JP2006278544A - Active element and its fabrication process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To sharply enhance current density as compared with a conventional HBT by preventing the current from concentrating on one unit element even if the operating current becomes uneven among the unit elements thereby preventing puncture due to secondary breakdown. <P>SOLUTION: An HBT 101 and an FET are contiguously arranged through an isolation region, and a plurality of unit elements 100 where the base electrode of the HBT is connected with the source electrode of an MESFET 102 are connected to constitute an active element 200. In an active element connecting a plurality of unit elements in parallel, current does not concentrate on one unit element even if the operating current becomes uneven among the unit elements, and puncture due to secondary breakdown is prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタを用いた能動素子およびその製造方法に係り、特に温度補償型の能動素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an active device using a heterojunction bipolar transistor and a manufacturing method thereof, and more particularly to a temperature compensation type active device and a manufacturing method thereof.

ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(Heterojunction Bipolar Transistor:以下HBT)は、通常のホモ接合型バイポーラトランジスタに比べエミッタ効率が高く電流増幅率hFEが高いためベース濃度を大幅に上げることができ、ベース全体に渡ってトランジスタ動作を均一にできる。その結果、GaAs MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)、GaAs JFET(Junction FET)、HEMT(High Electron Mobility Transistor)と比較して電流密度が高く低オン抵抗のため、効率性、利得性、歪特性が優れている。 Heterojunction bipolar transistor (Heterojunction Bipolar Transistor: hereinafter HBT) is a base concentration because of the high high current amplification factor h FE emitter efficiency than normal homojunction bipolar transistor can be increased significantly, over the entire base Transistor operation can be made uniform. As a result, the current density is high and the on-resistance is low because of the high current density, low on-resistance, and high efficiency compared with GaAs MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor), GaAs JFET (Junction FET), and HEMT (High Electron Mobility Transistor). Are better.

図14を参照してHBTの構造について説明する。半絶縁性のGaAs基板310上にn型GaAsサブコレクタ層311が形成され、サブコレクタ層311上にn型AlGaAsコレクタ層312、p型GaAsベース層313、n型AlGaAsエミッタ層314、n型GaAsエミッタコンタクト層315等がメサ型に積層されて構成されている。   The structure of the HBT will be described with reference to FIG. An n-type GaAs subcollector layer 311 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 310. An n-type AlGaAs collector layer 312, a p-type GaAs base layer 313, an n-type AlGaAs emitter layer 314, and an n-type GaAs are formed on the subcollector layer 311. The emitter contact layer 315 and the like are stacked in a mesa shape.

サブコレクタ層311の表面には、コレクタ層312を挟む位置に、コレクタ電極316が配置される。ベース層313の表面には、エミッタ層314を挟む位置に、ベース電極317が配置される。エミッタコンタクト層315の上部にはエミッタ電極318が配置される。
特開2000−260782号公報
A collector electrode 316 is disposed on the surface of the subcollector layer 311 at a position sandwiching the collector layer 312. A base electrode 317 is disposed on the surface of the base layer 313 at a position sandwiching the emitter layer 314. An emitter electrode 318 is disposed on the emitter contact layer 315.
JP 2000-260782 A

HBTのエミッタ電極318、ベース電極317、コレクタ電極316は櫛状に形成される。そして図14に示した構造を1つの単位素子とし、複数の単位素子を並列に接続してスイッチング素子などの能動素子が構成される。   The emitter electrode 318, base electrode 317, and collector electrode 316 of the HBT are formed in a comb shape. Then, the structure shown in FIG. 14 is used as one unit element, and a plurality of unit elements are connected in parallel to form an active element such as a switching element.

HBTは、ベース−エミッタ間電流が正の温度係数を持つため、コレクタ電流も正の温度係数を持つ。従って、ベース電流を増加させて電流密度の向上を図ると、複数並列接続されたHBTの単位素子のうち、1つの単位素子に電流が集中して二次降伏を起し、破壊に至りやすくなる。   In the HBT, since the base-emitter current has a positive temperature coefficient, the collector current also has a positive temperature coefficient. Accordingly, when the current density is improved by increasing the base current, the current concentrates on one unit element among the plurality of HBT unit elements connected in parallel to cause a secondary breakdown, which easily leads to breakdown. .

