JP2002289790A - 化合物半導体スイッチ回路装置 - Google Patents

化合物半導体スイッチ回路装置

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JP2002289790A
JP2002289790A JP2001089343A JP2001089343A JP2002289790A JP 2002289790 A JP2002289790 A JP 2002289790A JP 2001089343 A JP2001089343 A JP 2001089343A JP 2001089343 A JP2001089343 A JP 2001089343A JP 2002289790 A JP2002289790 A JP 2002289790A
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fet
compound semiconductor
switch circuit
circuit device
semiconductor switch
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Tetsuo Asano
哲郎 浅野
Toshikazu Hirai
利和 平井
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】化合物半導体スイッチ回路装置では、挿入損失
(Insertion Loss)をできるだけ小さくするためにゲート
幅Wgを大きく取り、FETのオン抵抗を引き下げる設
計手法が採用されていた。また、ゲート幅600μmで
所定のアイソレーションを得る手段も採用されていた。
しかし、チップサイズのシュリンクを目的としてゲート
幅を400μmにすると、出力パワーが不足する問題が
あった。 【解決手段】2.4GHz以上の高周波数帯でシャント
FETを省いてアイソレーション(Isolation)を確保す
る設計に着目し、更に送信側FETおよび受信側FET
を異なる不純物濃度のチャネル領域を有する非対称型の
回路とする。これにより、ゲート幅を400μmまで低
減し、ゲート電極による容量成分を減少させて両信号経
路間に所定のアイソレーションを得、且つ必要最大電力
を出力できる回路が実現する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に高周波スイッ
チング用途に用いられる化合物半導体スイッチ回路装
置、特に2.4GHz帯以上に用いる化合物半導体スイ
ッチ回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】携帯電話等の移動体用通信機器では、G
Hz帯のマイクロ波を使用している場合が多く、アンテ
ナの切換回路や送受信の切換回路などに、これらの高周
波信号を切り替えるためのスイッチ素子が用いられるこ
とが多い(例えば、特開平9−181642号)。その
素子としては、高周波を扱うことからガリウム・砒素
(GaAs)を用いた電界効果トランジスタ(以下FE
Tという)を使用する事が多く、これに伴って前記スイ
ッチ回路自体を集積化したモノリシックマイクロ波集積
回路(MMIC)の開発が進められている。
【0003】図8(A)は、GaAs FETの断面図
を示している。ノンドープのGaAs基板1の表面部分
にN型不純物をドープしてN型のチャネル領域2を形成
し、チャネル領域2表面にショットキー接触するゲート
電極3を配置し、ゲート電極3の両脇にはGaAs表面
にオーミック接触するソース・ドレイン電極4、5を配
置したものである。このトランジスタは、ゲート電極3
の電位によって直下のチャネル領域2内に空乏層を形成
し、もってソース電極4とドレイン電極5との間のチャ
ネル電流を制御するものである。
【0004】図8(B)は、GaAs FETを用いた
SPDT(Single Pole Double Throw)と呼ばれる化合物
半導体スイッチ回路装置の原理的な回路図を示してい
る。
【0005】第1と第2のFET1、FET2のソース
(又はドレイン)が共通入力端子INに接続され、各F
ET1、FET2のゲートが抵抗R1、R2を介して第
1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続され、
そして各FETのドレイン(又はソース)が第1と第2
の出力端子OUT1、OUT2に接続されたものであ
る。第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に印加
される信号は相補信号であり、Hレベルの信号が印加さ
れたFETがONして、入力端子INに印加された信号
をどちらか一方の出力端子に伝達するようになってい
る。抵抗R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl
-1、Ctl-2の直流電位に対してゲート電極を介して
高周波信号が漏出することを防止する目的で配置されて
いる。
【0006】かかる化合物半導体スイッチ回路装置の等
価回路図を図9に示す。マイクロ波では特性インピーダ
ンス50Ωを基準としており、各端子のインピーダンス
はR1=R2=R3=50Ω抵抗で表される。また、各
端子の電位をV1、V2、V3とすると挿入損失(Inser
tion Loss)およびアイソレーション(Isolation)は以下
の式で表される。
【0007】 Insertion Loss=20log(V2/V1)[dB] これは共通入力端子INから出力端子OUT1へ信号を
伝送したときの挿入損失であり、 Isolation=20log(V3/V1)[dB] これは共通入力端子INから出力端子OUT2との間の
アイソレーション(Isolation)である。化合物半導体ス
イッチ回路装置では上記した挿入損失(InsertionLoss)
をできるだけ少なくし、アイソレーション(Isolation)
を向上することが要求され、信号経路に直列に挿入され
るFETの設計が大切である。このFETとしてGaA
s FETを用いる理由はGaAsの方がSiより電子
移動度が高いことから抵抗が小さく低損失化が図れ、G
aAsは半絶縁性基板であることから信号経路間の高ア
イソレーション化に適しているためである。その反面、
GaAs基板はSiに比べて高価であり、PINダイオ
ードのように等価なものがSiで出来ればコスト競争で
負けてしまう。
【0008】かかる化合物半導体スイッチ回路装置で
は、FETのチャネル領域2の抵抗Rが R= 1/ enμS [Ω] e:電子電荷量(1.6×10-19 C/cm3) n:電子キャリア濃度 μ:電子移動度 S:チャネル領域の断面積 (cm2) で表されるので、抵抗Rを出来るだけ小さくするために
チャネル幅を出来るだけ大きく設計して、チャネル領域
の断面積を稼いで挿入損失(Insertion Loss)を小さくし
ていた。
【0009】このためにゲート電極3とチャネル領域2
で形成されるショットキー接触に依る容量成分が大きく
なり、ここから高周波の入力信号が漏れてアイソレーシ
ョン(Isolation)を悪化させる。これを回避するために
シャントFETを設けて、アイソレーション(Isolatio
n)の改善を図っていた。
【0010】図10は今まで実用化されてきた化合物半
導体スイッチ回路装置の回路図である。この回路では、
スイッチを行うFET1とFET2の出力端子OUT1
とOUT2と接地間にシャントFET3、FET4を接
続し、このシャントFET3、FET4のゲートにはF
ET2とFET1への制御端子Ctl-2、Ctl-1の
