JP2000068762A - Field effect transistor and its active circuit - Google Patents

Field effect transistor and its active circuit

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JP2000068762A
JP2000068762A JP10240525A JP24052598A JP2000068762A JP 2000068762 A JP2000068762 A JP 2000068762A JP 10240525 A JP10240525 A JP 10240525A JP 24052598 A JP24052598 A JP 24052598A JP 2000068762 A JP2000068762 A JP 2000068762A
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drain
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the active circuits of an amplifier, an oscillator, etc., having the satisfactory input/output impedance matching by previously embedding the phase returning capacitors in a gate or drain lead wire, a bus, a bar, etc., and using these capacitors as active elements. SOLUTION: In regard to the plane layout structure of an FET(field effect transistor) part of an FET, the phase returning capacitors 11 and 11' are embedded in the lead wires 9 and 10 of one or both of a gate and a drain. Meanwhile, an input RF signal port 6, an output RF signal port 7 and the gate and drain DC bias ports 8 and 8' are prepared at the FET part. When the capacitors 11 and 11' are formed on an integrated circuit, an MIM(metal-insulator-metal) structure or an interdigital structure is applied to secure the small distribution constant property and the integrated constant characteristic. As a result, a trimming job is facilitated and a total size can be reduced for a matching circuit.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、入出力インピーダ
ンス整合が簡単にとれるマイクロ波・ミリ波用の電界効
果トランジスタ及びその使用による能動回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave / millimeter-wave field effect transistor capable of easily achieving input / output impedance matching and an active circuit using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界効果トランジスタ(FET:Field E
ffect Transistor)などのトランジスタを適用してミリ
波動作、特にWバンド動作の高出力増幅器を構成する場
合がある。高出力をねらっているので、FETはほとん
どの場合、マルチセル構造をとっている。
2. Description of the Related Art Field effect transistors (FETs)
In some cases, a transistor such as a ffect transistor is applied to form a high-output amplifier that operates in a millimeter wave, in particular, a W band. Since high output is intended, the FET has a multi-cell structure in most cases.

【0003】マルチセル構造のFETにおいて従来例と
して、入(出)力整合をとる場合における入(出)力引
出し線の部分について説明する。ここで、入(出)力引
出し線の部分とは、通常、入力の場合のゲート引出し線
あるいはゲート・バス・バー、出力の場合のドレイン引
出し線あるいはドレイン・バス・バーの部分を指すもの
である。
[0003] As a conventional example of a multi-cell structure FET, a description will be given of a portion of an input / output force lead line when input / output force matching is performed. Here, the part of the input (output) force lead line generally refers to the part of the gate lead line or gate bus bar for input, and the part of the drain lead line or drain bus bar for output. is there.

【0004】図9は従来の電界効果トランジスタにおけ
る位相戻し用キャパシタ付近のレイアウトを概観的に示
す平面図、図10は従来のFET構造に基づく入(出)
力インピーダンス整合の図である。
FIG. 9 is a plan view schematically showing a layout near a phase return capacitor in a conventional field effect transistor, and FIG. 10 is an input / output based on a conventional FET structure.
It is a figure of force impedance matching.

【0005】図9おけるB点は、入(出)力整合回路を
接続する場合の入(出)力整合の開始点を表す。ゲート
幅Wg(不図示)の大きな出力段のFETの入(出)力イ
ンピーダンスは、スミス・チャート上で50Ωの等コン
ダクタンス円5より上部の上半球(つまり誘導性インピ
ーダンス)になることがある。この場合、図10に示す
ように、アドミッタンス・スミス・チャートで☆印が施
された部分に、整合回路による整合の開始点であるB点
が来るということになる。この傾向はより高い周波数で
あるほど、またゲート幅Wgが大きければ大きいほど強
くなる。
A point B in FIG. 9 represents a starting point of the input / output force matching when the input / output force matching circuit is connected. The input (output) impedance of an output stage FET having a large gate width Wg (not shown) may be an upper hemisphere (that is, an inductive impedance) above a 50Ω equal conductance circle 5 on the Smith chart. In this case, as shown in FIG. 10, the point B, which is the starting point of the matching by the matching circuit, comes to the portion marked with a mark in the admittance Smith chart. This tendency becomes stronger as the frequency becomes higher and as the gate width Wg becomes larger.

【0006】このような誘導性入(出)力インピーダン
スをもったFETにおいて、入(出)力インピーダンス
整合をとろうとしても、通常用いられる伝送線路とスタ
ブの組み合わせではスミスチャートにおいて位相を反時
計廻りに戻すことが原理的にできないため良好な整合が
とれない。
In an FET having such an inductive input (output) impedance, even if an attempt is made to match the input (output) impedance, the phase in the Smith chart is counterclockwise in a combination of a transmission line and a stub which is usually used. Since it cannot be returned to the surroundings in principle, good matching cannot be obtained.