従来ではこのような信頼性上の問題を回避するため、電流密度を十分向上させることができない問題があった。   Conventionally, in order to avoid such a problem in reliability, there has been a problem that the current density cannot be sufficiently improved.

本発明はかかる課題に鑑みてなされ、第1に、少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層した化合物半導体基板と、前記基板に設けられ、前記半導体層をコレクタ層、ベース層、エミッタ層とし、コレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタと、前記基板に設けられ、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタと、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとを分離領域を介して隣接して配置し、前記第1トランジスタの前記ベース電極と前記第2トランジスタの前記ソース電極を接続した単位素子と、を具備し、複数の前記単位素子を並列に接続し、前記各単位素子の前記第2トランジスタのドレイン電極を電源端子に接続し、前記第2トランジスタの前記ゲート電極に入力される電圧信号により前記各単位素子の前記第1トランジスタのコレクタ−エミッタ間の電流を変化させることにより解決するものである。   The present invention has been made in view of such a problem. First, a compound semiconductor substrate in which a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction are stacked, and the semiconductor layer provided on the substrate, the semiconductor layer being a collector layer, a base layer, A first transistor having an emitter layer, a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode; a second transistor provided on the substrate and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode; and the first transistor and the second transistor; Are arranged adjacent to each other through an isolation region, and a unit element connecting the base electrode of the first transistor and the source electrode of the second transistor is connected, and a plurality of the unit elements are connected in parallel. A drain electrode of the second transistor of each unit element is connected to a power supply terminal, and the gate power of the second transistor is It said collector of said first transistor of each unit element by a voltage signal input to - solves by varying the current between the emitter.

第2に、化合物半導体基板に少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層する工程と、前記半導体層に分離領域を形成して第1領域と第2領域を分離する工程と、前記第1領域にコレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタを形成する工程と、前記第2領域に、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタを形成する工程と、前記ベース電極と前記ソース電極を接続する工程とを具備することにより解決するものである。   Second, stacking a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction on a compound semiconductor substrate, forming a separation region in the semiconductor layer to separate the first region and the second region, Forming a first transistor having a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode in a first region; forming a second transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode in the second region; and This is solved by providing a step of connecting the electrode and the source electrode.

本実施形態によれば、HBTとFETを分離領域を介して隣接して配置し、HBTのベース電極にMESFETのソース電極を接続した単位素子を複数接続して能動素子を構成する。つまり、単位素子は櫛状のHBTのベース電極毎にMESFETが接続し、且つHBTとMESFETが分離領域を介して隣り合って配置されている。そして、能動素子は、MESFETのドレイン電極を電源端子VDDに接続し、MESFETのゲート電極に入力された電圧信号により、HBTのコレクタ−エミッタ間電流を変化させる。HBTとMESFETの距離が近接しているため、HBTの動作による発熱はMESFETに伝達する。しかし、MESFETのドレイン電流は負の温度係数を持つため、本実施形態のHBTのベース電流も負の温度係数を持つ。つまり、本実施形態ではHBTの発熱は、HBTのコレクタ電流を減少させる。 According to the present embodiment, the HBT and the FET are arranged adjacent to each other via the isolation region, and an active element is configured by connecting a plurality of unit elements each having the source electrode of the MESFET connected to the base electrode of the HBT. In other words, the unit element has a MESFET connected to each base electrode of the comb-shaped HBT, and the HBT and the MESFET are arranged adjacent to each other via the isolation region. The active element connects the drain electrode of the MESFET to the power supply terminal VDD , and changes the collector-emitter current of the HBT by a voltage signal input to the gate electrode of the MESFET. Since the distance between the HBT and the MESFET is close, heat generated by the operation of the HBT is transmitted to the MESFET. However, since the drain current of the MESFET has a negative temperature coefficient, the base current of the HBT of this embodiment also has a negative temperature coefficient. That is, in the present embodiment, the heat generation of the HBT decreases the collector current of the HBT.