相補信号を印加している。この結果、FET1がONの
ときはシャントFET4がONし、FET2およびシャ
ントFET3がOFFしている。
【0011】この回路で、共通入力端子IN−出力端子
OUT1の信号経路がオンし、共通入力端子IN−出力
端子OUT2の信号経路がオフした場合は、シャントF
ET4がオンしているので出力端子OUT2への入力信
号の漏れは接地されたコンデンサCを介して接地に逃
げ、アイソレーション(Isolation)が向上できる。
【0012】また、この回路は、2つのFETの高周波
特性、必要となる最大電力およびピンチオフ電圧等のF
ET特性が等しいものであり、2つの信号経路が送信・
受信経路のどちらにも使用できるため汎用的である。こ
のような回路を以下対称型回路と称する。
【0013】図11は、かかる化合物半導体スイッチ回
路装置を集積化した化合物半導体チップの1例を示して
いる。
【0014】GaAs基板にスイッチを行うFET1お
よびFET2を左右の中央部に配置し、シャントFET
3およびシャントFET4を左右の下コーナー付近に配
置し、各FETのゲート電極に抵抗R1、R2、R3、
R4が接続されている。また共通入力端子IN、出力端
子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-
2、接地端子GNDに対応するパッドが基板の周辺に設
けられている。更にシャントFET3およびシャントF
ET4のソース電極は接続されて接地のためのコンデン
サCを介して接地端子GNDに接続されている。なお、
点線で示した第2層目の配線は各FETのゲート電極形
成時に同時に形成されるゲート金属層(Ti/Pt/A
u)であり、実線で示した第3層目の配線は各素子の接
続およびパッドの形成を行うパッド金属層(Ti/Pt
/Au)である。第1層目の基板にオーミックに接触す
るオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)は各FE
Tのソース電極、ドレイン電極および各抵抗両端の取り
出し電極を形成するものであり、図11では、パッド金
属層と重なるために図示されていない。
【0015】図12(A)に図11に示したFET1の
部分を拡大した平面図を示す。この図で、一点鎖線で囲
まれる長方形状の領域が基板11に形成されるチャネル
領域12である。左側から伸びる櫛歯状の4本の第3層
目のパッド金属層30が出力端子OUT1に接続される
ソース電極13(あるいはドレイン電極)であり、この
下に第1層目オーミック金属層10で形成されるソース
電極14(あるいはドレイン電極)がある。また右側か
ら伸びる櫛歯状の4本の第3層目のパッド金属層30が
共通入力端子INに接続されるドレイン電極15(ある
いはソース電極)であり、この下に第1層目のオーミッ
ク金属層10で形成されるドレイン電極16(あるいは
ソース電極)がある。この両電極は櫛歯をかみ合わせた
形状に配置され、その間に第2層目のゲート金属層20
で形成されるゲート電極17がチャネル領域12上に櫛
歯形状に配置されている。
【0016】図12(B)にこのFETの一部の断面図
を示す。基板11にはn型のチャネル領域12とその両
側にソース領域18およびドレイン領域19を形成する
n+型の高濃度領域が設けられ、チャネル領域12には
ゲート電極17が設けられ、高濃度領域には第1層目の
オーミック金属層10で形成されるドレイン電極14お
よびソース電極16が設けられる。更にこの上に前述し
たように3層目のパッド金属層30で形成されるドレイ
ン電極13およびソース電極15が設けられ、各素子の
配線等を行っている。
【0017】ここで重要なことは、ゲート長Lgは図1
2(B)に示すように、ソース領域とドレイン領域間の
チャネル領域にあるゲート電極の長さをいい、通常短チ
ャネル効果が発生しない0.5μmに設計される。ゲー
ト幅Wgは図12(A)に示すように、ソース領域およ
びドレイン領域に沿ってチャネル領域にあるゲート電極
の長さをいい、オン抵抗を減らすためには出来るだけ大
きく設計することが望ましい。
【0018】また、チャネル領域12のイオン注入条件
(不純物濃度および加速電圧)はIdssを決定し、Idssは
ON状態FETの必要となる最大電力を決定する唯一の
ファクターとなる。また、FETをOFF状態にするた
めに必要な電圧であるピンチオフ電圧も、チャネル領域
のイオン注入条件(不純物濃度および加速電圧)と関わ
っている。
【0019】つまり、一般的にはチャネル領域が同じ不
純物濃度であれば、イオン注入時の加速電圧が高い方が
チャネル領域の深さが深くなり、Idssが向上し、ピンチ
オフ電圧が高くなる。一方、同じ加速電圧であれば、チ
ャネル領域の不純物濃度が高い方がピンチオフ電圧も高
く、Idssが向上する。
【0020】この場合は対称型の回路のため、両FET
のチャネル領域12は同条件で形成する。つまり、両F
ETのチャネル領域を同一工程、同一条件で形成する。
具体的には、n型を与える不純物(29Si+)をドーズ
量4.4×1012cm-3、加速電圧70KeV程度でイオン
注入し、ゲート電極形成前にゲート直下のチャネルを若
干エッチングする。この結果、ピンチオフ電圧Vpは
1.5V程度になる。
【0021】上記した化合物半導体スイッチ回路装置で
は、挿入損失(Insertion Loss)をできるだけ小さくする
ためにゲート幅Wgを大きく取り、FETのオン抵抗を
引き下げる設計手法が採用されていた。具体的には、図
11に示す化合物半導体スイッチ回路装置では、PHS
1.9GHz用でFET1およびFET2のゲート幅
Wg(櫛歯状のゲート電極の総和)は1.4mm(14
00μm)に設計され、シャント用のFET3およびF
ET4のゲート幅Wgは0.4mm(400μm)に設
計されている。なお、ゲート長LgはFETのオン抵抗
を減らすために0.5μmにできる限り短く設計されて
いる。
【0022】このためにゲート幅Wgが大きくなること
に起因してゲート電極の容量成分が増加して、アイソレ
ーション(Isolation)を低下させている。このアイソレ
ーション(Isolation)向上させるためにはシャントFE
Tで回路的に入力信号の漏れを接地に逃がすことが不可
欠であった。
【0023】従って、今までの化合物半導体スイッチ回
路装置ではチップサイズが1.07×0.50mm2と極
めて大きなものとなり、チップサイズの縮小によるコス
トダウンとは反対の方向へ向かっていた。
【0024】更に、今までの化合物半導体スイッチ回路
装置ではPDC 900MHz用でもPHS 1.9G
Hz用でも共用できるように設計され、シャントFET
を用いずにアイソレーション(Isolation)を確保する設
計努力が十分になされていないのが現状であった。この
ためにコスト高となり、上記した両周波数帯の化合物半
導体スイッチ回路装置はシリコンの安価なチップに置き
換えが進み、市場を失う結果を招いていた。
【0025】また、チャネル領域12の不純物濃度ある
いは加速電圧を高くして抵抗を低減することにより挿入
損失(Insertion Loss)を低減するスイッチング回路も採
用されている。この場合、一方の信号経路では挿入損失
(Insertion Loss)が低減できるが、他方の信号経路では
Idssが大きくなりピンチオフ電圧も大きくなってしま
う。ピンチオフ電圧が大きいと、そのFETでは一方の
信号経路を通過する電力と同等の電力に耐えられなくな
ってしまうため、2つのFETのピンチオフ電圧を異な
る値に設定し、いずれか一方の信号経路を送信経路(O
N側)に固定し、他方の信号経路を受信経路(OFF
側)に固定した回路を採用する。このようなピンチオフ