【0007】そこで図9に示したFETの外部にキャパ
シタ(図示してない)を接続し、予め位相を図10におけ
る50Ω等コンダクタンス円5内のC点まで戻した上
で、通常のインピーダンス整合の手段(つまり伝送線路
とスタブ、あるいは1/4波長線路によるインピーダン
ス変換)で整合をとれるようにする、という手法が用い
られている。C点は位相戻し用キャパシタによって戻さ
れた入(出)力インピーダンスを表し、 C点からD点ま
では伝送線路による位相回転(進み)を表す。
Therefore, a capacitor (not shown) is connected to the outside of the FET shown in FIG. 9 and the phase is returned in advance to the point C in the conductance circle 5 such as 50Ω in FIG. A method is used in which matching can be achieved by means (that is, impedance conversion using a transmission line and a stub or a quarter wavelength line). Point C represents the input (output) impedance returned by the phase return capacitor, and points C to D represent the phase rotation (advance) by the transmission line.

【0008】図10では、C点から伝送線路によって位
相を進め、入(出)力インピーダンスを50Ωの等コン
ダクタンス円5のD点に持ってきた上で、動作周波数に
て容量性の性質をもつオープン・スタブでインピーダン
スを補償して入(出)力インピーダンスを50Ωに整合
させる(すなわち図10の中心点Oにもってくる)場合
を示している。すなわち、D点から中心点Oまではオー
プン・スタブによるインピーダンス補償を表す。
In FIG. 10, the phase is advanced from the point C by a transmission line, the input (output) force impedance is brought to the point D of the equal conductance circle 5 of 50Ω, and then, it has a capacitive property at the operating frequency. The case where the input (output) impedance is matched to 50Ω by compensating the impedance by the open stub (that is, brought to the center point O in FIG. 10) is shown. That is, the impedance from the point D to the center point O represents the impedance compensation by the open stub.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかし、FETの外部
にキャパシタを配すると、FETからキャパシタまでの
距離があるためにその配線分の移相進みも含めて位相を
戻す必要が生じる。これは図示すると、図10において
整合の開始点がB点からB‘点(位相戻し用キャパシタを
FETの外部に配したときの整合の開始点)になること
である。従って位相をC点まで戻すためのキャパシタと
しては、たいへん小さな容量値(0.1pF以下など)
のキャパシタが要ることになる。小さな容量値をねらっ
てキャパシタを精度よく実現することは一般に難しい。
However, if a capacitor is provided outside the FET, the distance from the FET to the capacitor is large, so that it is necessary to return the phase including the phase shift of the wiring. This means that, in FIG. 10, the starting point of the matching is from the point B to the point B '(the starting point of the matching when the phase return capacitor is arranged outside the FET) in FIG. Therefore, as a capacitor for returning the phase to the point C, a very small capacitance value (eg, 0.1 pF or less)
Is required. It is generally difficult to accurately realize a capacitor with a small capacitance value.

【0010】また、MIM(金属−絶縁体−金属)構造
を適用した集中定数性の高いキャパシタといえども実際
には物理的寸法があるので、位相を戻す作用の他に位相
を進める作用を併せ持つため(たとえば76GHzで
は、たとえ15μmの長さでも、そこでの位相回転は無
視できない大きさとなる)、さらに、この分布定数的性
質が、高い周波数ほど目立ってくるために、特にWバン
ドのような高い動作周波数では、キャパシタの物理的形
状を決定する実際的設計において高精度の設計性が望め
なかった。
In addition, although a capacitor having a high lumped constant with an MIM (metal-insulator-metal) structure actually has physical dimensions, it has not only a function of returning the phase but also a function of advancing the phase. (For example, at 76 GHz, even if the length is 15 μm, the phase rotation there is not negligible.) Further, since this distributed constant property becomes more conspicuous at higher frequencies, it is particularly high in the W band. At the operating frequency, high-precision designability could not be expected in a practical design for determining the physical shape of the capacitor.

【0011】以上のような問題点の解決が、ミリ波高出
力増幅器の設計において大きな課題であった。
The solution of the above problems has been a major problem in designing a millimeter-wave high-power amplifier.

【0012】本発明の目的は、従来技術の上記課題に鑑
み、従来のようにFETの外部にキャパシタを配するこ
となく、比較的実現性と設計精度のよいことを特徴と
し、FETを能動素子として用いてWバンド動作等のミ
リ波能動回路を構成しようとするときに、FETの入出
力インピーダンス整合を良好にとるための基本的な技術
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an FET which has relatively high feasibility and design accuracy without disposing a capacitor outside the FET. It is an object of the present invention to provide a basic technique for obtaining good input / output impedance matching of FETs when a millimeter-wave active circuit for W-band operation or the like is to be constructed by using the above.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、従来技術の上
記課題を解決するため、FETのマルチセル構成の平面
レイアウト構造において、引出し線やバス・バーなどに
位相戻し用のキャパシタを予め作り込んだキャパシタ作
り込み構造をとる。
According to the present invention, in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, in a planar layout structure of a multi-cell structure of FETs, a capacitor for returning a phase is previously formed in a lead line, a bus bar, or the like. Take a capacitor built-in structure.