従って、単位素子を並列に複数接続した能動素子において、単位素子毎に動作電流が不均一となっても、1つの単位素子に電流が集中することはなく二次降伏による破壊は発生しない。つまり、従来のHBTに比べて大幅に電流密度を向上させて動作させることができる。更に増幅機能は、従来のHBTに比べてMESFETの相互コンダクタンスgmとHBTの電流増幅率hFEの積算となるため、非常に大きな能力を有する。すなわち本能動素子のgmはMESFETのgmとHBTの電流増幅率hFEの積算となる。 Therefore, in an active element in which a plurality of unit elements are connected in parallel, even if the operating current is non-uniform for each unit element, the current does not concentrate on one unit element and the breakdown due to secondary breakdown does not occur. That is, the current density can be greatly improved as compared with the conventional HBT. Further amplification function, because the integration of the current amplification factor h FE of the mutual conductance gm and HBT of MESFET than the conventional HBT, has a very large capacity. That gm of the active element is the integration of the current amplification factor h FE of gm and HBT of MESFET.

以下に図1から図13を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

まず、図1を参照し、本実施形態の能動素子の回路図を示す。図1(A)は能動素子の回路図であり、図1(B)は能動素子を構成する単位素子の回路図である。   First, referring to FIG. 1, a circuit diagram of the active element of the present embodiment is shown. 1A is a circuit diagram of an active element, and FIG. 1B is a circuit diagram of a unit element constituting the active element.

図1(A)の如く、能動素子200は、複数の単位素子100(破線)を並列に接続したものである。単位素子100は、第1トランジスタ101と、第2トランジスタ102を有する。第1トランジスタはHBT101であり、第2トランジスタは化合物半導体(例えばGaAs)のMESFET(Metal Semiconductor Field Effect TransistorFET)102である。MESFETはエンハンスメント型、ディプレッション型の何れであってもよい。   As shown in FIG. 1A, an active element 200 is formed by connecting a plurality of unit elements 100 (broken lines) in parallel. The unit element 100 includes a first transistor 101 and a second transistor 102. The first transistor is an HBT 101, and the second transistor is a compound semiconductor (for example, GaAs) MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor FET) 102. The MESFET may be either an enhancement type or a depletion type.

複数の単位素子100は、並列に接続され、能動素子200を構成する。具体的には、1つの単位素子100は、HBT101のエミッタ、コレクタ、およびFET102のドレイン、ゲートを、他の単位素子100の、エミッタ、コレクタ、ドレイン、ゲートとそれぞれ共通接続する。   The plurality of unit elements 100 are connected in parallel to form an active element 200. Specifically, one unit element 100 commonly connects the emitter and collector of the HBT 101 and the drain and gate of the FET 102 to the emitter, collector, drain and gate of the other unit element 100, respectively.

各単位素子100は、FET102のドレインが電源端子VDDに接続する。そしてFET102のゲートに印加された電圧信号により、HBT101のコレクタ−エミッタ間の電流を変化させる。   In each unit element 100, the drain of the FET 102 is connected to the power supply terminal VDD. Then, the current between the collector and the emitter of the HBT 101 is changed by a voltage signal applied to the gate of the FET 102.

図1(B)を参照して、単位素子100のHBT101とFET102は分離領域を介して隣接して配置されており(後述)、HBT101のベースとFET102のソースが接続している。単位素子100は並列接続されているが、1つの単位素子100のベースおよびソースは、他の単位素子100のベースおよびソースとは共通接続しない。   Referring to FIG. 1B, the HBT 101 and the FET 102 of the unit element 100 are disposed adjacent to each other via an isolation region (described later), and the base of the HBT 101 and the source of the FET 102 are connected. The unit elements 100 are connected in parallel, but the base and source of one unit element 100 are not commonly connected to the base and source of other unit elements 100.

図2は、能動素子200の平面図を示す。   FIG. 2 shows a plan view of the active device 200.

