FR2832548A1 - Transistor hyperfrequence de puissance - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne la fabrication des circuits intégrés fonctionnant en hyperfréquence, et plus précisément la fabrication de transistors de puissance. Le transistor a une structure interdigitée avec un peigne de doigts de base (24A), un peigne de doigts d'émetteur (12A), et un peigne de doigts de collecteur (34A). La ligne conductrice d'accès aux doigts de base comprend une première branche (23) dépourvue de doigts de base et une deuxième branche (25A) pourvue de doigts de base et constituant le dos du peigne de base. La deuxième branche est repliée le long de la première branche (23). Les deux branches sont suffisamment proches pour assurer un couplage électromagnétique entre elles, de manière que le signal introduit en amont de la première branche arrive sur chacun des doigts de base d'une part par propagation le long des branches (23 et 25A) et d'autre part par couplage électromagnétique direct de la première branche vers la deuxième en regard de chaque doigt de base. On réduit ainsi le déphasage entre doigts de base et on améliore la puissance fournie par le transistor.

Description

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TRANSISTOR HYPERFREQUENCE DE PUISSANCE
L'invention concerne la fabrication des circuits intégrés fonctionnant en hyperfréquence, et plus précisément la fabrication, sur ces circuits intégrés, de transistors de puissance destinés à l'amplification de signaux électriques hyperfréquence.
Par signaux hyperfréquence, on entend des signaux dont la fréquence est de plusieurs Gigahertz au moins. Les puissances considérées sont de l'ordre du watt au moins.
Les circuits intégrés hyperfréquence sont classiquement réalisés sur des substrats semiconducteurs en alliages binaires et ternaires à base d'arséniure de gallium, mais d'autres matériaux peuvent être envisagés. On décrira l'invention en référence à l'arséniure de gallium sans que cela soit considéré comme limitatif.
L'amplification se fait à partir de transistors bipolaires, NPN ou PNP, ou de transistors à effet de champ. L'invention est applicable dans tous les cas, mais elle est particulièrement intéressante pour les transistors bipolaires à hétérojonction, et c'est pourquoi elle sera décrite pour ce cas particulier. Un transistor bipolaire à hétérojonction comprend une région d'émetteur réalisée dans un matériau semiconducteur différent du matériau de base ; par exemple l'émetteur est en phosphure d'indium gallium gain ou en arséniure de gallium aluminium AlGaAs alors que la base et le collecteur sont en arséniure de gallium GaAs.
Classiquement, pour réaliser un amplificateur de puissance capable de fournir une puissance de 1 à 10 watts à 10 GHz. on utilise un dernier étage d'amplification dont le transistor de sortie est réalisé sous forme interdigitée : au lieu d'avoir une région d'émetteur unique entourée par une région de base unique, elle-même entourée par une région de collecteur unique (ce qui est le cas pour des transistors de très faible puissance), on constitue une alternance de régions d'émetteur, régions de base et régions de collecteur ; toutes les régions d'émetteur sont reliées entre elles par une ligne conductrice ; de même toutes les régions de base, et de même toutes les régions de collecteur. La densité de courant qui peut traverser le transistor est plus élevée grâce à cette division des régions d'émetteur et de collecteur. Typiquement, les régions d'émetteur, de base et de collecteur se
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succèdent linéairement selon l'alternance périodique suivante : collecteur, base, émetteur, base, et à nouveau collecteur, base, etc.
Pour relier entre elles les régions d'émetteur d'une part, les régions de base ensuite, et les régions de collecteur enfin, on est amené à prévoir des lignes conductrices d'amenée ou de départ de courant ou tension électrique en forme de peignes interdigités. Les doigts de ces peignes viennent en contact chacun avec une région respective d'émetteur, de base ou de collecteur.
La figure 1 représente un exemple de transistor de puissance bipolaire à hétérojonction réalisé sous forme interdigitée. Il s'agit d'une vue de dessus montrant les lignes électriques d'amenée ou de départ de signaux électriques vers les régions élémentaires d'émetteur, de base et de collecteur situées au dessous de ces lignes (et donc non visibles). Les lignes sont en forme de peignes avec des doigts : peigne d'émetteur 10 (zone hachurée) avec une ligne principale d'émetteur 12 et des doigts d'émetteur 14 ; peigne de base 20 (zone mouchetée) avec une ligne principale de base 22 et des doigts de base 24 ; peigne de collecteur 30 (zone ni hachurée ni mouchetée) avec une ligne principale de collecteur 32 et des doigts de collecteur 34. La structure de la figure 1 est une structure à quatre doigts d'émetteur, ce qui implique huit doigts de base et cinq doigts de collecteur puisque deux doigts de base entourent chaque doigt d'émetteur et qu'un doigt de base est situé entre un doigt d'émetteur et un doigt de collecteur.