【0014】本発明は、また、キャパシタ作り込み構造
について、FETの入力(ゲート)側に適用したり、出力
(ドレイン)側に適用したり、また入力(ゲート)側に
も出力(ドレイン)側にも適用したものである。さら
に、これらのキャパシタ作り込み構造のFETを能動素
子として用いた増幅器や発振器などの能動回路である。
The present invention also relates to a structure incorporating a capacitor, which is applied to an input (gate) side of an FET, applied to an output (drain) side, and applied to an input (gate) side. It is also applied to Further, it is an active circuit such as an amplifier or an oscillator using an FET having such a capacitor built-in structure as an active element.

【0015】FETの平面レイアウト構造内に位相戻し
用のキャパシタを作り込んだことにより、このキャパシ
タのキャパシタンス値を、比較的実現性と設計精度のよ
い範囲に納めることができる。
By forming a capacitor for phase return in the planar layout structure of the FET, the capacitance value of this capacitor can be kept within a range of relatively high feasibility and design accuracy.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0017】図1は本発明のキャパシタ作り込み電界効
果トランジスタFETにおける引出し線部分のレイアウ
トを概念的に示す平面図、図2は本発明のFET構造に
基づく入(出)力インピーダンス整合の図である。
FIG. 1 is a plan view conceptually showing a layout of a lead line portion in a capacitor built-in field effect transistor FET of the present invention, and FIG. 2 is a view of input (output) force impedance matching based on the FET structure of the present invention. is there.

【0018】本実施形態の構造の特徴は、図1に示すよ
うに、FET(不図示)の入出力インピーダンス整合を良
好にとるための構造として、ゲートやドレインの引出し
線2にキャパシタ3が作り込まれている点である。FE
Tの構造の内、リセス構造やゲート電極構造などの中心
的部分については、従来構造のままでよい。すなわち、
従来では位相戻し用のキャパシタをFETの平面レイア
ウトの外部に配していたところを、本実施形態ではFE
Tの平面レイアウトの内部のゲート引出し線やドレイン
引出し線の部分に形成する点である。この場合、入
(出)力整合の開始点は図1のA点になる。
A feature of the structure of this embodiment is that, as shown in FIG. 1, a capacitor 3 is formed on a lead line 2 of a gate or a drain as a structure for achieving good input / output impedance matching of an FET (not shown). It is a point that is embedded. FE
In the structure of T, a central part such as a recess structure or a gate electrode structure may be a conventional structure. That is,
Conventionally, the phase return capacitor is disposed outside the planar layout of the FET.
This is a point formed in the portion of the gate lead line and the drain lead line inside the planar layout of T. In this case, the starting point of the input (output) force matching is point A in FIG.

【0019】作り込むキャパシタンス値は、図10にお
けるB点から図2におけるA点(整合の開始点)までの位
相の戻し分でよく、実際上小さくてもたとえば0.2p
F程度でよいので、あまり小さな値にしなくても済むか
らである。また、図9におけるB点からB‘点までの伝
送線路は基本的には不要になるので、整合回路全体のレ
イアウトの縮小化につながる。また、キャパシタの物理
的寸法がもつ不要な位相進み分は、引出し線やバス・バ
ーが元々有している分布定数性の一部となってしまい、
ほとんど無視できるくらいに低減できる。
The capacitance value to be made may be the phase return from the point B in FIG. 10 to the point A (matching start point) in FIG. 2.
This is because the value may be about F, so that the value does not need to be too small. Further, the transmission line from the point B to the point B 'in FIG. 9 is basically unnecessary, which leads to a reduction in the layout of the entire matching circuit. In addition, the unnecessary phase lead of the physical dimensions of the capacitor becomes a part of the distributed constant property originally possessed by the lead wire and the bus bar,
It can be reduced to almost negligible.

【0020】図2では、A点から伝送線路によって位相
を進め、入(出)力インピーダンスを50Ωの等コンダ
クタンス円5のD点に持ってきた上で、容量性の性質を
もつオープン・スタブでインピーダンスを補償して入
(出)力インピーダンスを50Ωに整合させ、図示の中
心点Oにもってくればよい。すなわち、D点から中心点
Oまではオープン・スタブによるインピーダンス補償を
表す。
In FIG. 2, the phase is advanced from the point A by the transmission line, the input (output) force impedance is brought to the point D of the equal conductance circle 5 of 50Ω, and the open stub having the capacitive property is used. The input (output) impedance should be matched to 50Ω by compensating the impedance and brought to the center point O shown in the figure. That is, the impedance from the point D to the center point O represents the impedance compensation by the open stub.

【0021】また、予めこのキャパシタによって位相を
多い目に戻しておけば、あとは伝送線路とオープン・ス
タブでFETの入(出)力整合がとれる。
If the phase is previously returned to a larger value by this capacitor, the input / output force of the FET can be matched with the transmission line and the open stub.

