CN110521114B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具备：第1半导体芯片，其形成有场效应晶体管，该场效应晶体管具有栅极端子、漏极端子以及与接地用端子连接的源极端子；第2半导体芯片，其具有直流地连接的输入端子和输出端子，第2半导体芯片具有与输入端子和接地用端子连接的第1电容器；第1电感，其连接在输出端子与栅极端子之间；第2电感，其第1端子与输入端子连接；第2电容器，其连接在第2电感的第2端子与接地用端子之间；保护二极管，其具有阴极、与接地用端子连接的阳极，保护二极管构成为，至少大于或等于2个沿正向串联连接；以及第3电感，其连接在阴极与第2端子之间，本发明能够以少的保护二极管的级联级数实现ESD破坏保护功能，并且抑制功率增益的下降。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，该半导体装置构成为，在GaAs类半导体之上形成有主要使用了GaN类HEMT的放大用晶体管和其预匹配电路。
背景技术
近年来，使用了GaN类HEMT(高电子迁移率晶体管)的功率放大器在民用领域中也正在普及，其中，该GaN类HEMT利用宽带隙的特长，与以往的GaAs类晶体管、Si类LDMOS晶体管相比能够在高电源电压下工作。其主要领域之一是在移动电话用基站中使用的功率放大器。由于工作频率1～4GHz程度为主流，能够在约50V左右的高电源电压下工作，因此与以往的GaAs类、Si类晶体管相比能够使用小的栅极宽度的晶体管而实现相同的输出功率。其结果，高增益并且能够高效率工作是GaN类HEMT的特长(例如参照专利文献1或者非专利文献1)。
专利文献1：日本特开2008-311527号
专利文献2：WO2011/152256号
非专利文献1：2016Proceedings of the 46th European MicrowaveConference,pp.572-575,“A 83-W,51％GaN HEMT Doherty Power Amplifier for 3.5-GHz-Band LTE Base Stations”
发明内容
在专利文献1以及非专利文献1中，示出移动电话基站用功率放大器所用的GaN类HEMT的封装产品的典型的例子。图10示出使用了非专利文献所记载的GaN类HEMT的单级放大器的等效电路图的一个例子，图11示出在封装件103安装有预匹配电路102和GaN类HEMT101的状态的一个例子。
在图10中，101表示GaN类HEMT芯片，102表示预匹配用GaAs芯片，103表示图11所示的封装件部。在GaN类HEMT芯片101处连接有GaN类HEMT(10)，在预匹配用芯片处并联连接有稳定化用电阻31和电容器41，电容器42连接在稳定化用电阻、电容器的一端与GND之间。GaN类HEMT芯片101与封装件103的漏极端子6通过导线(电感)63而连接，GaN类HEMT芯片101与预匹配芯片102通过导线(电感)62而连接，预匹配芯片101的另一端与封装件103的栅极端子5通过导线(电感)而连接。预匹配用芯片102的作用通常为，将从GaN类HEMT 10的栅极端子7向晶体管侧观察的低阻抗(几Ω)通过电感62和电容器42而阻抗变换至5～十几Ω程度。就放大器而言，为了实现输入匹配，进一步通过在封装件103外部的印刷基板之上形成的传输线路21和电容器52，相对于期望的基波频率而阻抗变换为50Ω左右。
在输入端子1与栅极端子5之间设置有输入匹配电路和栅极偏置电路。输入匹配电路由DC阻断电容器51、并联电容器52以及传输线路21构成，栅极偏置电路由传输线路22和并联电容器53构成。栅极偏置电压从栅极偏置端子3经由栅极端子5而被施加于GaN类HEMT的栅极端子7。因此，预匹配用GaAs芯片102担负将栅极端子5与7之间在直流状态下也电连接(传送DC电位)这一作用。
