JP2003297856A - Semiconductor device and semiconductor circuit using the same - Google Patents

Semiconductor device and semiconductor circuit using the same

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JP2003297856A
JP2003297856A JP2002099976A JP2002099976A JP2003297856A JP 2003297856 A JP2003297856 A JP 2003297856A JP 2002099976 A JP2002099976 A JP 2002099976A JP 2002099976 A JP2002099976 A JP 2002099976A JP 2003297856 A JP2003297856 A JP 2003297856A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress frequency dispersions that HEMT elements have. <P>SOLUTION: A device comprises of first and second HEMT elements 21 and 22. The first and second HEMT elements 21 and 22 have a common channel layer 13 and a source electrode of the first HEMT element 21, and a drain electrode of the second HEMT element 22 are made to be a common source electrode 17. The source electrode 17 is grounded, and a voltage applied to the source electrode 19 of the second HEMT element 22 is set lower than that of the source electrode 17. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、FET素子特にH
EMT素子による半導体装置およびそれを用いた半導体
回路に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
The present invention relates to a semiconductor device using an EMT element and a semiconductor circuit using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】まずHEMT素子の周波数分散が回路に
与える影響と、これまでに提案されているHEMT素子
の周波数分散抑制方法について説明する。FET素子の
主要なパラメータであるトランスコンダクタンスとドレ
インコンダクタンスが信号周波数によらず安定な値を維
持できることは回路応用上たいへん重要である。前記の
パラメータに周波数分散が見られる、つまり信号周波数
によりその値が変動する場合、HEMT素子を用いる回
路形式に依存して様々な問題を生じる。また、HEMT
素子のDCバイアス点毎に周波数分散特性も変化してい
る。このことはHEMT素子をCWにて大信号動作させ
た場合にも周波数分散特性による波形歪みが発生するこ
とを意味している。
2. Description of the Related Art First, the influence of frequency dispersion of a HEMT device on a circuit and a method of suppressing the frequency dispersion of a HEMT device proposed so far will be described. It is very important for circuit application that the transconductance and the drain conductance, which are the main parameters of the FET element, can maintain stable values regardless of the signal frequency. When frequency dispersion is observed in the above-mentioned parameters, that is, when the value varies depending on the signal frequency, various problems occur depending on the circuit type using the HEMT element. In addition, HEMT
The frequency dispersion characteristic also changes at each DC bias point of the element. This means that the waveform distortion due to the frequency dispersion characteristic occurs even when the HEMT element is operated in a large signal by CW.

【0003】ところで、高速デジタル回路にHEMT素
子を用いる場合は、(1)信号マーク率(デジタル信号
におけるハイレベルの時問的割合)に依存したクロスポ
イントの移動によるBER(bit error rate)の増加、
(2)信号立ち上がり立ち下がり時に見られる波形の歪
み(ゲートラグ、ドレインラグ)、等がある。また一般
のアナログ回路にHEMT素子を用いる場合は、(3)
利得の変動、(4)高次歪の増加、等の形で問題とされ
る。HEMT素子の周波数分散の原因としてはデバイス
内部のトラップ順位の影響とドレイン領域における衝突
イオン化により発生するホールの影響の2つがあり、そ
れぞれに対処方法が異なる。
By the way, when a HEMT element is used in a high-speed digital circuit, (1) increase in BER (bit error rate) due to movement of cross points depending on signal mark ratio (temporal ratio of high level in digital signal). ,
(2) There are waveform distortions (gate lag, drain lag) observed at the rising and falling edges of signals. When using a HEMT element in a general analog circuit, (3)
This is a problem in the form of gain variation, (4) increase in higher-order distortion, and the like. There are two causes of the frequency dispersion of the HEMT element, that is, the influence of the trap order inside the device and the influence of the holes generated by the impact ionization in the drain region.

【0004】対処方法の第1の従来例として、チャネル
層組成の最適化(アイトリプルイートランザクション
オブ エレクトロン デバイス、第38巻、第4号、1
991年、4月、第862頁−第870頁)がある。H
EMTのチャネル領域近傍にトラップが存在すると、ト
ラップの充放電の時定数に依存した周波数分散がトラン
スコンダクタンスとドレインコンダクタンスに見られる
ようになる。InP−HEMTにおいて用いられるIn
GaAsチャネル層に存在するトラップ密度はIn組成
が60%の場合最小となり、この時周波数分散が最も抑
制されることが報告されている。
As a first conventional example of the coping method, optimization of the channel layer composition (eye triple e-transaction)
Of Electron Device, Vol. 38, No. 4, 1
991, April, pp. 862 to 870). H
When the trap exists near the channel region of the EMT, frequency dispersion depending on the time constant of charge / discharge of the trap can be seen in the transconductance and the drain conductance. In used in InP-HEMT
It has been reported that the trap density existing in the GaAs channel layer is minimum when the In composition is 60%, and the frequency dispersion is most suppressed at this time.