【0022】FETと各種受動素子(配線、キャパシ
タ、抵抗、インダクタなど)を同一基板上にモノリシッ
クに形成する断面構造やプロセス・フローを採用するな
らば、本実施形態のFETを製作する時の集積回路の断
面構造やプロセス・フローは従来方法のままでよい。本
実施形態のFET構造を従来構造を基に実現するには、
平面レイアウト構造においてゲート引出し線やドレイン
引出し線の部分にキャパシタを作り込めばよい。
If a cross-sectional structure or a process flow in which the FET and various passive elements (such as wiring, capacitors, resistors, and inductors) are monolithically formed on the same substrate is adopted, integration in manufacturing the FET of the present embodiment is possible. The cross-sectional structure and process flow of the circuit may be the same as the conventional method. To realize the FET structure of this embodiment based on the conventional structure,
In the planar layout structure, a capacitor may be formed in a portion of a gate lead line or a drain lead line.

【0023】図3は本発明のFET構造を入力(ゲー
ト)側に適用した場合のFET等価回路図、図4は本発
明のFET構造を出力(ドレイン)側に適用した場合の
FET等価回路図、図5は本発明のFET構造を入・出
力(ゲート・ドレイン)側双方に適用した場合のFET等
価回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the FET when the FET structure of the present invention is applied to the input (gate) side, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the FET when the FET structure of the present invention is applied to the output (drain) side. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an FET when the FET structure of the present invention is applied to both the input and output (gate / drain) sides.

【0024】本発明では、キャパシタ作り込み構造につ
いて、図3はFETの入力(ゲート)側に適用したもので
ある。さらに、ゲート巾が600μmになると、ほとん
どの場合、FETの入力インピーダンスも出力インピー
ダンスも図2,10で☆印を打った誘導性領域に入って
くる。図4は出力(ドレイン)側にのみ適用したもので
ある。通常はあまり使われないが、採用する整合回路に
よっては、必要となる場合がある。また、図5は入力
(ゲート)側にも出力(ドレイン)側にも適用したもの
である。
In the present invention, FIG. 3 shows a structure in which a capacitor is formed, which is applied to the input (gate) side of an FET. Further, when the gate width is 600 μm, in most cases, both the input impedance and the output impedance of the FET enter the inductive region marked with a star in FIGS. FIG. 4 shows an example applied to only the output (drain) side. It is not usually used much, but may be required depending on the matching circuit employed. FIG. 5 shows a case where the present invention is applied to the input (gate) side and the output (drain) side.

【0025】さて、位相戻し用のキャパシタの構造を具
体的に集積回路上に形成する場合については、MIM
(金属−絶縁体−金属)構造やインターディジタル構造
のものが考えられるが、ミリ波などの高い周波数に対応
できるためには、できるだけ分布定数性が小さく集中定
数的な特性をもつものがよいので、MIM構造を採用す
るのがよい。
Now, in the case where the structure of the capacitor for phase return is specifically formed on an integrated circuit,
A (metal-insulator-metal) structure or an interdigital structure is conceivable. However, in order to be able to cope with high frequencies such as millimeter waves, it is preferable to use a material having a distribution constant characteristic and a lumped constant characteristic as much as possible. , MIM structure is preferred.

【0026】MIM構造を位相戻し用のキャパシタとし
て採用した場合のレイアウトでは、FETと外部整合回
路とをMIMキャパシタの上部電極層で接続するか、下
部電極層で接続するかで、大きく分けて2通りが考えら
れる。
In the layout in which the MIM structure is employed as a phase return capacitor, the FET and the external matching circuit are roughly divided into two types depending on whether they are connected by an upper electrode layer or a lower electrode layer of the MIM capacitor. The street is conceivable.

【0027】図6は、FETと外部整合回路とをMIM
キャパシタの上部電極層で接続する場合のレイアウト図
である。FETから外部に伸びる伝送線路は通常の(金
などの)配線層だけで形成されるために、整合回路の伝
送線路部の特性インピーダンスの設計性がよく、またオ
ープン・スタブがFETの極く近傍に接続できるという
メリットがある。また、MIMキャパシタの耐圧向上の
ために、キャパシタ上部電極層16とその外部配線層1
2との接続部分にエアブリッジ構造17を適用している
が、エアブリッジ部分は通常1個所で済む。しかしキャ
パシタの下部電極層14と配線層13との電気的コンタ
クトのための窓明け部分15の個所が比較的多く必要で
ある。
FIG. 6 shows that the FET and the external matching circuit are connected to the MIM.
FIG. 4 is a layout diagram in a case where connection is made with an upper electrode layer of a capacitor. Since the transmission line extending from the FET to the outside is formed only by a normal wiring layer (such as gold), the characteristic impedance of the transmission line of the matching circuit is well designed, and the open stub is located very close to the FET. There is a merit that can be connected to. In order to improve the breakdown voltage of the MIM capacitor, the capacitor upper electrode layer 16 and its external wiring layer 1
Although the air bridge structure 17 is applied to the connection portion with the air bridge 2, the air bridge portion usually requires only one portion. However, a relatively large number of openings 15 for electrical contact between the lower electrode layer 14 of the capacitor and the wiring layer 13 are required.