化合物半導体基板上に複数の半導体層を積層し、第1トランジスタ(HBT)101および第2トランジスタ(FET)102を形成する。   A plurality of semiconductor layers are stacked on a compound semiconductor substrate to form a first transistor (HBT) 101 and a second transistor (FET) 102.

HBT101は、後述するが、所望のパターンで各半導体層をメサエッチングし、エミッタ層、ベース層となる各半導体層をメサ状に形成する。   As will be described later, in the HBT 101, each semiconductor layer is mesa-etched in a desired pattern to form each semiconductor layer serving as an emitter layer and a base layer in a mesa shape.

オーミック金属層(AuGe/Ni/Au)により、エミッタ層、サブコレクタ層とそれぞれ接続する1層目のエミッタ電極9、コレクタ電極7が設けられ、オーミック金属層(Pt/Ti/Pt/Au)によりベース層と接続するベース電極8が形成される。エミッタ電極9、およびコレクタ電極7は櫛状に設けられる。ベース電極8は、エミッタ電極9を中央としてその周囲にハッチングの如く配置される。そして、ベース電極8の外側のサブコレクタ層上にベース電極8を挟む2本のコレクタ電極7が配置される。   The ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au) provides the first emitter electrode 9 and the collector electrode 7 connected to the emitter layer and the subcollector layer, respectively, and the ohmic metal layer (Pt / Ti / Pt / Au) A base electrode 8 connected to the base layer is formed. The emitter electrode 9 and the collector electrode 7 are provided in a comb shape. The base electrode 8 is arranged like hatching around the emitter electrode 9 in the center. Two collector electrodes 7 sandwiching the base electrode 8 are arranged on the subcollector layer outside the base electrode 8.

1層目のエミッタ電極9、コレクタ電極7の上にはそれらと重畳する配線金属層(Ti/Pt/Au)により2層目のエミッタ電極15、コレクタ電極13が設けられる。2層目のエミッタ電極15は1層目と同様の櫛状である。2層目のコレクタ電極13はコレクタ配線130と連続する。ベース電極8は、オーミック金属層のみで1層構造である。また2層目のエミッタ電極15上には、金メッキ層によりエミッタ配線150が設けられる。   On the emitter electrode 9 and the collector electrode 7 of the first layer, the emitter electrode 15 and the collector electrode 13 of the second layer are provided by a wiring metal layer (Ti / Pt / Au) overlapping therewith. The second-layer emitter electrode 15 has a comb shape similar to that of the first layer. The second-layer collector electrode 13 is continuous with the collector wiring 130. The base electrode 8 has a single-layer structure with only an ohmic metal layer. On the emitter electrode 15 of the second layer, an emitter wiring 150 is provided by a gold plating layer.

FET102は、後述するが、HBT101と同じ基板および半導体層上に設けられる。所望のパターンで半導体層をメサエッチングし、コンタクト層およびチャネル層となる各半導体層をメサ状に形成する。   As will be described later, the FET 102 is provided on the same substrate and semiconductor layer as the HBT 101. The semiconductor layer is mesa-etched in a desired pattern, and each semiconductor layer to be a contact layer and a channel layer is formed in a mesa shape.

オーミック金属層(AuGe/Ni/Au)により、各コンタクト層とそれぞれコンタクトする1層目のドレイン電極10、ソース電極11が設けられる。ドレイン電極10およびソース電極11間のチャネル層表面には、ゲート金属層(Pt/Mo)によりゲート電極12が設けられる。ゲート電極12は、島状のソース電極11、ドレイン電極10の間で、櫛状のHBT101の各電極の延在方向と直交する方向に延在する。   By the ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au), the first drain electrode 10 and the source electrode 11 that are in contact with the respective contact layers are provided. On the surface of the channel layer between the drain electrode 10 and the source electrode 11, a gate electrode 12 is provided by a gate metal layer (Pt / Mo). The gate electrode 12 extends between the island-shaped source electrode 11 and the drain electrode 10 in a direction orthogonal to the extending direction of each electrode of the comb-shaped HBT 101.