電圧、または必要となる最大電力等、特性の異なるFE
Tを採用した回路を対称型に対して以下非対称型回路と
称するが、その場合もゲート幅が1400μmの場合に
はアイソレーション(Isolation)を確保するためにシャ
ントFETが必須であった。
【0026】上記の問題を解決するために、ゲート幅を
600μmに縮小し、且つシャントFETを設けないス
イッチング回路も開発している。
【0027】図13は、ゲート幅600μmの化合物半
導体スイッチ回路装置を示す回路図である。第1のFE
T1と第2のFET2のソース電極(あるいはドレイン
電極)が共通入力端子INに接続され、FET1および
FET2のゲート電極がそれぞれ抵抗R1、R2を介し
て第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続さ
れ、そしてFET1およびFET2のドレイン電極(あ
るいはソース電極)が第1と第2の出力端子OUT1、
OUT2に接続されたものである。第1と第2の制御端
子Ctl-1、Ctl-2に印加される制御信号は相補信
号であり、Hレベルの信号が印加された側のFETがO
Nして、共通入力端子INに印加された入力信号をどち
らか一方の出力端子に伝達するようになっている。抵抗
R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl-1、C
tl-2の直流電位に対してゲート電極を介して高周波
信号が漏出することを防止する目的で配置されている。
【0028】図13に示す回路は、図8(B)に示すG
aAs FETを用いたSPDT(Single Pole Double
Throw)と呼ばれる化合物半導体スイッチ回路装置の原理
的な回路とほぼ同じ回路構成であるが、大きく異なる点
はFET1およびFET2のゲート電極のゲート幅Wg
を600μmに設計することである。ゲート幅Wgを従
来のものに比べて小さくすることはFETのオン抵抗を
大きくすることを意味し、且つゲート電極の面積(Lg
×Wg)が小さくなることによりゲート電極とチャネル
領域とのショットキー接合による寄生容量が小さくなる
ことを意味し、回路動作の上では大きな差が出る。
【0029】図14は、この化合物半導体スイッチ回路
装置を集積化した化合物半導体チップの1例を示してい
る。
【0030】GaAs基板にスイッチを行うFET1お
よびFET2を中央部に配置し、各FETのゲート電極
に抵抗R1、R2が接続されている。また共通入力端子
IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-
1、Ctl-2に対応するパッドが基板の周辺に設けら
れている。なお、点線で示した第2層目の配線は各FE
Tのゲート電極形成時に同時に形成されるゲート金属層
(Ti/Pt/Au)20であり、実線で示した第3層
目の配線は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッ
ド金属層(Ti/Pt/Au)30である。第1層目の
基板にオーミックに接触するオーミック金属層(AuG
e/Ni/Au)10は各FETのソース電極、ドレイ
ン電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するもの
であり、図14では、パッド金属層と重なるために図示
されていない。
【0031】図14から明白なように、構成部品はFE
T1、FET2、抵抗R1、R2、共通入力端子IN、
出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、C
tl-2に対応するパッドのみであり、図11に示す従
来の化合物半導体スイッチ回路装置に比べると、最小構
成部品で構成されている。
【0032】またこの半導体装置の特徴的な点は、FE
T1(FET2も同じ)をゲート幅が600μm以下と
従来の半分以下で形成されるので、FET1も従来の半
分の大きさで済ませることができる。すなわち、図14
に示したFET1は一点鎖線で囲まれる長方形状のチャ
ネル領域12に形成される。下側から伸びる櫛歯状の3
本の第3層目のパッド金属層30が出力端子OUT1に
接続されるソース電極13(あるいはドレイン電極)で
あり、この下に第1層目オーミック金属層10で形成さ
れるソース電極14(あるいはドレイン電極)がある。
また上側から伸びる櫛歯状の3本の第3層目のパッド金
属層30が共通入力端子INに接続されるドレイン電極
15(あるいはソース電極)であり、この下に第1層目
のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極14
(あるいはソース電極)がある。この両電極は櫛歯をか
み合わせた形状に配置され、その間に第2層目のゲート
金属層20で形成されるゲート電極17がチャネル領域
12上に4本の櫛歯形状に配置されている。なお、上側
から伸びる真中の櫛歯のドレイン電極13(あるいはソ
ース電極)はFET1とFET2とで共用しており、更
に小型化に寄与している。ここで、ゲート幅が600μ
m以下という意味は各FETの櫛歯状のゲート電極17
のゲート幅の総和がそれぞれ600μm以下であること
を言っている。
【0033】FET1とFET2の断面構造は図12
(B)に示す従来のものと同じであるので、説明を省略
する。
【0034】この結果、この化合物半導体チップのサイ
ズは0.37×0.30mm2に納めることができた。こ
れは従来の化合物半導体チップサイズを実に20%に縮
小できることを意味する。
【0035】次に、2.4GHz以上の高周波数帯でシ
ャントFETを省いてアイソレーション(Isolation)を
確保する設計が可能となるかについて説明する。
【0036】図15に、FETのゲート長Lgが0.5
μmのときのゲート幅Wg−挿入損失(In sertion Los
s)の関係を示す。
【0037】1GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wg
が1000μmから600μmまで小さくすると0.3
5dBから0.55dBと0.2dBの挿入損失(Inser
tionLoss)が悪化する。しかし、2.4GHzの入力信
号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから600μm
まで小さくすると0.60dBから0.65dBと僅か
0.05dBの挿入損失(Insertion Loss)で済む。これ
は1GHzの入力信号のときは挿入損失(Insertion Los
s)はFETのオン抵抗による影響を大きく受けるが、
2.4GHzの入力信号のときは挿入損失(Insertion L
oss)はFETのオン抵抗による影響をあまり受けないこ
とが分かった。
【0038】この理由としては、2.4GHzの入力信
号では1GHzに比べて更に高周波となるので、FET
のオン抵抗よりはむしろFETのゲート電極に起因する
容量成分の影響が大きいと考えられるからである。この
ため2.4GHz以上の高周波ではFETのオン抵抗よ
り容量成分が挿入損失(Insertion Loss)に大きく影響す
るのであれば、むしろオン抵抗より容量成分を減らすこ
とに着目して設計することが良い。すなわち、従来の設
計とは全く逆転の発想が必要となった。
【0039】一方、図16にFETのゲート長Lgが
0.5μmのときのゲート幅Wg−アイソレーション(I
solation)の関係を示す。
【0040】1GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wg
が1000μmから600μmまで小さくすると19.