【0005】対処方法の第2の従来例として、リセス領
域幅の最適化(アイトリプルイートランザクション オ
ブ エレクトロン デバイス、第45巻、第12号、1
998年、12月、第2390頁−第2399頁)があ
る。HEMT素子のゲート・ドレイン間電圧が高くなる
とゲートのドレイン側に高電界ドメインが発生し電子が
加速される結果、衝突イオン化によりチャネル内部に過
剰なホールが発生する。このホールが速やかに再結合消
滅せずHEMT素子のソース領域に蓄積するとソース側
リセス領域(ソース領域でゲートに接する半導体部分を
さす)においてホールの擬フェルミレベルが価電子帯へ
向かってシフトし、過剰なホールはリセス領域の半導体
表面に移動し始め、リセス領域の半導体表面に蓄積す
る。その結果、チャネルポテンシャルが上昇しリセス領
域の電子濃度が増加する。これはリセス領域の抵抗が下
がりドレイン電流が増大することを意味し、トランスコ
ンダクタンスとドレインコンダクタンスに変動をもたら
す。過剰なホールのチャネルからリセス表面への移動に
は時定数が伴うため上記のトランスコンダクタンスとド
レインコンダクタンスの変動は周波数分散を持つことに
なる。
As a second conventional example of the coping method, optimization of the recess region width (Eye Triple E Transaction of Electron Device, Vol. 45, No. 12, 1)
998, December, pp. 2390-p. 2399). When the gate-drain voltage of the HEMT device becomes high, a high electric field domain is generated on the drain side of the gate to accelerate electrons, and as a result, excessive holes are generated inside the channel due to impact ionization. If the holes do not recombine rapidly and accumulate in the source region of the HEMT element, the pseudo-Fermi level of the holes shifts toward the valence band in the source side recess region (the semiconductor region in contact with the gate in the source region), The excess holes start moving to the semiconductor surface of the recess region and accumulate on the semiconductor surface of the recess region. As a result, the channel potential increases and the electron concentration in the recess region increases. This means that the resistance of the recess region decreases and the drain current increases, which causes fluctuations in the transconductance and the drain conductance. Since the movement of excess holes from the channel to the recess surface is accompanied by a time constant, the above transconductance and drain conductance fluctuations have frequency dispersion.

【0006】これを防ぐにはリセス領域を短くしホール
移動の影響を受けにくくすること、またドープ量を増や
してリセス領域の電子濃度を最初から高濃度に保ちリセ
ス部分の抵抗変化を相対的に小さくすること等が効果的
であることが示されている。
To prevent this, the recess region is shortened to make it less susceptible to hole movement, and the doping amount is increased to keep the electron concentration in the recess region high from the beginning so that the resistance change in the recess portion is relatively high. It has been shown that reducing the size is effective.

【0007】対処方法の第3の従来例として、補償回路
(特開平5−114825)によるものがある。小信号
領域のみを考えるなら、ドレインコンダクタンスの周波
数分散はデバイス構造とDCバイアス条件が決まれば常
に一定である。よってHEMT素子のドレイン・ソース
間にHEMT素子のドレインコンダクタンスの周波数分
散と逆の周波数分散を持つ付加回路を設けることで周波
数分散の影響を補償できる。付加回路としては抵抗とイ
ンダクタからなる受動素子による回路が用いられる。ト
ランスコンダクタンスについても個別のHEMT素子に
補償用の回路を設けることで影響を軽減できる。
As a third conventional example of the coping method, there is a compensation circuit (Japanese Patent Laid-Open No. 5-114825). When considering only the small signal region, the frequency dispersion of the drain conductance is always constant if the device structure and the DC bias condition are determined. Therefore, the influence of frequency dispersion can be compensated by providing an additional circuit between the drain and source of the HEMT element, which has a frequency dispersion opposite to the frequency dispersion of the drain conductance of the HEMT device. As the additional circuit, a circuit including a passive element including a resistor and an inductor is used. Regarding the transconductance, the influence can be reduced by providing a compensating circuit for each HEMT element.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のHEMT素子の周波数分散抑制方法には、各々次のよ
うな問題点があった。まず、チャネル組成の最適化によ
る方法は、ゲート長0.7μm程度の長チャネルゲート
のInP−HEMT素子では有効であるが、高速光通信
あるいは高周波増幅回路に用いられるゲート長0.1μ
mクラスの高性能InP−HEMT素子においては衝突
イオン化によるホールの影響が支配的となり実際に使わ
れるデバイスにおいて十分な効果が期待できない。
However, each of the conventional methods for suppressing the frequency dispersion of the HEMT device described above has the following problems. First, although the method by optimizing the channel composition is effective for an InP-HEMT device having a long channel gate with a gate length of about 0.7 μm, it has a gate length of 0.1 μ used for high-speed optical communication or a high-frequency amplifier circuit.
In the m-class high-performance InP-HEMT element, the effect of holes due to impact ionization is dominant, and a sufficient effect cannot be expected in a device actually used.

