近移动，因为这将增加彼此之间的热耦合效应。
由于根据具体外延材料的刻蚀率的晶体取向以及形成在形成接触的过程中形成结和沉积金属的能力，阵列中的HBT的基极、发射极和集电极指通常是平行的。这样，如图1中虚线所示，典型的HBT基本上为由两个平行边(图1中的左和右虚线)以及平行顶部和底部(图1中的顶部和底部虚线)限定的矩形形状。此外，典型的HBT具有沿着两个边的每个边设置的集电极指，基极和发射极指位于外部集电极之间，如图1所示。对这种设置的改变是公知的(例如，使用圆形基极和在基极周围的马蹄形发射极，而集电极在边上)，并且应该理解本发明的新方案可适用于这种改变。
图5-7表示本发明的备选实施例。在本发明的描述中，下列术语具有如下含义：
“交错排列”指的是第一HBT与相邻HBT不是直接并排关系。与现有技术线性排列相反，现有技术中，相邻HBT的相邻侧是完全正对的关系(即，HBT之一的一侧的整个长度基本上与相邻HBT的相邻侧处面对)，在“交错排列”中，相邻HBT的相邻侧与其它HBT都不完全面对，实际上，根本就不是面对关系；
“上/下交错排列”指的是HBT交错排列，这样，相对垂直面，相邻HBT之间的关系是这样的：它们交替排列以至于第一HBT相对于第二HBT处于“上”位置，第二HBT相对于第三HBT处于“下”位置，第三HBT相对于第四HBT处于“上”位置，......等等，例如如图5和6所示；
“角对角交错排列”指的是相邻HBT的相邻侧与其它侧不是面对关系，而是相邻HBT的一个角部靠近或叠加相邻HBT的一个角部，优选尽可能靠近而不违反限定相邻HBT之间的可允许间隔的设计规则。可以认为阵列中的HBT同时是“角对角交错排列”和“上/下交错排列”，如图5和6所示。
图5表示用于功率放大的非线性(交错)基极镇流HBT阵列。本实施例中集电极对准排列，用于最大限度地减小功率放大所需的面积。如图5所示，本发明的HBT交错排列、即非线性，不是线性排列，并且已经使间距(两个相同HBT之间的固定点之间的距离)减小到小于HBT单元本身的宽度。当采用交错排列阵列时，如图5所示，不再需要如图4所示的为最小化电泄漏和热耦合而在线性阵列中所需的HBT之间的额外距离。具体而言，HBT 100A和100C相对于接地通路214基本上处于相同位置，而HBT 100B和100D与接地通路214隔开。这形成了无用的无源区515(它的重要性将在下面关于图6所示的优选实施例的讨论中更明显)。此外，图5的HBT互相“重叠”，即HBT 100A的右集电极和HBT 100B的左集电极沿着平分两个集电极的假想垂直轴排成一列，其余HBT相应对准排列，如图所示。通过这种方式，因为HBT单元的阵列现在交错排列，因此垂直方向的尺寸稍微增加，交错阵列本身在水平方向更进一步小型化了，这是因为消除了线性阵列中的独立HBT单元之间的大间距，并且当形成功率放大器的输出级时没有降低组合HBT单元的总耐热性。
正如所看到的，在这种结构中，HBT都是基极偏置的。虽然HBT单元的交错阵列使一个单元比它的配对单元稍微远离接地通路，但是它们仍然足以靠近接地通路，以便对工作电和热性能具有最小的影响。然而，为了提高工作效率，可以选择进一步远离接地通路的HBT单元(本例中为100B和100D)中的镇流电阻，使其稍高于(例如，当HBT的电流增益用β度量时，高的量为2-3％)配合HBT单元(100A和100C)的镇流电阻。
当在功率放大器中使用时，图5的结构工作得很好并显著减小了HBT阵列的水平覆足迹(footprint)(因此减小了功率放大器尺寸)。从一个HBT到另一个HBT的热耦合效应被最小化。和图4的结构不同，其中一个HBT的整个右侧与它的相邻HBT的整个左侧相邻(即完全面对关系)，在图5的结构中，只有相邻HBT的角部互相靠近，HBT的覆盖区互相重叠。因此，图5的HBT阵列示出了根据本发明的角对角、上/下交错排列。采用这种结构的结果是，HBT周边的大部分被无源高电阻率GaAs包围。因此，由HBT产生的热量对相邻HBT具有最小影响，因为该热量可以更有效地通过芯片的厚度散布到管芯固定材料，该材料通常为承载银的环氧树脂或焊料，并且利用最小耦合封装到相邻HBT单元。
图6示出了本发明的优选实施例，与采用HBT单元的标准线性排列相比，提供了实现功率放大器所需的面积的最大减小量。本实施例引入“混合镇流”的概念，其中，更加远离接地通路的HBT(600A和600C)被发射极镇流，而邻近接地通路的HBT(600B和600D)被基极镇流。在优选实施例中，阵列中有N个HBT(N是大于1的正整偶数)，并且HBT组成N/2个HBT对。具体而言，参照图6，HBT 600A和600C被发射极镇流而不是如图5所示的基极偏置。这种结构的主要优点是镇流电阻器612A和612C可位于HBT 600A和600C的发射极与接地通路214之间的其它未使用区515中。此外，分别与HBT600B和600D相关的镇流电阻器612B和612D可位于其相关HBT上方的其它无用区515中。这进一步减少了电阻器所用的空间，由此给设计者提供与现有技术HBT阵列相同水平的性能，但是大大减小了覆盖区。