ドレイン電極10、ソース電極11、ゲート電極12が配置されるFET102の動作領域は、半導体層を分離領域20で分離した不純物領域23上に形成する。分離領域20はB+等のイオン注入による絶縁化領域であるので、本実施形態では分離領域20以外の領域、すなわち二点鎖線で囲んだ領域は不純物領域23となる。   The operation region of the FET 102 in which the drain electrode 10, the source electrode 11, and the gate electrode 12 are disposed is formed on the impurity region 23 in which the semiconductor layer is separated by the separation region 20. Since the isolation region 20 is an insulating region by ion implantation of B + or the like, in this embodiment, a region other than the isolation region 20, that is, a region surrounded by a two-dot chain line is an impurity region 23.

1層目のドレイン電極10の上には、配線金属層(Ti/Pt/Au)により2層目のドレイン電極16が設けられる。また2層目のドレイン電極16上には、金メッキ層によりドレイン配線160が設けられる。   On the drain electrode 10 of the first layer, the drain electrode 16 of the second layer is provided by a wiring metal layer (Ti / Pt / Au). On the drain electrode 16 of the second layer, a drain wiring 160 is provided by a gold plating layer.

ゲート電極12は、配線金属層によるゲート配線120と接続する。ゲート配線120はゲート電極12同士を配線し、電圧信号が入力される端子に接続する。ゲート配線120の周囲にも分離領域20を配置する。   The gate electrode 12 is connected to a gate wiring 120 made of a wiring metal layer. The gate wiring 120 connects the gate electrodes 12 to each other and is connected to a terminal to which a voltage signal is input. An isolation region 20 is also arranged around the gate wiring 120.

1層目のソース電極11上には配線金属層による接続配線17が設けられる。接続配線17は、FET102のソース電極11とHBT101のベース電極8を接続する。   On the source electrode 11 of the first layer, a connection wiring 17 made of a wiring metal layer is provided. The connection wiring 17 connects the source electrode 11 of the FET 102 and the base electrode 8 of the HBT 101.

FET102とHBT101は、同一基板および半導体層上に設けられるが、一部の半導体層はメサ状に形成されて空間により分離されている。メサエッチングされない領域においては、イオン注入による分離領域20により分離されている。つまり、HBT101とFET102は同一の基板および半導体層に設けた分離領域20を介して隣接して配置され、HBT101のベース電極8およびFET102のソース電極11が接続配線17により接続する。また本実施形態では、HBT101のベース層およびコレクタ層は、それぞれFET102の相当する半導体層と連続する。   The FET 102 and the HBT 101 are provided on the same substrate and semiconductor layer, but some of the semiconductor layers are formed in a mesa shape and separated by a space. The region that is not mesa-etched is separated by the separation region 20 by ion implantation. That is, the HBT 101 and the FET 102 are disposed adjacent to each other via the isolation region 20 provided on the same substrate and semiconductor layer, and the base electrode 8 of the HBT 101 and the source electrode 11 of the FET 102 are connected by the connection wiring 17. In the present embodiment, the base layer and the collector layer of the HBT 101 are each continuous with the corresponding semiconductor layer of the FET 102.

本実施形態では、破線の如く、エミッタ電極9、15、ベース電極8、コレクタ電極7、13よりなる最小単位のHBT101と、1組のソース電極11、ゲート電極12、ドレイン電極10、16よりなるFET102とを接続し、1つの単位素子100を構成する。   In the present embodiment, as indicated by a broken line, the HBT 101 is a minimum unit including the emitter electrodes 9 and 15, the base electrode 8, and the collector electrodes 7 and 13, and a pair of the source electrode 11, the gate electrode 12, and the drain electrodes 10 and 16. One unit element 100 is configured by connecting the FET 102.