【0009】リセス領域幅の最適化の手法は、パターン
形成に用いられる露光技術の微細化限界に近いところま
でリセス領域を短くしても、まだ周波数分散の影響が見
られる。また、露光技術の改良により更にリセス領域幅
を狭めることが可能であっても、ゲート・ソース間の逆
方向DC耐圧を確保するためには一定のリセス領域幅が
必要であり、DC耐圧とのトレードオフを解消できな
い。また、ドープ濃度は通常のHEMT素子では上限に
近いところまで高く設定されており、リセス領域の電子
濃度を従来のHEMT素子より大幅に増やすことは技術
的に困難である。
In the method of optimizing the width of the recess area, even if the recess area is shortened to a position close to the miniaturization limit of the exposure technique used for pattern formation, the influence of frequency dispersion is still observed. Further, even if the recess area width can be further narrowed by improving the exposure technique, a certain recess area width is necessary to secure the reverse DC withstand voltage between the gate and the source. The trade-off cannot be resolved. Further, the doping concentration is set to a high value close to the upper limit in a normal HEMT element, and it is technically difficult to increase the electron concentration in the recess region to a large extent as compared with the conventional HEMT element.

【0010】一方、補償回路を用いる方法は、小信号で
ありかつ信号周波数の変化がゆっくりしている場合しか
適用できない。例えば光通信に用いられる回路において
入力信号は大信号であり、また、様々の周波数成分を持
つ広帯域信号が入力される。この場合、単純な補償回路
で周波数分散を取り除くことは事実上不可能である。さ
らに、高周波増幅器においても入力信号は大信号かつ入
力振幅の変動を伴うことが多く、補償回路による方法を
適用するには限界がある。
On the other hand, the method using the compensation circuit can be applied only when the signal is small and the signal frequency changes slowly. For example, in a circuit used for optical communication, an input signal is a large signal, and a wideband signal having various frequency components is input. In this case, it is virtually impossible to remove the frequency dispersion with a simple compensation circuit. Further, even in a high frequency amplifier, an input signal is often a large signal and is accompanied by fluctuations in the input amplitude, which limits the application of the method using a compensation circuit.

【0011】本発明は以上のような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、ゲート長0.1μmクラスの高性
能HEMT素子において生じるトランスコンダクタンス
とドレインコンダクタンスの周波数分散を取り除いた半
導体装置およびそれを利用した半導体回路を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is a semiconductor device in which the frequency dispersion of transconductance and drain conductance which occurs in a high performance HEMT element with a gate length of 0.1 μm is removed. It is to provide a semiconductor circuit using the same.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】請求項1にかかる発明
は、第1および第2のFETから構成され、前記第1の
FETのソース電極と前記第2のFETのドレイン電極
が共通の端子となっている半導体装置であって、前記第
1および前記第2のFETのチャネル層が同一の層で構
成されるとともに、前記共通の端子が接地され、前記第
2のFETのソース電極に印加される電圧が前記共通の
端子の電圧よりも低く設定されていることを特徴とする
半導体装置とした。
The invention according to claim 1 is composed of first and second FETs, and the source electrode of the first FET and the drain electrode of the second FET have a common terminal. In the semiconductor device, the channel layers of the first and second FETs are formed of the same layer, and the common terminal is grounded and applied to the source electrode of the second FET. The semiconductor device is characterized in that the voltage applied to the common terminal is set lower than the voltage applied to the common terminal.

【0013】請求項2にかかる発明は、請求項1にかか
る発明において、前記第2のFETのゲート電極に印加
される電圧が、前記第2のFETのソース電極に印加さ
れる電圧と前記第2のFETの閾値電圧の和よりも低く
設定されていることを特徴とする半導体装置とした。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the voltage applied to the gate electrode of the second FET is the same as the voltage applied to the source electrode of the second FET and the second electrode. The semiconductor device is characterized in that it is set lower than the sum of the threshold voltage of the FET of No. 2.