另一方面，在输出端子2与漏极端子6之间设置有输出匹配电路和漏极偏置电路。输出匹配电路由传输线路24、传输线路25以及DC阻断电容器55构成，漏极偏置电路由传输线路23和并联电容器54构成。漏极偏置电压从漏极偏置端子4经由漏极端子6而被施加于GaN类HEMT的漏极端子。
就GaN类HEMT芯片101和预匹配用芯片102的安装而言，如图11所示，在被称为基座板104的导电性金属之上通过焊料等粘接之后，将栅极端子5、预匹配用芯片102、GaN类HEMT芯片101以及漏极端子6通常由多个导线连接。图11的导线61a～61d与图10的电感61相对应，导线62a～62d与电感62相对应，并且导线63a～63d与电感63相对应。
如图10、图11所示这样的GaN类HEMT 101被实际地产品化，在移动电话用基站中使用，但作为实际应用上的课题，有时静电放电(ESD)破坏耐性不足。例如，民用半导体集成电路产品大部分具有1kV～2kV的人体模型(HBM)的ESD破坏耐性，与此相比，GaN类HEMT产品的ESD破坏耐性小于1kV的情况并不少见。这是由于GaN类HEMT产品大部分没有安装ESD破坏保护元件。
图12是在GaN类HEMT芯片101设置了ESD破坏保护用二极管81～84的例子。移动电话基站用GaN类HEMT的栅极-源极之间的肖特基结的反向耐压为约200V左右，因此从1kV的浪涌来看相当低，因此如果不设置某种保护功能，则难以满足大于或等于1kV的ESD破坏耐性。图11的在栅极-源极之间并联地设置的保护二极管81～84通过将负的栅极浪涌进行旁路绕过而释放，从而保护栅极-源极之间的结。但是，现在主流的在SiC基板之上制作的GaN类HEMT价格昂贵，保护二极管的安装伴随着成本的上升。
在专利文献1中，公开了为了抑制成本上升，在独立于放大用晶体管芯片的其它芯片设置保护二极管81～84的例子。通过在与放大用晶体管芯片相比廉价的半导体芯片之上形成保护二极管，从而能够实现ESD破坏保护功能的追加和成本上升的抑制。但是，就图12、专利文献1所记载的保护二极管的安装方法而言，存在下述问题，即，产生由保护二极管的寄生电阻32引起的高频损耗，在构成如图10所示的放大器的情况下伴随着功率增益的下降。
本发明涉及的半导体装置具备：第1半导体芯片，其形成有场效应晶体管，该场效应晶体管具有栅极端子、漏极端子以及与接地用端子连接的源极端子；第2半导体芯片，其具有直流地连接的输入端子和输出端子，第2半导体芯片具有与输入端子和接地用端子连接的第1电容器；第1电感，其连接在输出端子与栅极端子之间；第2电感，其第1端子与输入端子连接；第2电容器，其连接在第2电感的第2端子与接地用端子之间；保护二极管，其具有阴极、与接地用端子连接的阳极，保护二极管构成为，至少大于或等于2个沿正向串联连接；以及第3电感，其连接在阴极与第2端子之间。
发明的效果
本发明涉及的半导体装置能够在安装了GaN类HEMT芯片和预匹配用芯片时，以少的保护二极管的级联级数实现ESD破坏保护功能，并且能够抑制功率增益的下降。
附图说明
图1是实施方式1涉及的放大器的电路结构。
图2是用于对比的放大器的电路结构。
图3是施加于保护二极管的电压波形：(a)实施方式1，(b)对比例。
图4是用于对比的放大器的其它电路结构。
图5是实施方式1涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图。
图6是实施方式2涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图。
图7是实施方式3涉及的放大器的电路结构。
图8是实施方式3涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图。
图9是实施方式3涉及的放大器的电路结构的变形例。
图10是用于对比的放大器的电路结构。
图11是对比涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图。