【0028】図7はFETと外部整合回路とをMIMキ
ャパシタの下部電極層で接続する場合のレイアウト図で
ある。キャパシタの下部電極層14と配線層層13との
電気的コンタクトのための窓明け個所は比較的少なくて
済むメリットがある。しかし、FETと外部の配線層1
2とは、まず初めにキャパシタの下部電極層14で接続
されるために、外部の配線部分で、下部電極層14と配
線部分12の電気的コンタクト用窓明け15が必要とな
り、外部整合回路の伝送線路部分の特性インピーダンス
の設計性に注意しなければならない。また、オープン・
スタブをFETのごく近傍には配しにくい。また、MI
Mキャパシタの耐圧向上のために、キャパシタ上部電極
層16とその外部配線層12との接続部分にエアブリッ
ジ構造17を適用すると、図7からわかるようにエアブ
リッジ部分は3個所必要となる。どちらかというと、図
6の配線構成の方が集積回路として適用しやすいと考え
られる。
FIG. 7 is a layout diagram when the FET and the external matching circuit are connected by the lower electrode layer of the MIM capacitor. There is an advantage that the number of openings for electrical contact between the lower electrode layer 14 of the capacitor and the wiring layer 13 is relatively small. However, the FET and the external wiring layer 1
First, since the lower electrode layer 14 of the capacitor is first connected, the external wiring portion needs a window 15 for electrical contact between the lower electrode layer 14 and the wiring portion 12, and the external matching circuit Care must be taken in designing the characteristic impedance of the transmission line. In addition, open
It is difficult to arrange the stub very close to the FET. Also, MI
When the air bridge structure 17 is applied to the connection between the capacitor upper electrode layer 16 and the external wiring layer 12 in order to improve the breakdown voltage of the M capacitor, three air bridge portions are required as shown in FIG. If anything, it is considered that the wiring configuration of FIG. 6 is easier to apply as an integrated circuit.

【0029】一方、図8は、実際にGaAs基板上に本発明
のキャパシタ作り込みFETを形成した場合における図
6あるいは図7に示したキャパシタや配線部分の断面構
造図である。
On the other hand, FIG. 8 is a sectional structural view of the capacitor and the wiring portion shown in FIG. 6 or FIG. 7 in the case where the capacitor built FET of the present invention is actually formed on a GaAs substrate.

【0030】半絶縁性GaAs基板18のウエハ上にエピタ
キシャル成長させたGaAs系結晶材料19の上にキャパシ
タと配線層12、13を形成したものである。キャパシ
タの下部電極層14にはチタン・アルミニウム・チタン
(Ti/Al/Ti)を用いた。誘電体には窒化珪素(SiNx)2
3を用いた。配線層12、13とキャパシタ上部電極層
16には、下層13にチタン・白金・金(Au/Pt/Ti)、
上層12とキャパシタ上部電極層16に金(Au)からな
る金属導体層を用いた。チタン・白金・金(Au/Pt/Ti)
層13を抜いたところはエアブリッジ構造17になって
いる。FETの中心部分であるリセスやゲート電極など
は、上記のキャパシタや配線の構造のプロセスとモノリ
シックに形成される。
A capacitor and wiring layers 12 and 13 are formed on a GaAs crystal material 19 epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate 18 wafer. Titanium / aluminum / titanium (Ti / Al / Ti) was used for the lower electrode layer 14 of the capacitor. Silicon nitride (SiNx) 2 for dielectric
3 was used. For the wiring layers 12 and 13 and the capacitor upper electrode layer 16, titanium / platinum / gold (Au / Pt / Ti)
A metal conductor layer made of gold (Au) was used for the upper layer 12 and the capacitor upper electrode layer 16. Titanium, platinum, gold (Au / Pt / Ti)
Where the layer 13 is removed, an air bridge structure 17 is formed. The recesses, gate electrodes, and the like, which are the central portions of the FET, are formed monolithically with the above-described capacitor and wiring structure processes.

【0031】上述の配線構成に基づき、FETの平面レ
イアウト構造内に位相戻し用のキャパシタを作り込み、
このキャパシタのキャパシタンス値の設定を具体的に行
ってみた。基本的な設計では、キャパシタンス値は、図
10におけるB点からC点までの位相の戻し分でよい。
Based on the above wiring configuration, a capacitor for phase return is formed in the planar layout structure of the FET,
The setting of the capacitance value of this capacitor was specifically performed. In a basic design, the capacitance value may be the phase return from point B to point C in FIG.