【0014】請求項3にかかる発明は、請求項1又は2
にかかる発明において、前記第1のFETのゲート電極
に印加される直流電圧が、一定値に設定されていること
を特徴とする半導体装置。
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2.
In the invention according to the first aspect, the semiconductor device is characterized in that the DC voltage applied to the gate electrode of the first FET is set to a constant value.

【0015】請求項4にかかる発明は、請求項1又は2
にかかる発明の半導体装置を用いた半導体回路であっ
て、前記第1のFETのゲート電極およびドレイン電極
にそれぞれ個別のインピーダンス整合回路が接続されて
いることを特徴とする半導体回路とした。
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1 or 2.
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor circuit using the semiconductor device according to the present invention, characterized in that a separate impedance matching circuit is connected to each of the gate electrode and the drain electrode of the first FET.

【0016】請求項5にかかる発明は、請求項2にかか
る発明の半導体装置を用いた半導体回路であって、前記
第2のソース電極にアノード電極が、前記第2のゲート
電極にカソード電極が接続されるダイオードを具備し、
該ダイオードのカソード電極に印加される電圧が前記第
2のFETのソース電極の電圧より低く設定されること
を特徴とする半導体回路とした。
The invention according to claim 5 is a semiconductor circuit using the semiconductor device according to claim 2, wherein the second source electrode is an anode electrode and the second gate electrode is a cathode electrode. With a diode connected,
The semiconductor circuit is characterized in that the voltage applied to the cathode electrode of the diode is set lower than the voltage of the source electrode of the second FET.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】[第1の実施形態]図1(a)はI
nP基板11の上に、InAlAsによる200nm厚
のバッファー層12を形成し、InGaAsによる10
nm厚のチャネル層13を形成し、InAlAsによる
15nm厚のキャリア供給層14を形成した本実施形態
のInP−HEMT素子10の断面である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION [First Embodiment] FIG.
A 200 nm-thick buffer layer 12 made of InAlAs is formed on the nP substrate 11 and made of InGaAs.
3 is a cross section of the InP-HEMT element 10 of the present embodiment in which a channel layer 13 having a thickness of nm and a carrier supply layer 14 having a thickness of 15 nm made of InAlAs are formed.

【0018】第1のゲート電極16を有し回路用として
使用する第1のHEMT素子21と、第2のゲート電極
18を有し衝突イオン化したホールを吸収する素子とし
て働く第2のHEMT素子22が、HEMT層20にお
いて直接接続されている。15はドレイン電極、17は
第1のHEMT素子21のソース電極と第2のHEMT
素子22のドレイン電極を兼ねる第1のソース電極、1
9は第2のソース電極である。層11〜層14の膜種と
膜厚の組み合わせはHEMT層20が形成可能であれば
任意の膜種と膜厚において可能である。
A first HEMT element 21 having a first gate electrode 16 and used for a circuit, and a second HEMT element 22 having a second gate electrode 18 and functioning as an element for absorbing impact ionized holes. Are directly connected in the HEMT layer 20. Reference numeral 15 is a drain electrode, 17 is a source electrode of the first HEMT element 21, and a second HEMT.
A first source electrode which also serves as a drain electrode of the element 22, 1
Reference numeral 9 is a second source electrode. The combination of the film types and the film thicknesses of the layers 11 to 14 is possible in any film type and film thickness as long as the HEMT layer 20 can be formed.

【0019】図1(b)は図1(a)の断面におけるチャネル
層13のポテンシャル分布を示す図である。本実施形態
においては、第1のHEMT素子21の第1のソース電
極17よりも第2のHEMT素子22の第2のソース電
極19の電位を常に低く保つようにされている。よって
価電子帯36のポテンシャルは第1のHEMT素子21
から第2のHEMT素子22へ向かっておおむね単調に
上昇するよう保たれている。このため第1のHEMT素
子21の領域34で衝突イオン化により発生したホール
35は、第1のHEMT素子21のソースである領域3
3には蓄積することなく、第2のHEMT素子22のソ
ースである領域31または領域32に到達し、やがて電
子と再結合し消滅する。
FIG. 1 (b) is a diagram showing the potential distribution of the channel layer 13 in the cross section of FIG. 1 (a). In the present embodiment, the potential of the second source electrode 19 of the second HEMT element 22 is kept lower than that of the first source electrode 17 of the first HEMT element 21. Therefore, the potential of the valence band 36 is the first HEMT device 21.
From the first to the second HEMT element 22 is maintained so as to rise almost monotonously. Therefore, the holes 35 generated by the impact ionization in the region 34 of the first HEMT element 21 are the regions 3 that are the source of the first HEMT element 21.
It reaches the region 31 or the region 32 which is the source of the second HEMT element 22 without accumulating in 3, and eventually recombines with the electron and disappears.