图12是对比涉及的内置了保护二极管的GaN类HEMT芯片的等效电路。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式涉及的使用了GaN类HEMT芯片和预匹配用芯片的半导体装置进行说明。连同已经叙述的附图在内，对相同或者相应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
[实施方式1]
图1示出本发明的实施方式1涉及的使用了GaN类HEMT芯片和预匹配用GaAs芯片的半导体装置的电路结构。图1所记载的范围相当于图10的封装件103的内侧的电路。与图10的不同在于，在预匹配用芯片102设置有由电感71、72、并联电容器43、ESD破坏保护用二极管81～84(后面称为保护二极管)构成的保护电路。该保护电路连接在封装件的栅极端子5与GND之间。在该保护电路中，从栅极端子5朝向GND依次是串联连接有电感71、并联连接有电容器43、串联连接有电感72，然后各自正向地串联连接有二极管81～84。为了传送DC偏置电压的目的，栅极端子5与7之间在直流状态下也通过配线等电连接，这一点与图10相同。
以保护二极管的阳极成为GND侧、阴极成为栅极端子5或者7侧的方式连接，以使得在向GaN类HEMT 10的栅极-源极之间施加了栅极端子7的电位比源极、即GND电位低的负浪涌，向栅极-源极之间施加了大的反向偏置时，保护二极管81～84接通。此外，在施加了正浪涌的情况下，相对于栅极-源极之间的肖特基结，浪涌电流沿正向流过，因而就像功率放大器用GaN类HEMT 10这样具有较大的栅极宽度的晶体管而言，由于通常要求的HBM1kV程度的ESD而导致破坏的情况少，因而在图1中未记载针对正浪涌的保护二极管。
在取代GaN类HEMT 10而使用Si类MOSFET的情况下，即使在正浪涌时，在栅极-源极之间也不存在电流流过的路径，导致栅极氧化膜破坏。因此，在Si类MOSFET(金属-氧化膜-半导体栅极构造场效应晶体管)、GaN类HEMT中也使用MIS构造的栅极的情况下，只要与保护二极管81～84并联地追加设置反极性的级联的保护二极管即可。
电感71、并联电容器43以及电感72构成低通滤波器，设定为使作为放大器工作时的基波频率以上的信号衰减某种程度(例如6dB)。其结果，与如图2所示的对比例的电路结构相比，从栅极端子5向GaN类HEMT的栅极端子7传送的基波频率信号由于低通滤波器的效果而不易受到保护二极管的寄生电阻的影响。图2的电路是与专利文献1相当的用于对比的电路结构，保护二极管81～86与节点302直接连接。其结果，从栅极端子5向栅极端子7传送的信号受到保护二极管81～86的寄生电阻的影响，导致放大工作时的功率增益的下降。与此相对，在图1的结构中，由于低通滤波器而不易受到寄生电阻的影响，能够抑制功率增益的下降。
此外，在保护二极管81～84与栅极端子5之间连接有电感71以及72，但要说明的是，如果考虑到在将基波频率设想为大于或等于0.8GHz的情况下，它们的电感值至多是几nH至十几nH，HBM的浪涌为MHz量级，则电感71以及72不对保护二极管的瞬态响应特性产生影响。
图1的结构相对于图2的对比电路还具有能够抑制二极管的级联的级数的效果。图3(a)、(b)分别图示实施方式1以及对比电路的施加于保护二极管的电压波形。如图3(a)所示，相对于图1的节点302的电压波形，向保护二极管81～84施加的节点301的电压波形通过低通滤波器而被衰减。保护二极管的级数通常设定为在图3(a)的负的峰值电压Vpn1下保护二极管也不会接通(ON)的最少的级数。即，在电压Vpn1下电流Idio也不会流动。例如，在图3(a)中，在负的偏置电压Vbias＝－1.0V、肖特基势垒电位0.8V、负的峰值电压Vpn1＝－2.4V、Vpn2＝－3.8V的情况下，在节点301处二极管不会接通(ON)的级数根据0.7V×4级＝2.8V＞|-2.4V|＞0.7V×3级＝2.1V，从而选定为4级。