能動素子200は、単位素子100のHBT101およびFET102をそれぞれ並列に複数接続して構成する。つまりコレクタ配線130によって各HBT101のコレクタ電極13、7が互いに接続され、またエミッタ配線150によって各HBT101のエミッタ電極15、9が互いに接続される。尚、コレクタ電極7、13は隣り合う単位素子100で共用している。更に、FET102のゲート配線120によって、各FET102のゲート電極12が互いに接続される。   The active element 200 is configured by connecting a plurality of HBTs 101 and FETs 102 of the unit element 100 in parallel. That is, collector electrodes 13 and 7 of each HBT 101 are connected to each other by collector wiring 130, and emitter electrodes 15 and 9 of each HBT 101 are connected to each other by emitter wiring 150. The collector electrodes 7 and 13 are shared by the adjacent unit elements 100. Further, the gate electrodes 120 of the FETs 102 connect the gate electrodes 12 of the FETs 102 to each other.

ここで、HBT101のベース電極8とFET102のソース電極11は、1つの単位素子100において接続配線17で接続されるが、複数の単位素子100が櫛状に配置されるレイアウトにおいて、HBT101のベース電極8同士およびFET102のソース電極11同士が直接接続することはない。   Here, the base electrode 8 of the HBT 101 and the source electrode 11 of the FET 102 are connected by the connection wiring 17 in one unit element 100, but the base electrode of the HBT 101 is arranged in a layout in which a plurality of unit elements 100 are arranged in a comb shape. 8 and the source electrodes 11 of the FET 102 are not directly connected.

FET102のドレイン電極16は金メッキ層によるドレイン配線160により配線され、ドレイン配線160は電源端子VDDに接続する。そしてFET102のゲート配線120は電圧信号が入力される端子に接続する。 The drain electrode 16 of the FET 102 is wired by a drain wiring 160 made of a gold plating layer, and the drain wiring 160 is connected to the power supply terminal V DD . The gate wiring 120 of the FET 102 is connected to a terminal to which a voltage signal is input.

図3は、単位素子100を説明する図であり、図3(A)が図2のa−a線断面図、図3(B)が図2のb−b線におけるHBT101の断面図である。また、図3(C)は、図3(A)のc−c線で示した断面で単位素子を上記2つの領域に切り離したときのHBT101の斜視図であり、図3(D)がFET102の斜視図である。尚、図3では接続配線17以外の2層目以上の電極を省略している。また、図3(B)(C)では接続電極17は省略している。   3A and 3B are diagrams illustrating the unit element 100. FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line aa in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line bb in FIG. . FIG. 3C is a perspective view of the HBT 101 when the unit element is cut into the two regions in the cross section indicated by the line cc in FIG. 3A, and FIG. FIG. In FIG. 3, the electrodes of the second and higher layers other than the connection wiring 17 are omitted. In addition, the connection electrode 17 is omitted in FIGS.

図3(A)の如く、半絶縁性のGaAs基板1上に、複数の半導体層、すなわちn+GaAs層2、n−GaAs層3、p+GaAs層4、nInGaP層5、n+GaAs層6が積層される。半導体層の一部はエッチングにより除去され、メサ状に形成される。また基板1に達する分離領域20が設けられる。分離領域20は、前述の如くB+等のイオン注入による絶縁化領域である。   As shown in FIG. 3A, a plurality of semiconductor layers, that is, an n + GaAs layer 2, an n-GaAs layer 3, a p + GaAs layer 4, an nInGaP layer 5, and an n + GaAs layer 6 are stacked on a semi-insulating GaAs substrate 1. A part of the semiconductor layer is removed by etching to form a mesa shape. A separation region 20 reaching the substrate 1 is also provided. The isolation region 20 is an insulating region by ion implantation of B + or the like as described above.

単位素子100は、メサ状の半導体層および絶縁化領域20によって、2つの領域に分離され、一方の領域にはHBT101が形成され、他方の領域にはFET102が形成される。   The unit element 100 is separated into two regions by a mesa-like semiconductor layer and an insulating region 20, and an HBT 101 is formed in one region and an FET 102 is formed in the other region.