【0020】また、第2のHEMT素子22に流れるド
レイン電流による消費電力の増加を抑制したい場合は、
第2のゲート電極18は第2のHEMT素子22にドレ
イン電流が流れないような電位に保つ必要がある。本実
施形態の場合では、第2のHEMT素子22の閾値電圧
は−0.4Vであったことから、第2のゲート電極18
に印加する電圧は第2のソース電極19のそれより0.
4V以上低い電圧にする。この時、伝導帯37は第2の
ゲート電極18の近傍ではフェルミレベル38よりもポ
テンシャルが高く、この部分で電子39は空乏化してい
るため第2のHEMT素子22にはドレイン電流がわず
かしか流れない。この結果、本実施形態のHEMT素子
10は、実質的に第1のHEMT素子21の第1のソー
ス電極17とドレイン電極15の間にのみ電流が流れ、
第2のHEMT素子22は第1のHEMT素子21の回
路動作に全く影響を与えることがなく、回路の消費電力
を増やすこともない。
When it is desired to suppress an increase in power consumption due to the drain current flowing through the second HEMT element 22,
The second gate electrode 18 needs to be kept at a potential such that a drain current does not flow in the second HEMT element 22. In the case of the present embodiment, since the threshold voltage of the second HEMT element 22 was −0.4 V, the second gate electrode 18
The voltage applied to the second source electrode 19 is 0.
Make it a voltage lower than 4V. At this time, the conduction band 37 has a higher potential in the vicinity of the second gate electrode 18 than the Fermi level 38, and the electrons 39 are depleted in this portion, so that only a small drain current flows through the second HEMT element 22. Absent. As a result, in the HEMT device 10 of this embodiment, a current substantially flows only between the first source electrode 17 and the drain electrode 15 of the first HEMT device 21,
The second HEMT element 22 has no influence on the circuit operation of the first HEMT element 21 and does not increase the power consumption of the circuit.

【0021】また、第1のHEMT素子21の第1のソ
ース電極17は接地された状態で使うため、高周波的に
はここで終端されていることになる。よって、従来の技
術で述べたHEMT素子のドレインコンダクタンスの周
波数分散と逆の周波数分散をもつ付加回路を設ける場合
に比べ、信号路への余分な回路の挿入が全く不要となる
利点がある。これにより、該付加回路の影響による不本
意な信号の減衰や余分な位相回転を引き起こすことな
く、第1のHEMT素子21の周波数分散を抑制するこ
とが可能となる。
Since the first source electrode 17 of the first HEMT element 21 is used in a grounded state, it is terminated here in terms of high frequency. Therefore, as compared with the case where the additional circuit having the frequency dispersion opposite to the frequency dispersion of the drain conductance of the HEMT element described in the related art is provided, there is an advantage that no extra circuit is inserted in the signal path. As a result, the frequency dispersion of the first HEMT element 21 can be suppressed without causing unwanted signal attenuation or extra phase rotation due to the influence of the additional circuit.

【0022】[第2の実施形態]図2は図1に示したH
EMT素子10を定電流源用HEMT素子10Aとして
用いた差動増幅回路の回路図である。41,42は負荷
抵抗、43,44は差動接続のFET、45,46は入
力端子、47,48は出力端子である。定電流源用であ
るため、HEMT素子10Aの第1のゲート電極16
と、第1のソース電極17は接地されている。電流値を
可変にする場合はゲート電極16に接地電圧以外の電圧
を印加することも出来る。また、HEMT素子10Aの
第2のゲート電極18に接続されたVG端子49と、第
2のソース電極19に接続されたVS端子50は、制御
電圧が印加できるように外部に引き出されている。
[Second Embodiment] FIG. 2 shows H shown in FIG.
It is a circuit diagram of a differential amplifier circuit using the EMT element 10 as a HEMT element 10A for a constant current source. 41 and 42 are load resistors, 43 and 44 are differentially connected FETs, 45 and 46 are input terminals, and 47 and 48 are output terminals. Since it is for a constant current source, the first gate electrode 16 of the HEMT element 10A is
Then, the first source electrode 17 is grounded. When making the current value variable, a voltage other than the ground voltage can be applied to the gate electrode 16. The VG terminal 49 connected to the second gate electrode 18 of the HEMT element 10A and the VS terminal 50 connected to the second source electrode 19 are drawn to the outside so that a control voltage can be applied.