另一方面，在图2的对比电路中，不存在由低通滤波器导致的信号的衰减，因而节点301的负的峰值电压Vpn2大，峰值电压Vpn2＝－3.8V。其结果，如图3(b)所示，保护二极管的级数为0.7V×6级＝4.2V＞|-3.8V|＞0.7V×5级＝3.5V，需要6级。因此，就实施方式1的电路结构而言能够减少保护二极管的级数。另外，级联的保护二极管的级数的增加伴随着寄生电阻的增加，该寄生电阻的增加使具有相同结面积的保护二极管的ESD破坏耐性下降。换言之，就6级的级联的保护二极管而言，为了使其具有与4级的级联的保护二极管相同的ESD破坏耐性，每个二极管需要1.5倍的结面积，还导致保护二极管的占有面积增加。
图4示出用于抑制功率增益下降的其它对比电路的结构。该结构基于与专利文献2的记载相同的理念。在图4中，串联连接的电感91和电容器44在节点302与GND之间与保护二极管81～86并联连接。电容器44是DC阻断电容器，针对放大器的基波频率以上可视为短路。虚线所示的电阻32和电容器45示出保护二极管81～86的等效寄生电阻和等效电容器。如果以相对于基波频率而与电容器45并联共振的方式设定电感91的电感，则从节点302向保护二极管方向观察的路径的阻抗与从节点302向栅极端子7方向观察的阻抗相比足够高。因此，从封装件的栅极端子5朝向GaN类HEMT 10的栅极端子7的RF电力的通过损耗变小，能够抑制功率增益的下降。但是，在实际的保护二极管中存在寄生电阻32，产生由此引起的电力损耗，因此与能够通过低通滤波器而抑制由寄生电阻引起的损耗的实施方式1的结构相比，其损耗大。
图5是实施方式1涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图的一个例子。图1的电感61相当于61a～61d的导线，电感62相当于62a～62d的导线，电感63相当于63a～63d的导线。预匹配用芯片102之上的元件的GND通过通路孔201而与芯片背面的GND连接。GaN类HEMT 10的源极电极也同样地经由通路孔而与芯片背面连接。图1所示的GaN类HEMT10通过将多个单位栅极宽度并联连接而实现大的栅极宽度，因而如图5所示，常常具有多个栅极端子用焊盘7a～7d和漏极端子用焊盘8a～8d。向上述多个焊盘连接各导线而实现图1的电路。
另外，电感71、72是能够通过半导体工艺而形成的螺旋电感，电容器41、42是MIM(Metal-Insulator-Metal)电容器，电阻31由半导体沟道电阻或者薄膜电阻形成。
预匹配用芯片使用具有高电阻特性的基板，这在抑制RF损耗方面是优选的。另外，为了能够在基板之上形成保护二极管、电感、电容器以及电阻等，并且小型地对它们进行制造，优选能够使用半导体工艺而形成。并且，需要在基板进行与外部GND的连接。为了与该连接时相伴的寄生电感的降低，与键合导线相比优选通路孔，因而优选能够形成通路孔的工艺。当然，低成本这一点也是重要的指标。因此，就预匹配用芯片而言，优选例如GaAs基板、InP基板、SiC基板以及高电阻Si基板。GaAs基板的优点在于具有许多的化合物制造商，容易制作且比较廉价，SiC基板的优点在于虽然价格高但热阻低，保护二极管不易受到GaN类HEMT 10的发热的影响，高电阻Si基板的优点在于在大量生产时最廉价。在InP基板的情况下，在向预匹配用芯片还集成高速的信号处理电路等时也是有利的。
作为保护二极管的例子，以GaAs类的肖特基结二极管为例进行了叙述，这是由于肖特基结二极管是GaAs类芯片中最大众化的二极管，但也可以是pn结二极管。在GaAs类芯片的pn结的情况下，结势垒电位为约1.2V左右，与肖特基结势垒约0.7V相比较高。因此，具有能够削减二极管的级联级数的效果。
作为放大用晶体管芯片的例子，以GaN类HEMT为例，这是由于在本发明中GaN类HEMT芯片与预匹配用GaAs类芯片的组合最为合适，即使是GaAs类FET、Si类、SiC类MOSFET当然也可以得到相同的效果。