図3(B)(C)の如く、HBT101のサブコレクタ層2は、基板1上にエピタキシャル成長法によって形成され、3〜6E18cm−3の比較的高不純物濃度にシリコン(Si)ドープされたn+GaAs層である。その膜厚は数千Åである。コレクタ層3は、サブコレクタ層2の一部領域上に形成され、シリコンドープによって1〜10E16cm−3程度に不純物濃度にドープされたn−GaAs層である。その膜厚は数千Åである。ベース層4aは、コレクタ層3の上に形成され、カーボン(C)ドープによって1〜50E18cm−3程度の不純物濃度にドープされたp+GaAs層である。膜厚は数百〜2000Åである。エミッタ層5aは、ベース層4aの一部領域上に形成され、シリコンドープによって1〜10E17cm−3程度の不純物濃度にドープされたn型のInGaP層である。膜厚は1000〜5000Åである。エミッタ層5aは、上層および下層のGaAs層と格子整合させる。エミッタコンタクト層6aは、エミッタ層5aの上に形成され、シリコンドープによって3〜6E18cm−3程度の不純物濃度にドープされたn+GaAs層で、膜厚は数千Åである。 3B and 3C, the subcollector layer 2 of the HBT 101 is formed on the substrate 1 by an epitaxial growth method, and is an n + GaAs layer doped with silicon (Si) at a relatively high impurity concentration of 3 to 6E18 cm −3. It is. Its film thickness is several thousand mm. The collector layer 3 is an n-GaAs layer formed on a partial region of the sub-collector layer 2 and doped to an impurity concentration of about 1 to 10E16 cm −3 by silicon doping. Its film thickness is several thousand mm. The base layer 4a is a p + GaAs layer formed on the collector layer 3 and doped to an impurity concentration of about 1 to 50E18 cm −3 by carbon (C) doping. The film thickness is several hundred to 2,000 mm. The emitter layer 5a is an n-type InGaP layer formed on a partial region of the base layer 4a and doped to an impurity concentration of about 1 to 10E17 cm −3 by silicon doping. The film thickness is 1000 to 5000 mm. The emitter layer 5a is lattice-matched with the upper and lower GaAs layers. The emitter contact layer 6a is an n + GaAs layer formed on the emitter layer 5a and doped to an impurity concentration of about 3 to 6E18 cm −3 by silicon doping, and has a thickness of several thousand Å.

本実施形態のHBT101は、エミッタ層5aとベース層4aとで、InGaP/GaAsへテロ接合を形成している。尚、エミッタ層5aとなる半導体層はInGaP層に代えてAlGaAs層であってもよく、その場合も上層および下層のGaAs層と格子整合している。ベース層4aより下層は面S1’付近において分離のための絶縁化領域20が設けられている。また図3(B)に示す如く(図3(C)では省略)、エミッタ層5aの下部は両側にあるベース電極8側に張り出す形状のレッジ(棚)Lが設けられている。レッジLは空乏化しており、レッジL下方のベース層4a表面においてエミッタ−ベース間の再結合電流が流れることを防止している。   In the HBT 101 of this embodiment, the emitter layer 5a and the base layer 4a form an InGaP / GaAs heterojunction. The semiconductor layer to be the emitter layer 5a may be an AlGaAs layer instead of the InGaP layer, and in this case, lattice matching is performed with the upper and lower GaAs layers. An insulating region 20 for separation is provided in the vicinity of the surface S1 'below the base layer 4a. Further, as shown in FIG. 3B (omitted in FIG. 3C), a ledge (shelf) L having a shape projecting toward the base electrode 8 on both sides is provided at the lower portion of the emitter layer 5a. The ledge L is depleted and prevents the emitter-base recombination current from flowing on the surface of the base layer 4a below the ledge L.