【0032】また、実際にゲート巾600μmのFET
を用いて76GHz動作の高出力増幅器を設計したとこ
ろ、入力側にも出力側にも位相戻し用のキャパシタが必
要であったが、キャパシタンス値は共に0.3〜0.4
pF程度が適当と算出され、比較的実現性と設計精度の
よい範囲に入ることがわかった。一方、この増幅器を従
来構造で設計すると、位相戻し用のキャパシタのキャパ
シタンス値は0.1pF以下の大変小さな値が必要とな
ってしまう。このような小さな容量値をねらってキャパ
シタの容量値を精度よく実現することは一般に難しい。
Further, an FET having a gate width of 600 μm is actually used.
Was used to design a high-output amplifier operating at 76 GHz. As a result, a capacitor for returning the phase was required on both the input side and the output side.
It was calculated that the pF level was appropriate, and it was found to be within a range of relatively high feasibility and design accuracy. On the other hand, when this amplifier is designed with a conventional structure, the capacitance value of the capacitor for phase return needs to be a very small value of 0.1 pF or less. It is generally difficult to accurately realize the capacitance value of the capacitor with the aim of such a small capacitance value.

【0033】これらのキャパシタ作り込み構造(図6な
いしは図7に示した構造)のFETを能動素子として用
いた増幅器や発振器などの能動回路が考えられ、本発明
のFET構造を適用することによってインピーダンス整
合の設計精度が大幅に向上するだけでなく、チップレイ
アウト面積の縮小にもつながる。
An active circuit such as an amplifier or an oscillator using an FET having such a capacitor-built-in structure (the structure shown in FIG. 6 or FIG. 7) as an active element is conceivable. Not only does the design accuracy of the matching greatly improve, but it also leads to a reduction in the chip layout area.

【0034】次に、本発明のキャパシタ作り込み電界効
果トランジスタ(FET)をマイクロ波・ミリ波集積回路
に実際に適用した実施形態について説明する。
Next, an embodiment in which the capacitor built-in field effect transistor (FET) of the present invention is actually applied to a microwave / millimeter wave integrated circuit will be described.

【0035】さらに詳細設計では、予め位相戻し用のキ
ャパシタのキャパシタンス値を0.2pFと小さ目に設
定して位相を多い目に戻すことによって、あとは伝送線
路とオープン・スタブでFETの入(出)力整合がとれ
るように設計できた。適用したMIMキャパシタの誘電
体は窒化珪素(SiNx)でその膜厚は1000オングスト
ロームであったので0.2pFのキャパシタンス値の実
現のためには、MIMキャパシタの上部電極層の寸法は
9μm×32μmであった。この寸法値は引出し線やバ
ス・バーにキャパシタを作り込むにはちょうど適当な値
となった。
In the detailed design, the capacitance of the capacitor for returning the phase is previously set to a small value of 0.2 pF and the phase is returned to the larger value, so that the input and output of the FET can be controlled by the transmission line and the open stub. ) Designed to achieve force matching. Since the dielectric of the applied MIM capacitor was silicon nitride (SiNx) and its thickness was 1000 Å, in order to realize a capacitance value of 0.2 pF, the size of the upper electrode layer of the MIM capacitor was 9 μm × 32 μm. there were. These dimensions were just right for making capacitors in lead wires and bus bars.

【0036】また、76GHz高出力増幅器MMICとして増
幅器を構成した時の整合回路のトリミングとしては、基
本的にはオープン・スタブの位置(つまり位相回転用の
伝送線路の線路長)と長さを修正するだけでよく、キャ
パシタのキャパシタンス値の変更は必要なかったので、
トリミングがたいへん容易であった。さらに、図9にお
けるB点からB‘点までの伝送線路は全くなくすること
が可能なので、整合回路全体のレイアウトの縮小化につ
ながった。また、キャパシタの物理的寸法がもつ不要な
位相進み分は、引出し線やバス・バーがもともと有して
いる分布定数性の一部となってしまい、ほとんど無視で
きるくらいに低減できた。
When trimming the matching circuit when the amplifier is configured as a 76 GHz high power amplifier MMIC, the position of the open stub (that is, the length of the transmission line for phase rotation) and the length are basically corrected. Since there was no need to change the capacitance value of the capacitor,
Trimming was very easy. Furthermore, since the transmission line from point B to point B 'in FIG. 9 can be eliminated at all, the layout of the entire matching circuit can be reduced in size. In addition, the unnecessary phase lead of the physical dimensions of the capacitor became a part of the distribution constant property originally possessed by the lead wire and the bus bar, and could be almost negligibly reduced.

【0037】さてここで、ミリ波Wバンド76GHzでの動
作をねらってFETを能動素子として高出力増幅器を設
計する場合について述べる。
Now, a description will be given of a case where a high-output amplifier is designed using an FET as an active element in order to operate in the millimeter wave W-band at 76 GHz.