5dBから23.5dBと4.0dBのアイソレーショ
ン(Isolation)が改善される。同様に、2.4GHzの
入力信号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから60
0μmまで小さくすると14dBから18dBと4.0
dBのアイソレーション(Isolation)が改善される。す
なわち、アイソレーション(Isolation)はFETの寄生
容量に依存して改善されることが分かる。
【0041】従って、2.4GHz以上の高周波数帯で
は図15から明らかなように、挿入損失(Insertion Los
s)の僅かな悪化しかないことを考慮するならば、むしろ
図16に示したアイソレーション(Isolation)を優先し
て設計する方が化合物半導体チップサイズを縮小でき
る。すなわち、2.4GHzの入力信号のとき700μ
m以下ののゲート幅Wgであれば16.5dB以上のア
イソレーション(Isolation)を確保することができ、更
に600μm以下のゲート幅Wgであれば18dB以上
のアイソレーション(Isolation)を確保することができ
る。
【0042】
【発明が解決しようとする課題】図14に実際のパター
ンを示した化合物半導体スイッチ回路装置では、ゲート
長Lgを0.5μm、ゲート幅Wgを600μmのFE
T1およびFET2に設計し、挿入損失(Insertion Los
s)を0.65dB、アイソレーション(Isolation)を1
8dBを確保している。この特性はBluetooth(携帯電
話、ノートPC、携帯情報端末、デジタルカメラ、その
他周辺機器をワイヤレスで相互接続し、モバイル環境、
ビジネス環境を向上させる通信仕様)を含む2.4GH
z帯ISMBand(Industrial Scientific and Medic
al frequency band)を使用したスペクトラム拡散通信の
応用分野でのRFスイッチとして活用されるものであ
る。
【0043】現在ではシリコン半導体チップの性能の向
上も目覚ましく、高周波帯での利用の可能性が高まりつ
つある。従来ではシリコンチップは高周波帯での利用は
難しく、高価な化合物半導体チップが利用されていた
が、シリコン半導体チップの性能が高まり、利用の可能
性がでれば、当然ウエファ価格の高い化合物半導体チッ
プは価格競争で負けてしまう。このためにチップサイズ
をシュリンクしてコストを抑える必然性があり、チップ
サイズの低減は不可避である。
【0044】ここで、図15および図16によれば、
2.4GHz帯で使用する場合、挿入損失(Insertion L
oss)およびアイソレーション(Isolation)はあまり悪化
させずに、更にチップサイズをシュリンクしてゲート幅
を400μmにすることも可能であると本発明者は推測
した。
【0045】ゲート幅を400μmに低減できれば、チ
ップサイズは0.31×0.31mm 2となり、600μ
mの場合に比べて13%シュリンクでき、シリコン半導
体チップとの競争に有利となる。
【0046】しかし、チップサイズのシュリンクを目的
としてゲート幅を400μmまで低減すると、送信側で
必要となる最大電力(Pout-linear:以下、必要最大電
力と称する)が20dBmを下回り、シュリンクの限界
を超えてしまうことがわかった。これは、前述したよう
に、Bluetoothや無線LANで使用されるスイッチング
回路としては20dBmの信号を出力できる能力が必要
であるからである。
【0047】必要最大電力(Pout-linear)は、スイッ
チング回路の重要な性能指標の1つであり、ON時に通
過できる電流能力と、OFF時にリークさせない電力
(アイソレーション)の2通りがある。
【0048】送信時にON状態のFETでは、Idssのみ
が必要最大電力(Pout-linear)に関係し、その関係式
を次に示す。
【0049】Pout-linear=10log(((2R×Idss/1.3)2×
1/8R)×1000)[dBm] つまり、ゲート幅600μmまでは必要最大電力20d
Bmを確保できていたが、ゲート幅を400μmにする
ことにより、チャネル領域も縮小してしまい、Idssが低
減したため、必要最大電力が不足してしまうことが判っ
た。
【0050】従って、必要最大電力を増やすためにはId
ssを向上させる必要がある。当初の目的はチップのシュ
リンクにあるので、ゲート幅を400μmにシュリンク
し、且つFETのIdssを増やすことが必要になってき
た。
【0051】また、送信時の必要最大電力は、送信時に
ON状態のFETだけでなく、送信時にOFF状態(受
信側)となるFETでも必要最大電力に耐えられる能力
がなければ、スイッチ回路としての必要最大電力が不足
することになる。つまり、送信時にON側となるFET
のIdssを増やして必要最大電力を確保するとともに、送
信時OFF側(受信側)のFETには必要最大電力に耐え
られる能力をもたせることが重要となる。
【0052】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した諸々の
事情に鑑み成されたもので、チャネル領域表面にソース
電極、ゲート電極およびドレイン電極を設けた第1およ
び第2のFETを形成し、両FETのソース電極あるい
はドレイン電極を共通入力端子とし、両FETのドレイ
ン電極あるいはソース電極を第1および第2の出力端子
とし、両FETのゲート電極に制御信号を印加していず
れか一方のFETを導通させて前記共通入力端子と前記
第1および第2の出力端子のいずれか一方と信号経路を
形成する化合物半導体スイッチ回路装置において、前記
FETのゲート幅を400μm以下に設定し且つ一方の
前記FETのIdssを他方のFETのIdssよりも大きく設
定することを特徴とし、2.4GHz以上の高周波数帯
でシャントFETを省いて所定のアイソレーション(Iso
lation)を確保する化合物半導体装置で、更にチップサ
イズをシュリンクし、且つ無線LANやBluetoothに採
用するスイッチ回路として必要最大電力の出力を実現す
るものである。
【0053】このとき、送信側(ON側)FETでは、
Idssのみが必要最大電力に関係するため、チャネル領域
のイオン注入条件である不純物濃度および加速電圧をコ
ントロールして、Idssを増やすことにより、必要最大電
力を出力できるようにする。
【0054】同時に、受信側(OFF側)FETについ
ても、必要最大電力に耐えられる(信号をリークさせな
い)ことが重要である。つまり、送信側(ON側)FE
Tで必要最大電力を出力できる能力と受信側(OFF
側)でその必要最大電力に耐える能力のいずれも満たさ
なければ、結果的にスイッチ回路としては、必要最大電
力が出力できないことになる。このため、詳述について
は後述するが、受信側(OFF側)では、必要最大電力
に耐える能力を増加させるためにピンチオフ電圧を低く
する必要がある。
【0055】一般的にはIdssが大きければピンチオフ電
圧は高くなり、Idssが小さければピンチオフ電圧は低く
なるため、本発明では送信側(ON側)と受信側(OF
F側)の信号経路を固定した非対称型のスイッチ回路に
することにより解決するものである。
【0056】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図1から図7を参照して説明する。
【0057】図1は、本発明の化合物半導体スイッチ回
路装置を示す回路図である。第1のFET1と第2のF