如上所述，就实施方式1涉及的半导体装置而言，由于向预匹配用的廉价芯片搭载保护二极管，因此提供抑制了由于向放大用GaN类HEMT芯片搭载预匹配电路以及保护二极管而导致的成本增大的结构，并且，通过经由低通滤波器来连接保护二极管，从而具有如下效果，即，能够通过少的二极管的级联级数而具有ESD破坏保护功能，并且抑制功率增益的下降。因此，对于成本的抑制和性能要求严格的移动电话基站用功率放大器是合适的。
[实施方式2]
图6是本发明的实施方式2涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图的一个例子。与图5的实施方式1的安装图的不同在于，将预匹配用芯片的电感71、72通过键合导线71a、72a而实现，而非螺旋电感。通常，键合导线与螺旋电感相比导体部的截面积大，因而具有寄生电阻小这一优点。因此，由电感71、72、电容器43构成的低通滤波器所引起的电力损耗小，因此能够进一步抑制实施方式1的功率增益的下降。另外，与使用占有预匹配用芯片的表面的螺旋电感的情况相比，在芯片面积削减方面也是有效的。关于其它的效果，与实施方式1相同。
[实施方式3]
图7示出本发明的实施方式3涉及的使用了GaN类HEMT芯片和预匹配用GaAs芯片的半导体装置的电路结构，图8示出实施方式3涉及的预匹配电路内置GaN类HEMT的封装件内安装图的一个例子。图3所记载的范围与实施方式1的图1相同地，相当于图9的封装件103的内侧的电路。与实施方式1的不同在于，从GaN类HEMT 10的栅极端子7朝向预匹配用芯片102，独立于电感62而设置有电感64，在电感64的前方沿正向而串联连接有低通滤波器(71、72、43)和保护二极管81～84。稳定化电阻31和电容器41与本发明的本质内容无关，因而不特别图示。在图8所示的安装图中，将电感64通过键合导线64a～64d而实现。图8的其它部分与图5相同。
在使功率放大器高效率工作时，常常将放大元件的输入输出阻抗除了对基波频率以外对于谐波也设定为某特定的阻抗。将此称为谐波处理或者谐波终止。在图7中，对电感64、电感71以及电容器43的值进行调整，将从GaN类HEMT 10的栅极端7向预匹配用芯片102侧观察的第2谐波阻抗与向相同方向观察的基波阻抗相比设定得足够低。由此，能够使放大工作时的效率与不进行谐波终止的情况相比高。
此时，相对于基波频率以及第2谐波来说的保护二极管81～84的寄生电阻的影响通过电感72的装配而降低，因而与实施方式1同样地，能够抑制由保护二极管的附加导致的功率增益的下降。另外，就实施方式3的电路结构而言，低通滤波器(71、72、43)不仅具有谐波终止的作用还会抑制由保护二极管的附加导致的功率增益下降，因而与向实施方式1的电路结构附加谐波终止电路的情况相比，在预匹配用芯片102的面积削减方面也具有效果。此外，关于其它的保护二极管的效果，具有与实施方式1相同的效果。
图9是实施方式3涉及的与图7不同的电路结构的一个例子。与图7不同，将GaN类HEMT 10分割为10a和10b这2个晶体管，针对它们各自设置有针对基波的预匹配用电感62a、62b和电容器42a、42b。谐波侧的路径也同样地被分割为2个。具体地说，是电感64a、电感71a、电容器43a、电感72a、保护二极管81a～84a的路径，和电感64b、电感71b、电容器43b、电感72b、保护二极管81b～84b的路径。
在图8的安装图中，谐波处理用路径通过键合导线64a～64d而汇总为一个后与电感71连接，但在这种情况下，从导线64a到电感71为止的路径长度与从导线64d到电感71为止的路径长度产生差异。在工作频率高的情况下，有时该路径长度之差会扩大谐波阻抗的差异，妨碍效率改善的效果。在这样的情况下，如果如图9所示将路径分割配置，则由路径长度引起的谐波阻抗之差得到抑制，因而能够提高效率改善效果。在图9中，将路径分割为2个，但进一步分割也可以得到相同的效果。