Les lignes d'émetteur, de base et de collecteur sont bien entendu isolées les unes des autres par des couches isolantes non visibles sur une vue de dessus.
En théorie, plus les doigts sont nombreux, plus la puissance de sortie du transistor peut être élevée. Il y a toutefois des limites. comme on va l'expliquer, et la présente invention vise à repousser ces limites.
Un but de la présente invention est d'augmenter la puissance de sortie des transistors d'amplification de signaux hyperfréquence. Un autre but est d'augmenter si possible le rapport entre la puissance de sortie et la surface occupée par le transistor sur une puce de circuit intégré. La surface d'une puce de circuit intégré avec amplificateur est en effet ccnditionnée par la surface des transistors de sortie, et il est nécessaire de limiter la surface de la puce pour limiter le coût du produit final.
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La constitution représentée à la figure 1 n'est pas optimale de ce point de vue et on a déjà proposé de réaliser le transistor de puissance sous la forme représentée à la figure 2, qui est plus compacte et qui améliore le rapport puissance/surface occupée. Le transistor est alors réalisé sous forme symétrique par rapport à une ligne principale de base 22 de part et d'autre de laquelle s'étendent deux peignes de doigts de base 24A et 24B, deux peignes d'émetteur avec deux lignes d'émetteur 12A et 12B et des doigts d'émetteur 14A et 14B, et deux peignes de collecteur avec deux lignes de collecteur 32A et 32B et des doigts de collecteur 34A et 34B
On a constaté que cette disposition pouvait donner satisfaction pour des peignes de deux fois quatre doigts d'émetteur (comme représenté à la figure 2), mais que le gain et le rendement électrique chutaient fortement si on augmentait le nombre de doigts. A titre d'exemple, on a pu réaliser un transistor bipolaire à hétérojonction de deux fois quatre doigts d'émetteur de 2 micromètres de large par quarante micromètres de long chacun, fournissant un watt, avec un gain de 9 dB. En tentant de réaliser la même structure, mais avec deux fois dix doigts au lieu de deux fois quatre doigts, donc sur une surface au moins deux fois plus grande, on s'est rendu compte que le gain diminuait considérablement. Ayant plus que doublé la surface du transistor on ne modifiait pratiquement pas la puissance réellement disponible en sortie.
La présente invention propose une nouvelle structure de transistor de puissance fonctionnant en hyperfréquence, cette structure permettant d'augmenter notablement la puissance disponible en sortie. Dans la structure qui va être définie, on parlera, pour simplifier le langage. de base, émetteur et collecteur de transistor, que le transistor soit un transistor bipolaire ou un transistor à effet de champ, même si l'appellation plus usuelle dans ce dernier cas est grille, source et drain plutôt que base, émetteur et collecteur.
L'invention propose donc un transistor de puissance hyperfréquence à structure interdigitée comprenant une ligne principale d'accès à la base, une ligne principale d'accès à l'émetteur, et une ligne principale d'accès au collecteur, et des doigts d'émetteur, de base et de collecteur, interdigités, s'étendant chacun à partir de la ligne principale correspondante, la ligne principale de base comprenant au moins deux branches repliées l'une le long de l'autre (de préférence en U ou en V), la
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première branche étant dépourvue de doigts de base et la deuxième étant pourvue de doigts de base, les deux branches étant suffisamment proches pour assurer un couplage électromagnétique entre elles, de manière que le signal électrique introduit à une extrémité amont de la première branche arrive sur chacun des doigts de base d'une part par propagation le long de la première puis la deuxième branche, et d'autre part par couplage électromagnétique direct de la première branche vers la deuxième en regard de chaque doigt de base.
De cette manière, on obtient une meilleure uniformité de phase du signal d'entrée au niveau des différents doigts de base Cette uniformité de phase améliore considérablement le rendement électrique global du transistor. Ceci est tout particulièrement sensible dans le cas des transistors présentant une forte capacité entre base et émetteur, cette forte capacité tendant à induire de forts déphasages entre doigts de base. Les transistors bipolaires à hétérojonction ont une capacité base-émetteur particulièrement élevée, et c'est pourquoi l'invention est particulièrement adaptée à ce type de transistor.