ET2のソース電極(あるいはドレイン電極)が共通入
力端子INに接続され、FET1およびFET2のゲー
ト電極がそれぞれ抵抗R1、R2を介して第1と第2の
制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続され、そしてFE
T1およびFET2のドレイン電極(あるいはソース電
極)が第1と第2の出力端子OUT1、OUT2に接続
されたものである。第1と第2の制御端子Ctl-1、
Ctl-2に印加される制御信号は相補信号であり、H
レベルの信号が印加された側のFETがONして、共通
入力端子INに印加された入力信号をどちらか一方の出
力端子に伝達するようになっている。抵抗R1、R2
は、交流接地となる制御端子Ctl-1、Ctl-2の直
流電位に対してゲート電極を介して高周波信号が漏出す
ることを防止する目的で配置されている。
【0058】図1に示す回路は、図8(B)または図1
3に示すGaAs FETを用いたSPDT(Single Po
le Double Throw)と呼ばれる化合物半導体スイッチ回路
装置の原理的な回路とほぼ同じ回路構成であるが、大き
く異なる点は第1に、FET1およびFET2のゲート
電極のゲート幅Wgを400μm以下に設計することで
ある。ゲート幅Wgを従来のものに比べて小さくするこ
とはFETのオン抵抗を大きくすることを意味し、且つ
ゲート電極の面積(Lg×Wg)が小さくなることによ
りゲート電極とチャネル領域とのショットキー接合によ
る寄生容量が小さくなることを意味し、回路動作の上で
は大きな差が出る。
【0059】第2に、両FETのIdssまたはピンチオフ
電圧が異なる、非対称型の回路にすることである。スイ
ッチ回路の必要最大電力は、送信側(ON側)ではIdss
により決定し、受信側(OFF側)ではピンチオフ電圧
で決定する。つまり、送信側(ON側)は、ゲート幅を
600μmから400μmにすることにより不足してし
まう必要最大電力を向上させるために、Idssを確保する
必要がある。つまり、チャネル領域のイオン注入条件を
コントロールしてIdssを向上したチャネル領域を形成
し、所定の電力が出力できるFETとする。
【0060】一方、受信側(OFF側)でも、必要最大
電力がかかっても信号が漏れない、つまり必要最大電力
に耐えられる設計とする必要がある。詳細は後述する
が、ピンチオフ電圧を低くすればFETが耐えられる最
大電力が向上できるので、チャネル領域のイオン注入条
件をコントロールしてピンチオフ電圧の低いチャネル領
域を形成する。
【0061】このように本発明の実施の形態では、スイ
ッチ回路として必要最大電力を出力するために、いずれ
のFETもチャネル領域のイオン注入条件をコントロー
ルしている。一般的にはIdssが大きくなるとピンチオフ
電圧も大きくなり、Idssが小さくなるとピンチオフ電圧
が小さくなるので、両FETの特性がそれぞれ異なる非
対称型の回路を採用するわけである。しかし、信号経路
を受信経路と送信経路に固定するスイッチング回路に使
用する場合は何ら問題はなく、むしろ大変効率的な回路
となる。
【0062】図2は、本発明の化合物半導体スイッチ回
路装置を集積化した化合物半導体チップの1例を示して
いる。
【0063】GaAs基板にスイッチを行うFET1お
よびFET2を中央部に配置し、各FETのゲート電極
に抵抗R1、R2が接続されている。また共通入力端子
IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-
1、Ctl-2に対応するパッドが基板の周辺に設けら
れている。なお、点線で示した第2層目の配線は各FE
Tのゲート電極形成時に同時に形成されるゲート金属層
(Ti/Pt/Au)20であり、実線で示した第3層
目の配線は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッ
ド金属層(Ti/Pt/Au)30である。第1層目の
基板にオーミックに接触するオーミック金属層(AuG
e/Ni/Au)10は各FETのソース電極、ドレイ
ン電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するもの
であり、図2では、パッド金属層と重なるために図示さ
れていない。
【0064】図2から明白なように、構成部品はFET
1、FET2、抵抗R1、R2、共通入力端子IN、出
力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ct
l-2に対応するパッドのみであり、図11に示す従来
の化合物半導体スイッチ回路装置に比べると、最小構成
部品で構成されている。
【0065】図3には、図2に示したFETの部分を拡
大した平面図を示す。両FETのパターンは同一である
ので、一方のFETのみを示す。一点鎖線で囲まれる長
方形状の領域がGaAs基板11に形成されるチャネル
領域12である。左側から伸びる櫛歯状の2本の第3層
目のパッド金属層30が出力端子OUT1に接続される
ソース電極13(あるいはドレイン電極)であり、この
下に第1層目オーミック金属層10で形成されるソース
電極14(あるいはドレイン電極)がある。また右側か
ら伸びる櫛歯状の2本の第3層目のパッド金属層30が
共通入力端子INに接続されるドレイン電極15(ある
いはソース電極)であり、この下に第1層目のオーミッ
ク金属層10で形成されるドレイン電極16(あるいは
ソース電極)がある。この両電極は櫛歯をかみ合わせた
形状に配置され、その間に第2層目のゲート金属層20
で形成されるゲート電極17がチャネル領域12上に櫛
歯形状に配置されている。
【0066】チャネル領域12はイオン注入によって形
成するが、イオン注入条件によりFETをOFF状態に
するために必要な電圧であるピンチオフ電圧が変化す
る。つまり、チャネル領域に注入する不純物イオンの濃
度が高濃度、あるいはイオン注入の加速電圧が高ければ
ピンチオフ電圧は高くなり、不純物濃度が低濃度あるい
は加速電圧が低ければピンチオフ電圧は低くなる。
【0067】また、チャネル領域12の不純物濃度が高
濃度、あるいは注入時の加速電圧が高い(チャネル領域
が深い)と、Idssは増加する。つまり、一般的には、ピ
ンチオフ電圧が高いチャネル領域は、Idssが大きく、送
信時にON状態FETの必要最大電力も大きくなる。逆
に、ピンチオフ電圧が低いチャネル領域はIdssが少ない
が、そのFETがOFF状態の場合に耐え得る必要最大
電力は大きくなる。
【0068】ここで、図4に、ゲート幅と、Idssおよび
必要最大電力(Pout-linear)の関係を示す。図4
(A)には、従来の対称型のチャネル領域を有するFE
Tの関係図を示し、図4(B)には本発明の送信側(O
N側)となる大きいIdssを有するFETの関係図を示
す。
【0069】図4(A)に示すように、従来のチャネル
領域では、ゲート幅600μmで必要最大電力である2
0dBmを確保できているが、ゲート幅を400μmに
シュリンクすると20dBmを下回ってしまう。そこ
で、本発明の実施の形態ではチャネル領域の不純物濃度
を従来よりも高濃度に形成し、Idssを向上させることに
より、図4(B)に示すようにゲート幅が400μmの
場合に0.09AのIdssを確保し、20dBmの必要最
大電力を出力できるスイッチング回路を実現する。
【0070】図5は、FET1およびFET2の断面構
造を示す。スイッチ回路の必要最大電力は、ON側では