除了上述改型之外，图6中的相邻HBT还具有公用的集电极，即相邻HBT的集电极结合成跨越相邻HBT的一个集电极，如图所示。这简化了制造并允许HBT尽可能互相靠近地设置，使HBT阵列的足迹最小化。
图7是表示构成作为功率放大器的一部分的、图6的HBT对600A和600B的电路图。参照图7，发射极镇流电阻器600B和基极镇流电阻器612B的值通过HBT工艺的电流增益β而相关。RF输入功率通过分段电容器620输送给基极和发射极镇流单元，在优选实施例中每个电容器对于在2GHz下通常为0.2到0.5pF。如图7所示，用于形成双镇流单元的HBT通常各具有从90到500μm2的发射极面积，并具有2、3或4个发射极指。基极偏置电压从外部电源/供给装置向发射极镇流单元的基极输送并进入基极镇流HBT的镇流电阻。对于给定的外部施加基极偏置电压，基极和发射极镇流HBT应该实现相同的电流密度。从跨越HBT阵列中的所有集电极的公共总线馈送集电极偏置电压。上述HBT阵列导致更紧凑的设计，而且不会损失任何性能(电或热)或功能。
应该理解前面的描述都是示意性的而非限制性的，并且在不脱离本发明的精神的情况下本领域普通技术人员可以做多种明显的修改。例如，前面已经描述了包括四个HBT的阵列，应该理解根据功率放大的需要可以在阵列中使用任何数量的HBT对，并且不会脱离所要求保护的本发明的范围。同样，在上述例子中，以角对角的排列示出和描述了上/下交错排列的HBT对，应该理解简单地交错排列HBT将导致围绕HBT的无源区的增加，因此允许HBT向更靠近的方向移动，以便实现优选实施例的一些优点(尽管不是全部)。此外，除了上/下交错排列，任何HBT交错排列以使相邻HBT两侧之间的完全面对关系减小的排列都将用于增加与HBT的有源材料相邻的无源材料的量，并且这种设置应该被认为是落在本发明的范围内。相应地，本说明书意在包括落入由所附权利要求书所限定的本发明的范围内的这些替换、修改和等效形式。

Claims (14)

1、一种具有N个HBT的改进HBT电路结构，其中，N是大于1的正整偶数，改进之处在于：
所述N个HBT以非线性结构形成并且成对排列，由此，每对中相邻的HBT互相交错地并且采用混合镇流的结构进行排列。
2、根据权利要求1的改进HBT电路结构，其中，所述非线性结构包括角对角交错排列。
3、根据权利要求2的改进HBT电路结构，其中，所述角对角交错排列包括上/下角对角交错排列。
4、根据权利要求1的改进HBT电路结构，其中，所述N个HBT组成N/2对，每个所述N/2对都包括上/下交错排列对。
5、根据权利要求1的改进HBT电路结构，其中，所述N个HBT组成N/2对，每个所述N/2对都包括上/下角对角交错排列对。
6、一种具有N个HBT的改进HBT电路结构，其中，N是大于1的正整偶数，改进之处在于：
所述N个HBT以非线性结构形成，其中：
相邻的HBT互相交错地排列；
所述N个HBT组成N/2对，每个所述N/2对都包括上/下角对角交错排列对；
每个所述N/2对都通过混合镇流而被镇流。
7、一种改进HBT阵列，包括：
多个HBT，都具有多个侧，所述HBT成对布置并且交错排列，以便每对中相邻HBT的相邻侧具有小于完全面对关系的面对关系并且每对中的HBT被混合镇流。
8、根据权利要求7的改进HBT阵列，其中，所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约50％。
9、根据权利要求8的改进HBT阵列，其中，所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约40％。
10、根据权利要求9的改进HBT阵列，其中，所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约30％。
11、根据权利要求10的改进HBT阵列，其中所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约20％。
12、根据权利要求11的改进HBT阵列，其中所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约10％。
13、根据权利要求12的改进HBT阵列，其中所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系小于所述第一HBT的所述侧的所述之一的长度的约5％。
14、根据权利要求13的改进HBT阵列，其中所述HBT的第一个的所述侧之一和相邻HBT的相邻侧之间的面对关系约为零。
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