【0023】ここで、本実施形態による周波数分散抑制
の改善効果を得るため、VG端子49とVS端子50に
バイアス電圧を印加する必要がある。まずVS端子50
にはFETの耐圧上問題とならない範囲でソース電極1
7の電圧より低い電圧を印加する。また消費電力を抑制
したい場合は、上記のInP−HEMTは閾値が−0.
4Vであるため、VG端子49はVS端子50より0.
4V以上低い電圧にする必要がある。
Here, in order to obtain the effect of improving the frequency dispersion suppression according to this embodiment, it is necessary to apply a bias voltage to the VG terminal 49 and the VS terminal 50. First, VS terminal 50
Is the source electrode 1 within a range that does not cause a problem in the breakdown voltage of the FET.
A voltage lower than the voltage of 7 is applied. Further, when it is desired to suppress power consumption, the threshold value of the above InP-HEMT is −0.
Since it is 4 V, the VG terminal 49 is connected to the VS terminal 50 by 0.
It is necessary to make the voltage lower than 4V.

【0024】図2において、電源電圧をVDD、負荷抵
抗41,42の抵抗値をR、定電流源用HEMT素子1
0Aに流れる電流をId、入力端子45,46に印加さ
れる入力信号が十分大きく出力振幅が飽和している場合
を考えると、出力端子47,48の出力振幅は「R×I
d」、出力信号の中心電圧は「VDD−0.5×R×I
d」となる。よって定電流源用HEMT素子10Aに周
波数分散が存在すると、入力端子45,46に入力され
る信号の周波数とマーク率(デジタル信号におけるハイ
レベルの時問的割合)に依存してIdが変化すること
で、出力振幅と出力信号の中心電圧が変動することが分
かる。しかし、本実施形態においては、周波数分散抑制
効果によりIdが安定化されるため、出力信号における
上記の変動は見られなくなる。
In FIG. 2, the power supply voltage is VDD, the resistance values of the load resistors 41 and 42 are R, and the HEMT element 1 for constant current source is shown.
Considering the case where the current flowing through 0 A is Id and the input signal applied to the input terminals 45 and 46 is sufficiently large and the output amplitude is saturated, the output amplitudes of the output terminals 47 and 48 are “R × I”.
d ”, the center voltage of the output signal is“ VDD−0.5 × R × I
d ”. Therefore, if frequency dispersion exists in the constant current source HEMT element 10A, Id changes depending on the frequency of the signals input to the input terminals 45 and 46 and the mark ratio (temporal ratio of high level in digital signal). Thus, it can be seen that the output amplitude and the center voltage of the output signal fluctuate. However, in the present embodiment, the Id is stabilized by the effect of suppressing the frequency dispersion, so that the above variation in the output signal is not seen.

【0025】なお、図2の定電流源用HEMT素子10
Aの部分は、図3に示す定電流源用HEMT素子10B
の形態に置き換えても同様な改善効果が得られる。図3
において、ゲート電極16を有する第1のHEMT素子
21はそのソース電極17がゲート電極16とともにコ
ンデンサ51を介して接地されている。この場合、ゲー
ト端子18を有する第2のHEMT素子22にもドレイ
ン電流が流れるため回路全体の消費電力は増加するが、
VG端子49とVS端子50に接続すべきバイアス回路
が不要となり回路の簡略化が可能である。
The HEMT element 10 for a constant current source shown in FIG.
The portion A is a HEMT element 10B for a constant current source shown in FIG.
Even if the form is replaced with the above form, a similar improvement effect can be obtained. Figure 3
In the first HEMT element 21 having the gate electrode 16, its source electrode 17 is grounded together with the gate electrode 16 via the capacitor 51. In this case, since the drain current also flows through the second HEMT element 22 having the gate terminal 18, the power consumption of the entire circuit increases, but
A bias circuit to be connected to the VG terminal 49 and the VS terminal 50 becomes unnecessary, and the circuit can be simplified.