Idssにより決定し、OFF側ではピンチオフ電圧で決定
するので、本発明の実施の形態では、送信側(ON側)
となるFET1のIdssを向上させるためにチャネル領域
の不純物濃度を従来よりも高濃度にし、受信側(OFF
側)となるFET2ではピンチオフ電圧を低くするため
に従来よりも低濃度でチャネル領域を形成する。このと
き、イオン注入の加速電圧は両FETとも等しく形成す
るため、実際のチャネル深さはほぼ等しい深さである
が、結果としてFET1はIdssおよびピンチオフ電圧が
大きくなり、FET2ではIdssおよびピンチオフ電圧が
小さくなるので、図5では概念的にチャネル領域の深さ
でその差を表す。
【0071】図5(A)は、FET1の断面構造を示
す。GaAs基板11にはn型のIdssの大きいチャネル
領域12aとその両側にソース領域18およびドレイン
領域19を形成するn+型の高濃度領域が設けられる。
【0072】FET1は、送信側(ON側)として使用
し、必要最大電力を得るために、不純物濃度を高くして
Idssの大きいチャネル領域12aを形成する。具体的に
は、n型を与える不純物(29Si+)をドーズ量4.6
×1012cm-3、加速電圧70KeVでイオン注入し、ゲー
ト電極形成前のゲート直下のチャネル領域12aはエッ
チングしない。これにより、図4(B)に示すように、
ゲート幅400μmでも0.09AのIdssを得られるの
で、Bluetooth又は無線LAN等に活用される20dB
mの必要最大電力を出力することができる。また、この
結果FET1のピンチオフ電圧は2.2Vとなる。
【0073】チャネル領域12aにはゲート電極17が
設けられ、高濃度領域には第1層目のオーミック金属層
10で形成されるドレイン電極14およびソース電極1
6が設けられる。更にこの上に前述したように3層目の
パッド金属層30で形成されるドレイン電極13および
ソース電極15が設けられ、各素子の配線等を行ってい
る。
【0074】図5(B)は、FET2の断面構造を示
す。GaAs基板11にはn型のピンチオフ電圧の小さ
いチャネル領域12bとその両側にソース領域18およ
びドレイン領域19を形成するn+型の高濃度領域が設
けられる。
【0075】具体的には、n型を与える不純物(29S
+)をドーズ量3.4×1012cm-3、加速電圧70KeV
でイオン注入し、ゲート電極形成前のゲート直下のチャ
ネル領域12bはエッチングしない。これにより、ピン
チオフ電圧が1.1Vのチャネル領域12bが形成さ
れ、Idssは0.04Aとなる。
【0076】スイッチ回路では、送信側(ON側)が出
力できる能力だけでなく、同時に受信側(OFF側)で
必要最大電力に耐えられる能力がないと、信号が漏れ、
結果的に回路の必要最大電力が低下してしまう。受信側
(OFF側)で耐えられる必要最大電力は、ピンチオフ
電圧が関係しており、その式を次に示す。
【0077】 Pout-linear = 10log((Vmax2/8R)×1000) [dBm] 例えば、送信側(ON側)の制御端子Ctl−1に制御
信号3Vを印加すると、作りつけ電位の分として0.4
V減り、受信側(OFF側)FETのゲートショットキ
接合に2.6V分の逆バイアスがかかり、空乏層が広が
る。受信側FETのピンチオフ電圧は1.1Vに形成し
たので、ゲート直下のチャネル電位に対して、1.1V
の逆バイアス以上のゲート電圧をかけることにより受信
側(OFF側)FETをピンチオフできる。そのため、
受信側(OFF側)FETをピンチオフさせる電圧とし
て1.5(2.6−1.1)Vの余裕が生じており、こ
の余裕分を基に上式から算出した電力を最大とする電力
まで、受信側(OFF側)FETでは耐えることができ
る。
【0078】具体的には、余裕分の1.5VとはVmax/
4に対応する値であるので、上式にVmax=1.5×
4、R=50Ωを代入して計算するとその必要最大電力
は19.5dBmとなる。
【0079】ここで、計算の結果では19.5dBmで
あるが、実際には上式より3dBm程の余裕があるの
で、ピンチオフ電圧を1.1Vに設計すれば22.5d
Bmの必要最大電力まで耐えられるFETとなる。スイ
ッチ回路を通過できる必要最大電力は送信側(ON側)
FETのIdssによって決まる必要最大電力と、受信側
(OFF側)のピンチオフ電圧によって決まる必要最大
電力と比較した際、小さい方の必要最大電力になるの
で、本発明の実施の形態では、20dBmを確保できる
ことになる。
【0080】チャネル領域12bにはゲート電極17が
設けられ、高濃度領域には第1層目のオーミック金属層
10で形成されるドレイン電極14およびソース電極1
6が設けられる。更にこの上に前述したように3層目の
パッド金属層30で形成されるドレイン電極13および
ソース電極15が設けられ、各素子の配線等を行ってい
る。
【0081】このように送信側(ON側)ではIdssを大
きくし、受信側(OFF側)ではピンチオフ電圧を小さ
くした2つのFETからなる非対称型の回路を採用する
ことにより、ゲート幅を400μmに低減し、チップサ
イズをシュリンクしても、送信側(ON側)では従来の
ゲート幅600μmのFETを採用した対称型スイッチ
回路と同等の必要最大電力を確保でき、且つ受信側(O
FF側)でも、送信側(ON側)と同等の必要最大電力
まで耐えることができるスイッチ回路が実現できる。
【0082】ここで、送信側がOFF状態、受信側がO
N状態の場合について説明する。前述の通り、スイッチ
回路の必要最大電力は、ON側ではIdssにより決定し、
OFF側ではピンチオフ電圧で決定する。まず、送信側
(OFF側)ではピンチオフ電圧2.2Vにより必要最
大電力を計算すると8.1dBmとなる。次に受信側
(ON側)ではIdssが0.04Aであるので、この値に
より必要最大電力を計算すると13.7dBmとなる。
スイッチ回路を通過できる必要最大電力は、ON側、O
FF側両FETを比較して小さい方の必要最大電力で決
定するので、この場合は8.1dBmとなる。受信に必
要な最大電力は0dBm以下であるので、スイッチ回路
が8.1dBmまで通過できる(耐える)能力があれば
十分である。
【0083】これら2つのFETを形成するには、一方
ではIdssを増し、他方ではピンチオフ電圧を低くするた
め、イオン注入条件が異なる。そのためイオン注入の工
程のみを2回行い、それ以外は同一工程にて形成する。
また、FET1およびFET2のIdssおよびピンチオフ
電圧は非対称で且つ所望の値が得られればよく、イオン
注入条件は前述の条件に限らない。
【0084】本発明の特徴は、第1に、FET1(FE
T2も同じ)をゲート幅が400μm以下と従来のゲー
ト幅が600μmの回路に比べて2/3で形成されるの
で、FET1も従来のゲート幅が600μmの回路に比
べて2/3の大きさで済ませることができることにあ
る。すなわち、図2に示したFET1は一点鎖線で囲ま
れる長方形状のチャネル領域12aに、FET2はチャ
ネル領域12bに形成される。下側から伸びる櫛歯状の
2本の第3層目のパッド金属層30が出力端子OUT1
に接続されるソース電極13(あるいはドレイン電極)
であり、この下に第1層目オーミック金属層10で形成
されるソース電極14(あるいはドレイン電極)があ
る。また上側から伸びる櫛歯状の2本の第3層目のパッ
ド金属層30が共通入力端子INに接続されるドレイン
電極15(あるいはソース電極)であり、この下に第1
層目のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極