【0038】FETのゲート巾が200μmまでは、通
常の場合、入(出)力インピーダンスは図2,10で☆
印をうった誘導性領域にないため、引出し線やバス・バ
ーにキャパシタを作り込む必要はないが、ゲート巾が3
00μmになるとまず入力インピーダンスが図2,10
で☆印をうった誘導性領域に入ってくるため、ゲート引
出し線やゲート・バス・バーにキャパシタを作り込む必
要が生じてくる。
When the gate width of the FET is up to 200 μm, the input (output) force impedance is normally shown in FIGS.
Since it is not in the marked inductive area, it is not necessary to build a capacitor in the lead wire or bus bar, but the gate width is 3
When it becomes 00 μm, the input impedance first becomes
Therefore, it is necessary to build a capacitor in the gate lead line and the gate bus bar because the capacitor enters the inductive region marked with a star.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、FETを能動素子として用いてWバンド動作等のミ
リ波能動回路を構成しようとするときに、FETの入出
力インピーダンス整合を良好にとるための基本的な技術
を提供している。また、MMIC等、集積回路として増
幅器を構成した場合、整合回路のトリミングとしては、
基本的にはオープン・スタブの位置と長さを修正するだ
けでよく、キャパシタのキャパシタンス値の変更は必要
ないので、トリミングが大変容易となる。
As described above, according to the present invention, when an FET is used as an active element to construct a millimeter-wave active circuit such as a W-band operation, the input / output impedance matching of the FET is improved. Provide the basic technology to take. Further, when an amplifier is configured as an integrated circuit such as an MMIC, trimming of a matching circuit includes:
Basically, it is only necessary to modify the position and length of the open stub, and it is not necessary to change the capacitance value of the capacitor, so that trimming becomes very easy.

【0040】従って、本発明は、マイクロ波・ミリ波モ
ノリシックICの発展に大きな寄与をもたらすものであ
り、マイクロ波・ミリ波通信装置やセンシング装置の進
歩を促進するものである。
Therefore, the present invention greatly contributes to the development of microwave / millimeter wave monolithic ICs, and promotes advances in microwave / millimeter wave communication devices and sensing devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のキャパシタ作り込み電界効果トランジ
スタFETにおける引出し線部分のレイアウトを概念的
に示す平面図
FIG. 1 is a plan view conceptually showing a layout of a lead line portion in a capacitor built-in field effect transistor FET of the present invention.

【図2】本発明のFET構造に基づく入(出)力インピ
ーダンス整合の図
FIG. 2 is a diagram of input / output impedance matching based on the FET structure of the present invention.

【図3】本発明のFET構造を入力(ゲート)側に適用
した場合のFET等価回路図
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of an FET when the FET structure of the present invention is applied to the input (gate) side.

【図4】本発明のFET構造を出力(ドレイン)側に適
用した場合のFET等価回路図
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of an FET when the FET structure of the present invention is applied to the output (drain) side.

【図5】本発明のFET構造を入・出力(ゲート・ドレ
イン)側双方に適用した場合のFET等価回路図
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an FET when the FET structure of the present invention is applied to both input and output (gate / drain) sides.

【図6】本発明に基づくFET引出し線の具体的レイア
ウトを示す平面図
FIG. 6 is a plan view showing a specific layout of an FET lead line according to the present invention.

【図7】本発明に基づくFET引出し線の具体的レイア
ウトを示す平面図
FIG. 7 is a plan view showing a specific layout of an FET lead line according to the present invention.

【図8】実際の製造プロセスに基づくMIMキャパシタ
や配線部の断面構造図
FIG. 8 is a sectional structural view of an MIM capacitor and a wiring portion based on an actual manufacturing process.

【図9】従来の電界効果トランジスタにおける位相戻し
用キャパシタ付近のレイアウトを示す平面図
FIG. 9 is a plan view showing a layout near a phase return capacitor in a conventional field effect transistor.