标号的说明
1：输入端子
2：输出端子
3：栅极偏置端子
4：漏极偏置端子
5：封装件的栅极端子
6：封装件的漏极端子
7：GaN类HEMT芯片的栅极端子
8：GaN类HEMT芯片的漏极端子
10：GaN类HEMT
21～25：传输线路
31～32：电阻
41～45：电容器
51～55：封装件外部的电容器
61～64：由键合导线形成的电感
71～72：预匹配用芯片之上的电感
81～86：保护二极管
101：GaN类HEMT芯片
102：预匹配用芯片
103：封装件的外框
104：用于安装芯片的封装件的基座板
301、302：预匹配电路的内部节点

Claims (9)

1.一种半导体装置，其具备：
第1半导体芯片，其包含场效应晶体管，该场效应晶体管具有栅极端子、漏极端子以及与接地用端子连接的源极端子；
第2半导体芯片，其具有彼此直流地通过配线而连接的输入端子和输出端子，该第2半导体芯片包含一端与所述配线连接，另一端与所述接地用端子连接的第1电容器；
第1电感，其连接在所述输出端子与所述栅极端子之间；
第2电感，其具有与所述配线连接的第1端子；
第2电容器，其形成于所述第2半导体芯片，连接在所述第2电感的与所述第1端子相反侧的端子即第2端子和所述接地用端子之间；
保护二极管，其形成于所述第2半导体芯片，并且该保护二极管的阳极与所述接地用端子连接；以及
第3电感，其连接在所述保护二极管的阴极与所述第2端子之间。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述场效应晶体管是GaN类HEMT，
并且所述第2半导体芯片由GaAs基板、InP基板、SiC基板以及高电阻Si基板中的任一基板制作。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述保护二极管是肖特基结二极管或者pn结二极管。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述第2电感或者所述第3电感是键合导线。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
将所述第1半导体芯片和所述第2半导体芯片安装于同一封装件。
6.一种半导体装置，其具备：
第1半导体芯片，其包含场效应晶体管，该场效应晶体管具有栅极端子、漏极端子以及与接地用端子连接的源极端子；
第2半导体芯片，其具有彼此直流地通过配线而连接的输入端子和输出端子，该第2半导体芯片包含一端与所述配线连接、另一端与所述接地用端子连接的第1电容器；
第1电感，其连接在所述输出端子与所述栅极端子之间；
第2电感，其具有与所述栅极端子连接的第1端子；
第2电容器，其形成于所述第2半导体芯片，连接在所述第2电感的与所述第1端子相反侧的端子即第2端子和所述接地用端子之间；
保护二极管，其形成于所述第2半导体芯片，沿正向而多个串联连接，并且阳极与所述接地用端子连接；以及
第3电感，其连接在所述保护二极管的阴极与所述第2端子之间。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述场效应晶体管是GaN类HEMT，
并且所述第2半导体芯片由GaAs基板、InP基板、SiC基板以及高电阻Si基板中的任一基板制作。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述保护二极管是肖特基结二极管或者pn结二极管。
9.根据权利要求6或7中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
将所述第1半导体芯片和所述第2半导体芯片安装于同一封装件。
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