14(あるいはソース電極)がある。この両電極は櫛歯
をかみ合わせた形状に配置され、その間に第2層目のゲ
ート金属層20で形成されるゲート電極17がチャネル
領域12a(チャネル領域12b)上に3本の櫛歯形状
に配置されている。なお、上側から伸びる真中の櫛歯の
ドレイン電極13(あるいはソース電極)はFET1と
FET2とで共用しており、更に小型化に寄与してい
る。ここで、ゲート幅が400μm以下という意味は各
FETの櫛歯状のゲート電極17のゲート幅の総和がそ
れぞれ400μm以下であることを言っている。
【0085】この結果、本発明の化合物半導体チップの
サイズは0.31×0.31mm2に納めることができ
た。これは従来の化合物半導体チップサイズに比べて1
3%縮小できることを意味する。
【0086】第2に、異なるIdssのチャネル領域および
異なるピンチオフ電圧を有するFET1およびFET2
からなる非対称型の回路にすることにある。スイッチ回
路の必要最大電力は、ON側ではIdssにより決定し、O
FF側ではピンチオフ電圧で決定するため、送信側(O
N側)のFETでは必要最大電力を出力するために必要
なIdssを得ることができる。また、抵抗が低減されるの
で挿入損失(InsertionLoss)も抑制できる。一方受信側
(OFF側)ではピンチオフ電圧を低くすることによ
り、ゲートショットキ接合の逆バイアスとピンチオフ電
圧による差(余裕分)が大きくなり、その差分に相当す
る耐えられる最大電力が増加する。つまり、非対称型の
FETを採用して、送信側(ON側)で必要最大電力を
出力でき、受信側(OFF側)で必要最大電力まで耐え
ることができるので、本発明のスイッチ回路は必要最大
電力を出力できることになる。
【0087】具体的には、ゲート幅400μmで、送信
側(ON側)では0.09AのIdssを得られるので、Bl
uetooth又は無線LAN等に活用される20dBmの必
要最電力を出力することができる。一方、受信側(OF
F側)では、ピンチオフ電圧が1.1V程度に設計され
ており、Ctrl端子の電圧を3Vとすれば、最大電力
の計算式により19.5dBm、実際には3dBmの余
裕があり22.5dBmの最大電力まで耐えられる。つ
まり、本発明のスイッチ回路は出力時に20dBmの必
要最大電力を確保できることになる。
【0088】更に、本発明のFETであれば、送信側が
OFF状態、受信側がON状態の場合にはスイッチ回路
の必要最大電力は8.1dBmであるので、0dBm以
下の受信信号を受けるには十分である。
【0089】ここで、2.4GHz以上の高周波数帯で
シャントFETを省いてアイソレーション(Isolation)
を確保する設計の可能性に付いては前述の通りであるの
で省略するが、2.4GHz以上の高周波数帯では、挿
入損失(Insertion Loss)の僅かな悪化しかないことを考
慮するならば、むしろアイソレーション(Isolation)を
優先して設計し、更に両FETのチャネル領域深さ12
を非対称とした回路にすることにより、更なるチップシ
ュリンクと必要最大電力を出力できる能力を兼ね備えた
スイッチング回路が実現できる。
【0090】具体的には、図2に実際のパターンを示し
た本発明の化合物半導体スイッチ回路装置では、ゲート
長Lgを0.5μm、ゲート幅Wgを400μm、ピン
チオフ電圧をそれぞれ2.2V、1.1Vに設計した。
この回路装置において、入力信号が2.4GHzのゲー
ト幅Wg−挿入損失(Insertion Loss)の関係を図6
(A)に、ゲート幅Wg−アイソレーション(Isolatio
n)の関係を図6(B)に示す。図6に依れば、挿入損失
(Insertion Loss)が0.6dB程度、アイソレーション
(Isolation)が20dBとなっている。これは、本発明
の構造による副次的な効果であるが、図15に示す予測
値では、ゲート幅が400μmの場合の挿入損失(Inser
tion Loss)は0.68dB程度としたが、本発明の実施
の形態ではそれを下回る結果が得られた。
【0091】これは図15の予測値は、従来のゲート幅
600μmの場合のチャネル領域形成条件の下での予測
値であったが、本発明の実施の形態では、必要最大電力
を増やす目的で一方のFETのチャネル領域の不純物ド
ーズ量を増やし、Idssが増加したことにより、従来に比
べて抵抗が低減できることになったわけである。具体的
にはゲート幅600μmの場合の抵抗は約6.5Ωであ
り、同一のチャネル領域でゲート幅を400μmに低減
したと仮定すると抵抗は9.75Ωとなる。しかし本発
明の実施の形態によるチャネル領域の形成条件では抵抗
は8Ω弱となり、2割程度の低減になるので、この結
果、挿入損失(Insertion Loss)が予測値を下回り、実測
値としてゲート幅600μmの場合の挿入損失(Inserti
on Loss)も下回ることになった。
【0092】更に図4(B)に示すように、必要最大電
力は20dBmを確保できるので、チップのシュリンク
と必要最大電力を出力できる能力を兼ね備え、所定のア
イソレーション(Isolation)を確保でき、抵抗値を抑え
て挿入損失(Insertion Loss)を低減できる高性能のFE
Tを実現することができた。
【0093】従ってこの特性はBluetooth(携帯電話、
ノートPC、携帯情報端末、デジタルカメラ、その他周
辺機器をワイヤレスで相互接続し、モバイル環境、ビジ
ネス環境を向上させる通信仕様)を含む2.4GHz帯
ISM Band(IndustrialScientific and Medical f
requency band)を使用したスペクトラム拡散通信の応用
分野でのRFスイッチとして活用できる。
【0094】また、本発明の化合物半導体スイッチ回路
装置では数々の回路特性の改善が図れた。第1に、高周
波入力電力に対するスイッチでの反射を表す電圧定在波
比VSWR(Voltage Standing-Wave Ratio)は、1.1
〜1.2を実現した。VSWRは高周波伝送線路中の不
連続部分で発生する反射波と入力波の間で発生する電圧
定在波の最大値と最小値の比を表し、理想状態ではVS
WR=1で反射0を意味する。シャントFETを有する
従来の化合物半導体スイッチ回路装置では、VSWR=
1.4程度であり、本発明では電圧定在波比の大幅な改
善ができた。この理由は、本発明の化合物半導体スイッ
チ回路装置では高周波伝送線路中にスイッチ用のFET
1およびFET2しか無く、回路的にシンプルでデバイ
ス的に極めて小さいサイズのFETしか無いことにこと
に依るものである。
【0095】第2に、高周波入力信号に対する出力信号
の歪みレベルを表すリニアリティ特性は、送信側(ON
側)でPIN1dBとして30dBmを実現している。図
7に入出力電力のリニアリティ特性を示す。入出力電力
比は理想的には1となるが、挿入損失(Insertion Loss)
があるのでその分出力電力が減る。入力電力が大きくな
ると出力電力が歪んでくるので、入力電力に対して出力
電力が線型領域の挿入損失(Insertion Loss)プラス1d
B下がる点がPIN1dBとして表される。シャントFE
T有りの化合物半導体スイッチ回路装置ではPIN1dB
は26dBmであるが、シャントFETなしの本発明の
化合物半導体スイッチ回路装置では30dBmであり、
約4dB以上の改善が図れる。この理由は、シャントF
ET有りの場合はオフしたスイッチ用とシャント用のF
ETのピンチオフ電圧の影響を相乗的に受けるのに対し