【図10】従来のFET構造に基づく入(出)力インピ
ーダンス整合の図
FIG. 10 is a diagram of input / output impedance matching based on a conventional FET structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 RF信号線 2 引出し線 3 キャパシタ部 4 DCバイアス線 5 50Ωの等コンダクタンス円 6 入力(ゲート)側RF信号ポート 7 出力(ドレイン)側RF信号ポート 8 ゲートDCバイアスポート 8’ ドレインDCバイアスポート 9 ゲート引出し線 10 ドレイン引出し線 11 ゲート側の位相戻し用キャパシタ 11’ ドレイン側の位相戻し用キャパシタ 12 金(Au)を用いた配線の上部導体層 13 チタン・白金・金(Au/Pt/Ti)を用いた配線の
下部導体層 14 Ti/Al/Tiを用いたキャパシタの下部電極層 15 キャパシタ下部電極層と下部導体層との電気的
接続のための窓明け 16 キャパシタ上部電極パターン部分 17 エアブリッジ構造(13がなく12のみ) 17’ エアブリッジ構造による中空部 18 半絶縁性GaAs基板層 19 AlGaAs層 20 InGaAs層 21 n−AlGaAs層 22 酸化珪素(SiO2)層 23 窒化珪素(SiNx)層
REFERENCE SIGNS LIST 1 RF signal line 2 Leader line 3 Capacitor part 4 DC bias line 5 Equiconductance circle of 50Ω 6 Input (gate) side RF signal port 7 Output (drain) side RF signal port 8 Gate DC bias port 8 'Drain DC bias port 9 Gate lead line 10 Drain lead line 11 Gate side phase return capacitor 11 'Drain side phase return capacitor 12 Upper conductor layer of wiring using gold (Au) 13 Titanium / Platinum / Au (Au / Pt / Ti) 14 Lower electrode layer of capacitor using Ti / Al / Ti 15 Window for electrical connection between capacitor lower electrode layer and lower conductor layer 16 Capacitor upper electrode pattern portion 17 Air bridge Structure (only 12 without 13) 17 'Hollow part by air bridge structure 18 Semi-insulating GaAs substrate layer 19 AlGaAs layer 20 InGaAs Layer 21 n-AlGaAs layer 22 Silicon oxide (SiO2) layer 23 Silicon nitride (SiNx) layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03F 3/68 Fターム(参考) 5F048 AA01 AB10 AC10 BA01 BF02 BF07 BF11 BF15 BF16 5J067 AA01 CA75 CA92 FA16 HA09 HA24 HA29 KS11 MA09 QA02 QA03 QS04 TA02 5J069 AA01 CA75 CA92 FA16 HA09 HA24 HA29 MA09 QA02 QA03 TA02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H03F 3/68 F term (Reference) 5F048 AA01 AB10 AC10 BA01 BF02 BF07 BF11 BF15 BF16 5J067 AA01 CA75 CA92 FA16 HA09 HA24 HA29 KS11 MA09 QA02 QA03 QS04 TA02 5J069 AA01 CA75 CA92 FA16 HA09 HA24 HA29 MA09 QA02 QA03 TA02

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ゲート引出し線あるいはゲート・バス・
バーにキャパシタを作り込んだ構造を持ったことを特徴
とするモノリシック電界効果トランジスタ。
In a planar layout structure of a field effect transistor, a gate lead line or a gate bus line is provided.
A monolithic field effect transistor having a structure in which a capacitor is built in a bar.
【請求項2】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ドレイン引出し線あるいはドレイン・バ
ス・バーにキャパシタを作り込んだ構造をもったことを
特徴とするモノリシック電界効果トランジスタ。
2. A monolithic field effect transistor having a planar layout structure of a field effect transistor, wherein a capacitor is formed in a drain lead line or a drain bus bar.
【請求項3】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ゲート引出し線あるいはゲート・バス・
バーにキャパシタを作り込んだ構造をもち、かつドレイ
ン引出し線あるいはドレイン・バス・バーにもキャパシ
タを作り込んだ構造をもったことを特徴とするモノリシ
ック電界効果トランジスタ。
3. A planar layout structure of a field effect transistor, comprising: a gate lead line or a gate bus line.
A monolithic field-effect transistor having a structure in which a capacitor is formed in a bar and a structure in which a capacitor is also formed in a drain lead line or a drain bus bar.
【請求項4】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ゲート引出し線あるいはゲート・バス・
バーにキャパシタを作り込んだ構造を有する電界効果ト
ランジスタを能動素子として利用したことを特徴とする
モノリシック能動回路。
4. In a planar layout structure of a field effect transistor, a gate lead line or a gate bus line is provided.
A monolithic active circuit, wherein a field effect transistor having a structure in which a capacitor is formed in a bar is used as an active element.
【請求項5】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ドレイン引出し線あるいはドレイン・バ
ス・バーにキャパシタを作り込んだ構造を有する電界効
果トランジスタを能動素子として利用したことを特徴と
するモノリシック能動回路。
5. A monolithic active circuit comprising a planar layout structure of a field effect transistor, wherein a field effect transistor having a structure in which a capacitor is formed in a drain lead line or a drain bus bar is used as an active element.
【請求項6】 電界効果トランジスタの平面レイアウト
構造において、ゲート引出し線あるいはゲート・バス・
バーにキャパシタを作り込んだ構造をもち、かつ引出し
線あるいはドレイン・バス・バーにもキャパシタを作り
込んだ構造をもったことを特徴とする電界効果トランジ
スタを能動素子として利用したことを特徴とするモノリ
シック能動回路。
6. A planar layout structure of a field effect transistor, comprising: a gate lead line or a gate bus line.
A field effect transistor is used as an active element, characterized in that it has a structure in which a capacitor is built in the bar, and has a structure in which a capacitor is also built in the lead wire or the drain bus bar. Monolithic active circuit.
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JP2015517772A (en) * 2012-05-23 2015-06-22 中国▲電▼子科技集▲団▼公司第五十五研究所China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute Amplifying circuit for cross wiring of DC signal and microwave signal
CN110071066A (en) * 2018-01-24 2019-07-30 半导体元件工业有限责任公司 The method for forming capacitor

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