【0026】[第3の実施形態]図4に第3の実施の形
態として高周波電力増幅回路に第1の実施形態のHEM
T素子を用いた場合を示す。ここでは、ソース接地1段
の増幅器を構成する高周波電力増幅用HEMT素子10
Cとして、図1で述べたInP−HEMT素子10を用
いている。この高周波電力増幅用HEMT素子10Cの
ゲート電極16には入力整合回路61の出力側が、ドレ
イン電極15には出力整合回路62の入力側が接続され
ている。VG端子49、VS端子50をともに第2の実
施形態と同じ電圧に設定することで、利得変動と歪の少
ない高周波電力増幅器が得られる。なお、本実施形態に
おいても図3と同様な回路の簡略化が可能である。
[Third Embodiment] FIG. 4 shows a high-frequency power amplifier circuit according to a third embodiment of the present invention, which is a HEM of the first embodiment.
The case where a T element is used is shown. Here, a high-frequency power amplifying HEMT element 10 that constitutes a one-stage source-grounded amplifier is used.
As C, the InP-HEMT element 10 described in FIG. 1 is used. The output side of the input matching circuit 61 is connected to the gate electrode 16 of the HEMT element 10C for high frequency power amplification, and the input side of the output matching circuit 62 is connected to the drain electrode 15. By setting both the VG terminal 49 and the VS terminal 50 to the same voltage as in the second embodiment, a high frequency power amplifier with less gain variation and distortion can be obtained. Note that the circuit similar to that in FIG. 3 can be simplified also in the present embodiment.

【0027】[第4の実施形態]図2、図4に示した第
2,第3の実施形態の回路では、VG端子49とVS端
子50の2個所に制御電圧を印加する必要があり、外部
制御回路が煩雑となる。この点を改良するために、本実
施形態では、図5(a)に示すようにレベルシフト用のダ
イオード71をそのアノードがHEMT素子10A(又
は10C)のソース電極19に、カソードがHEMT素
子10A(又は10C)のゲート電極18に接続される
ダイオード71を用い、そのダイオード71のカソード
にVC端子52を接続してもよい。また、図5(b)に示
すようにそのダイオード71のカソード71に抵抗72
を介してVC端子52を接続してもよい。このようにす
ることで、制御端子をVC端子52の1つだけにするこ
とができる。なお、ダイオード71は、HEMT素子の
閾値電圧が低い場合は、2本以上直列にしてもよい。
[Fourth Embodiment] In the circuits of the second and third embodiments shown in FIGS. 2 and 4, it is necessary to apply a control voltage to two points of the VG terminal 49 and the VS terminal 50. The external control circuit becomes complicated. In order to improve this point, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, a diode 71 for level shifting has a source electrode 19 of the HEMT element 10A (or 10C) as its anode and a HEMT element 10A as its cathode. (Or 10 C) The diode 71 connected to the gate electrode 18 may be used, and the VC terminal 52 may be connected to the cathode of the diode 71. Further, as shown in FIG. 5 (b), a resistor 72 is attached to the cathode 71 of the diode 71.
The VC terminal 52 may be connected via. By doing so, the control terminal can be only one of the VC terminals 52. Two or more diodes 71 may be connected in series when the HEMT element has a low threshold voltage.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
によれば、HEMT素子の持つ周波数分散を抑制するこ
とができ、このとき消費電力の増加を抑制することもで
きる。この結果、この半導体装置を用いた高速デジタル
回路等の半導体回路においては、信号マーク率に依存す
るクロスポイントの移動や信号立ち上がり立ち下がり時
に見られる波形の歪みが抑制される。また一般のアナロ
グ回路にこの半導体装置を用いた半導体回路の場合は、
利得の変動や高次歪の増加を抑制することができる。
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, the frequency dispersion of the HEMT element can be suppressed, and at this time, the increase in power consumption can also be suppressed. As a result, in a semiconductor circuit such as a high-speed digital circuit using this semiconductor device, the movement of the cross point depending on the signal mark ratio and the distortion of the waveform seen at the rising and falling edges of the signal are suppressed. In the case of a semiconductor circuit using this semiconductor device for a general analog circuit,
It is possible to suppress fluctuations in gain and increase in higher-order distortion.

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

【図1】 (a)は第1の実施形態の半導体装置であるH
EMT素子の断面図、(b)は(a)のチャネル層に沿ったエ
ネルギーバンドを示す説明図である。
FIG. 1A is a semiconductor device H of the first embodiment,
FIG. 3B is a cross-sectional view of the EMT element, and FIG. 6B is an explanatory diagram showing energy bands along the channel layer of FIG.

【図2】 第2の実施形態の差動増幅回路の回路図であ
る。
FIG. 2 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit according to a second embodiment.

【図3】 図2の差動増幅回路の変形例を示す回路図で
ある。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a modified example of the differential amplifier circuit of FIG.

【図4】 第3の実施形態の差動増幅回路の回路図であ
る。
FIG. 4 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit according to a third embodiment.