てシャントFETなしの本発明の場合はオフしたスイッ
チ用のFETのみの影響だけであるからである。また、
受信側(OFF側)では、PIN1dBが30dBmを下
回るが、受信信号が小さいため、問題はない。
【0096】
【発明の効果】以上に詳述した如く、本発明に依れば以
下の数々の効果が得られる。
【0097】第1に、2.4GHz以上の高周波数帯で
シャントFETを省いてアイソレーション(Isolation)
を確保する設計に着目し、スイッチに用いるFET1お
よびFET2のゲート電極のゲート幅Wgを400μm
以下に設計することである。この結果、スイッチに用い
るFET1およびFET2のサイズ小さくでき、且つ抵
抗値を抑えることにより挿入損失(Insertion Loss)を従
来よりも低減し、アイソレーション(Isolation)を確保
できる利点を得られる。
【0098】第2に、本発明の化合物半導体スイッチ回
路は、FET1およびFET2を異なるIdssおよびピン
チオフ電圧を有する非対称型にすることにより、FET
1では必要最大電力である20dBmを出力でき、FE
T2では22.5dBmの電力まで耐えられるので、ゲ
ート幅Wgが400μmでありながら、20dBm以上
の必要最大電力を出力できる利点を有する。
【0099】第3に、本発明の化合物半導体スイッチ回
路装置ではシャントFETを省く設計が可能となったた
めに、構成部品はFET1、FET2、抵抗R1、R
2、共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、
制御端子Ctl-1、Ctl-2に対応するパッドのみで
あり、従来の化合物半導体スイッチ回路装置に比べる
と、最小構成部品で構成できる利点を有する。
【0100】第4に、上述したように最小構成部品とな
ったため、半導体チップサイズを従来の化合物半導体ス
イッチ回路装置に比べて13%の縮小が可能となり、シ
リコン半導体チップとの価格競争力も大幅に向上でき
る。またチップサイズが小さくできるので、従来の小型
パッケージ(MCP6 大きさ2.1mm×2.0mm
×0.9mm)よりさらに小型パッケージ(SMCP6
大きさ1.6mm×1.6mm×0.75mm)に
実装ができるようになった。
【0101】第5に、挿入損失(Insertion Loss)が、従
来と比較して低減できるので、シャントFETを省いて
もアイソレーション(Isolation)を取れる設計が可能と
なった。たとえば、3GHzの入力信号でゲート幅30
0μmでも、シャントFETなしで十分にアイソレーシ
ョン(Isolation)を確保できる。
【0102】第6に、本発明の化合物半導体スイッチ回
路装置では、高周波入力電力に対するスイッチでの反射
を表す電圧定在波比 VSWR(Voltage Standing-Wave
Ratio)を1.1〜1.2に実現でき、反射の少ないス
イッチを提供できる。
【0103】第6に、本発明の化合物半導体スイッチ回
路装置では、高周波入力信号に対する出力信号の歪みレ
ベルを表すリニアリティ特性PIN1dBを30dBmと
向上でき、スイッチのリニアリティ特性の大幅な改善が
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための回路図である。
【図2】本発明を説明するための平面図である。
【図3】本発明を説明するための平面図である。
【図4】本発明を説明するための特性図である。
【図5】本発明を説明するための断面図である。
【図6】本発明を説明するための特性図である。
【図7】本発明を説明するための特性図である。
【図8】従来例を説明するための(A)断面図、(B)
回路図である。
【図9】従来例を説明するための等価回路図である。
【図10】従来例を説明するための回路図である。
【図11】従来例を説明するための平面図である。
【図12】従来例を説明するための(A)平面図、
(B)断面図である。
【図13】従来例を説明するための回路図である。
【図14】従来例を説明するための平面図である。
【図15】従来例を説明するための特性図である。
【図16】従来例を説明するための特性図である。
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Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チャネル領域表面にソース電極、ゲート
    電極およびドレイン電極を設けた第1および第2のFE
    Tを形成し、両FETのソース電極あるいはドレイン電
    極を共通入力端子とし、両FETのドレイン電極あるい
    はソース電極を第1および第2の出力端子とし、両FE
    Tのゲート電極に制御信号を印加していずれか一方のF
    ETを導通させて前記共通入力端子と前記第1および第
    2の出力端子のいずれか一方と信号経路を形成する化合
    物半導体スイッチ回路装置において、 前記FETのゲート幅を400μm以下に設定し且つ一
    方の前記FETのIdssが他方のFETのIdssよりも大き
    いことを特徴とする化合物半導体スイッチ回路装置。
  2. 【請求項2】チャネル領域表面にソース電極、ゲート電
    極およびドレイン電極を設けた第1および第2のFET
    を形成し、両FETのソース電極あるいはドレイン電極
    を共通入力端子とし、両FETのドレイン電極あるいは
    ソース電極を第1および第2の出力端子とし、両FET
    のゲート電極に制御信号を印加していずれか一方のFE
    Tを導通させて前記共通入力端子と前記第1および第2
    の出力端子のいずれか一方と信号経路を形成する化合物
    半導体スイッチ回路装置において、 前記両FETのゲート幅を400μm以下に設定し且つ
    一方のFETのIdssを他方のFETのIdssよりも大きく
    し、前記一方のFETのピンチオフ電圧を前記他方のF
    ETのピンチオフ電圧よりも大きくすることを特徴とす
    る化合物半導体スイッチ回路装置。
  3. 【請求項3】 前記Idssの大きいFETに所定の必要最
    大電力を通過させるとき、前記ピンチオフ電圧の低いF
    ETはピンチオフ電圧と逆バイアス電圧の差を大きくす
    ることにより前記所定の必要最大電力に耐えられること
    を特徴とする請求項2記載の化合物半導体スイッチ回路
    装置。
  4. 【請求項4】前記両FETは、夫々異なる不純物濃度の
    チャネル領域を有することを特徴とする請求項1または
    請求項2記載の化合物半導体スイッチ回路装置。
  5. 【請求項5】前記両FETは、夫々深さの異なるチャネ
    ル領域を有することを特徴とする請求項1または請求項
    2記載の化合物半導体スイッチ回路装置。
  6. 【請求項6】 半絶縁性基板としてGaAs基板を用
    い、その表面に前記チャネル領域を形成することを特徴
    とする請求項1または請求項2記載の化合物半導体スイ
    ッチ回路装置。
  7. 【請求項7】 前記両FETは前記チャネル領域にショ
    ットキー接触するゲート電極と、前記チャネル領域にオ
    ーミック接触するソース及びドレイン電極からなること
    を特徴とする請求項1または請求項2記載の化合物半導
    体スイッチ回路装置。
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