De préférence, le transistor a une structure symétrique autour d'un axe s'étendant dans la direction des peignes (comme à la figure 2) ; dans ce cas, la ligne de base principale comporte deux branches portant des doigts de base, repliées de part et d'autre de la première branche dépourvue de doigts.
Dans une première réalisation, la deuxième branche est repliée plutôt en forme de U, l'intervalle entre la première branche et la ou les autres branches pourvues de doigts étant constant ou à peu près constant sur la totalité ou la quasi-totalité de la longueur du peigne.
Dans une deuxième réalisation, le repliement est plutôt en forme de V, au sens où l'intervalle entre les branches est plus grand aux extrémités des branches qu'à l'endroit où les branches se rejoignent. L'intervalle peut décroître progressivement par échelons au niveau de chaque doigt, depuis l'extrémité de la deuxième branche jusqu'au fond du V où les branches se rejoignent.
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels' - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent des structures de transistors hyperfréquence de l'art antérieur ; - la figure 3 représente une première réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente une deuxième réalisation de l'invention.
Sur la figure 3, les mêmes références qu'aux figures 1 et 2 sont utilisées pour décrire les éléments correspondants
On notera que le perfectionnement selon l'invention peut être apporté aussi bien à une structure simple (telle que celle de la figure 1) qu'à une structure symétrique (telle que celle de la figure 2). La figure 3 représente une constitution symétrique autour d'un axe XX, mais on peut comprendre l'invention en considérant d'abord une seule moitié de la figure, par exemple la moitié située au-dessus de l'axe XX.
Sur cette moitié supérieure, on a un peigne de doigts de base dont le dos est constitué par une ligne conductrice 25A perpendiculairement à laquelle s'étendent des doigts de base 24A régulièrement répartis. Des doigts d'émetteur 14A et des doigts de collecteur 34A alternent régulièrement avec les doigts de base. Les doigts d'émetteur sont reliés à un dos de peigne d'émetteur et les doigts de collecteur sont reliés à un dos de peigne de collecteur. Le dos de peigne d'émetteur est une ligne conductrice 12A ; le dos de peigne de collecteur est une ligne conductrice 32A.
Une ligne principale 22 d'accès à la base longe le dos 25A du peigne de doigts de base 24A avant de rejoindre l'extrémité de ce dos. Autrement dit, la ligne d'accès aux doigts de base est repliée et comporte une première branche 23 qui longe le dos du peigne sans être en contact avec lui, et une deuxième branche 25A qui constitue le dos du peigne pour amener le courant jusqu'à chacun des doigts La première branche 23 ne comporte pas de doigts de base tandis que la deuxième branche 25A (ou dos du peigne) comporte des doigts de base 24A.
L'intervalle entre les deux branches est étroit. de manière qu'un couplage électromagnétique direct se fasse entre les deux branches de la ligne d'accès à la base.
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Le signal électrique hyperfréquence qui est amené à la base pour être amplifié par le transistor parvient aux doigts de base par deux chemins à la fois. Le premier chemin est constitué par la ligne d'accès elle-même qui est conductrice mais qui présente une certaine impédance répartie aux signaux hyperfréquence qui la parcourent. Le deuxième chemin est un couplage électromagnétique direct (par mutuelle inductance) entre les deux branches de la ligne ; ce couplage se produit de manière répartie le long des branches car il s'agit d'un couplage entre des zones localement en regard, les unes sur la première branche, les autres sur la deuxième
Les doigts de base qui sont situés le plus loin de l'arrivée de signal sur le trajet du signal en suivant la ligne 22 (c'est-à-dire les doigts situés à l'extrémité de la deuxième branche 25A, à gauche sur la figure), sont au contraire situés plus près sur le deuxième chemin. Et inversement les doigts de base les plus proches en suivant le trajet de courant le long de la ligne (à droite sur la figure) sont également les plus éloignés du point de vue de l'autre trajet par couplage électromagnétique. En effet, ils ne reçoivent un signal par couplage électromagnétique qu'après que ce signal a déjà parcouru presque toute la première branche 23.
Il en résulte qu'il y a une sorte de compensation du déphasage qui existe dans un schéma tel que celui de la figure 2 : dans le schéma de la figure 2, il y a un déphasage entre le signal qui parvient sur les doigts de droite et le signal qui parvient sur les doigts de gauche. Or on a trouvé que ce déphasage est sans doute une des causes principales de la difficulté qu'on a à augmenter le nombre de doigts du transistor et augmenter simultanément la puissance fournie.