【図5】 (a)、(b)は図2の差動増幅回路と図4の高周
波電力増幅回路のバイアス回路の変形例を示す第4の実
施形態の回路図である。
5A and 5B are circuit diagrams of a fourth embodiment showing modified examples of the bias circuit of the differential amplifier circuit of FIG. 2 and the high frequency power amplifier circuit of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:InP−HEMT素子 11:基板(InP)、12:バッファ層(InAlA
s)、13:チャネル層(InGaAs)、14:キャ
リア供給層(InAlAs)、15:ドレイン電極、1
6:第1のゲート電極、17:第1のソース電極、1
8:第2のゲート電極、19:第2のソース電極、2
0:HEMT層、21:第1のHEMT素子、22:第
2のHEMT素子 31〜34:領域、35:ホール、36:価電子帯、3
7:伝導帯、38:フェルミレベル、39:電子 41,42:負荷抵抗、43,44:FET、45,4
6:入力端子、47,48:出力端子、49:VG端
子、50:VS端子、51:コンデンサ、52:VC端
子 10A、10B:定電流源用HEMT素子、10C:高
周波電力増幅用HEMT素子 61:入力整合回路、62:出力整合回路、71:ダイ
オード、72:抵抗
10: InP-HEMT element 11: Substrate (InP), 12: Buffer layer (InAlA
s), 13: channel layer (InGaAs), 14: carrier supply layer (InAlAs), 15: drain electrode, 1
6: first gate electrode, 17: first source electrode, 1
8: second gate electrode, 19: second source electrode, 2
0: HEMT layer, 21: first HEMT element, 22: second HEMT element 31 to 34: region, 35: hole, 36: valence band, 3
7: conduction band, 38: Fermi level, 39: electron 41, 42: load resistance, 43, 44: FET, 45, 4
6: Input terminal, 47, 48: Output terminal, 49: VG terminal, 50: VS terminal, 51: Capacitor, 52: VC terminal 10A, 10B: HEMT element for constant current source, 10C: HEMT element 61 for high frequency power amplification : Input matching circuit, 62: output matching circuit, 71: diode, 72: resistor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榎木 孝知 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5F102 FA07 GA01 GA14 GA16 GA17 GB01 GC01 GD01 GJ06 GK04 GL04 GM04 GQ01    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takachi Enoki             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation F-term (reference) 5F102 FA07 GA01 GA14 GA16 GA17                       GB01 GC01 GD01 GJ06 GK04                       GL04 GM04 GQ01

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1および第2のFETから構成され、前
記第1のFETのソース電極と前記第2のFETのドレ
イン電極が共通の端子となっている半導体装置であっ
て、 前記第1および前記第2のFETのチャネル層が同一の
層で構成されるとともに、前記共通の端子が接地され、
前記第2のFETのソース電極に印加される電圧が前記
共通の端子の電圧よりも低く設定されていることを特徴
とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising first and second FETs, wherein a source electrode of the first FET and a drain electrode of the second FET serve as a common terminal. And the channel layer of the second FET is formed of the same layer, and the common terminal is grounded,
A semiconductor device, wherein the voltage applied to the source electrode of the second FET is set lower than the voltage of the common terminal.
【請求項2】前記第2のFETのゲート電極に印加され
る電圧が、前記第2のFETのソース電極に印加される
電圧と前記第2のFETの閾値電圧の和よりも低く設定
されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装
置。
2. The voltage applied to the gate electrode of the second FET is set lower than the sum of the voltage applied to the source electrode of the second FET and the threshold voltage of the second FET. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device comprises:
【請求項3】前記第1のFETのゲート電極に印加され
る直流電圧が、一定値に設定されていることを特徴とす
る請求項1又は2に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the DC voltage applied to the gate electrode of the first FET is set to a constant value.
【請求項4】請求項1又は2に記載の半導体装置を用い
た半導体回路であって、前記第1のFETのゲート電極
およびドレイン電極にそれぞれ個別のインピーダンス整
合回路が接続されていることを特徴とする半導体回路。
4. A semiconductor circuit using the semiconductor device according to claim 1, wherein a separate impedance matching circuit is connected to the gate electrode and the drain electrode of the first FET, respectively. Semiconductor circuit.
【請求項5】請求項2に記載の半導体装置を用いた半導
体回路であって、前記第2のソース電極にアノード電極
が、前記第2のゲート電極にカソード電極が接続される
ダイオードを具備し、該ダイオードのカソード電極に印
加される電圧が前記第2のFETのソース電極の電圧よ
り低く設定されることを特徴とする半導体回路。
5. A semiconductor circuit using the semiconductor device according to claim 2, further comprising a diode in which an anode electrode is connected to the second source electrode and a cathode electrode is connected to the second gate electrode. A semiconductor circuit in which the voltage applied to the cathode electrode of the diode is set lower than the voltage of the source electrode of the second FET.
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