La structure des doigts de collecteur et des doigts d'émetteur n'est pas modifiée par rapport à celle de l'art antérieur (structure telle que celle de la figure 1 ou de la figure 2 par exemple). Dans tous les cas, un doigt d'émetteur 14A est situé entre deux doigts de base 24A, et un doigt de base est situé entre un doigt d'émetteur 14A et un doigt de collecteur 34A.
On a pu réaliser ainsi des peignes de dix doigts d'émetteur.
Comme on le voit sur la figure 3, si la structure est symétrique, la ligne principale 23 se replie de part et d'autre de l'axe XX en une deuxième branche 25A déjà décrite et une troisième branche 25B qui joue le même
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rôle que la branche 25A mais vis-à-vis d'un deuxième peigne de doigts de base 24B dont la troisième branche 25B constitue le dos.
Un deuxième peigne d'émetteur (ligne 12B, doigts 14B) est associé à ce deuxième peigne de base, et de même un deuxième peigne de collecteur (ligne 32B, doigts 34B). Les deux peignes d'émetteur sont reliés électriquement entre eux, les deux peignes de collecteur aussi. On peut ainsi réaliser un peigne de deux fois dix doigts d'émetteur. Pour des puissances plus grandes, plusieurs structures symétriques telles que celle de la figure 3 peuvent être associées, leurs lignes d'émetteur étant reliées, de même que leurs lignes de base, et de même que leurs lignes de collecteur.
Si on veut encore affiner, en utilisant des simulations appropriées pour déterminer la phase du signal sur chaque doigt de base, en tenant compte des paramètres de la technologie employée, on peut donner à l'intervalle entre les deux branches 23 et 25A une largeur variable le long du dos du peigne. En jouant sur cette largeur, on modifie le couplage entre les deux branches au niveau de chaque doigt, et on agit donc sur le déphasage d'une manière plus fine que si l'intervalle reste constant.
La figure 4 représente une telle réalisation, dans laquelle le couplage entre la branche 23 et la branche 25A au niveau des doigts situés le plus à gauche (du côté de l'extrémité amont de la première branche) est plus faible qu'à l'endroit où les branches 23 et 25A se rejoignent (à droite). L'espacement ente les branches 23 et 25A décroît progressivement de l'amont de la première branche (aval de la deuxième branche) vers l'aval de la première branche (amont de la deuxième). L'amont et l'aval sont référencés par rapport à la propagation du signal électrique appliqué à la base du transistor. L'espacement peut varier par saut au niveau de chaque doigt.
Etant donné que cette disposition, plus favorable du point de vue de l'uniformité de la phase du signal de base, est moins favorable du point de vue de la surface occupée par le transistor, on comprend qu'on peut préférer une disposition à intervalle constant lorsqu'on veut limiter la surface occupée par le transistor.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Transistor de puissance hyperfréquence à structure interdigitée comprenant une ligne principale (22) d'accès à la base, une ligne principale (12A) d'accès à l'émetteur, et une ligne principale (32A) d'accès au collecteur, et des doigts d'émetteur (14A), de base (24A) et de collecteur (34A), interdigités, s'étendant chacun à partir de la ligne principale correspondante, la ligne principale d'accès à la base (22) comprenant au moins deux branches repliées l'une le long de l'autre, la première branche (23) étant dépourvue de doigts de base et la deuxième (25A) constituant le dos d'un peigne pourvu de doigts de base, les deux branches étant suffisamment proches pour assurer un couplage électromagnétique entre elles, de manière que le signal électrique introduit à une extrémité amont de la première branche (3) arrive sur chacun des doigts de base d'une part par propagation le long de la première branche puis la deuxième branche, et d'autre part par couplage électromagnétique direct de la première branche vers la deuxième en regard de chaque doigt de base.
2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une structure symétrique autour d'un axe (XX) s'étendant dans la direction de la première branche, la ligne principale d'accès à la base (22) comportant une troisième branche (25B) symétrique de la deuxième, repliée de l'autre côté de la première, la troisième branche constituant le dos d'un peigne de doigts de base (24B).
3. Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'intervalle entre la première branche et la deuxième est sensiblement constant sur la quasi-totalité de la longueur du peigne.
4. Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'intervalle entre la première branche et la deuxième décroît de l'extrémité amont de la première branche vers son extrémité aval.
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