サブコレクタ層2の表面には、コレクタ層3を挟む位置にオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)からなる1層目のコレクタ電極7が配置される。ベース層4aの表面には、エミッタ層5aを囲むパターンで、オーミック金属層(Pt/Ti/Pt/Au)からなるベース電極8が配置される。エミッタコンタクト層6aの上部にはオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)からなる1層目のエミッタ電極9が配置される。   On the surface of the subcollector layer 2, a first collector electrode 7 made of an ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au) is disposed at a position sandwiching the collector layer 3. A base electrode 8 made of an ohmic metal layer (Pt / Ti / Pt / Au) is arranged on the surface of the base layer 4a in a pattern surrounding the emitter layer 5a. A first emitter electrode 9 made of an ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au) is disposed on the emitter contact layer 6a.

図3(D)は、図3(A)のc−c線で示した断面で単位素子を切り離したときのFET102の斜視図である。FET102はnInGaP層5をチャネル層5bとする。また、最上層のn+GaAs層6をコンタクト層6bs、6bdとする。コンタクト層6bd、6bsはそれぞれFETのドレイン領域およびソース領域となる。コンタクト層6bd、6bsもメサ状に形成され、それらの間に露出したチャネル層5bにゲート電極12が設けられる。コンタクト層6bd、6bs上には、オーミック金属層によって1層目のドレイン電極10、ソース電極11がそれぞれ形成される。   FIG. 3D is a perspective view of the FET 102 when the unit element is cut along the cross section indicated by the line cc in FIG. The FET 102 uses the nInGaP layer 5 as a channel layer 5b. The uppermost n + GaAs layer 6 is used as contact layers 6bs and 6bd. The contact layers 6bd and 6bs become the drain region and the source region of the FET, respectively. The contact layers 6bd and 6bs are also formed in a mesa shape, and the gate electrode 12 is provided on the channel layer 5b exposed between them. On the contact layers 6bd and 6bs, the first drain electrode 10 and the source electrode 11 are formed by ohmic metal layers, respectively.

ここでは、FET102のチャネル層5bが、HBT101のエミッタ層5aと同じInGaP層である。これにより、FET102の高耐圧化、およびチャネル層5b表面の安定化が図れる。   Here, the channel layer 5 b of the FET 102 is the same InGaP layer as the emitter layer 5 a of the HBT 101. Thereby, the high breakdown voltage of the FET 102 and the stabilization of the surface of the channel layer 5b can be achieved.

また、チャネル層5bの下層にはp+GaAs層4bが配置される。この層により、チャネルから基板側にリークするキャリアを防止できる。   A p + GaAs layer 4b is disposed below the channel layer 5b. This layer can prevent carriers leaking from the channel to the substrate side.

尚、p+GaAs層4bより下層はFET102として特に動作に影響しない層であるので、HBT101の特性が最適になるように設計すればよい。   Since the layer below the p + GaAs layer 4b does not particularly affect the operation as the FET 102, it may be designed so that the characteristics of the HBT 101 are optimized.

再び図3(A)を参照し、単位素子100は、図3(C)に示すHBT101の面S1’と図3(D)に示すFET102の面S1とを当接させた構造である。当接面は図3(A)のc−c線の面である。そして、FET102のソース電極11上に配線金属層(Ti/Pt/Au)により接続配線17が設けられる。接続配線17は、FET102のメサに沿って、また絶縁化領域20上を通過してHBT101のベース電極8上まで延在する。   Referring again to FIG. 3A, the unit element 100 has a structure in which the surface S1 'of the HBT 101 shown in FIG. 3C and the surface S1 of the FET 102 shown in FIG. The contact surface is the surface of line cc in FIG. A connection wiring 17 is provided on the source electrode 11 of the FET 102 by a wiring metal layer (Ti / Pt / Au). The connection wiring 17 extends along the mesa of the FET 102 and over the insulating region 20 to the base electrode 8 of the HBT 101.

本実施形態ではHBT101とFET102は同一の半導体層上に形成されるが、HBT101とFET102の分離方法は以下のとおりである。   In the present embodiment, the HBT 101 and the FET 102 are formed on the same semiconductor layer. The method for separating the HBT 101 and the FET 102 is as follows.

n+GaAs層6およびnInGaP層5はメサ状であり、空間により分離される。一方、p+GaAs層4より下層は、分離領域(絶縁化領域)20により分離される。つまり、HBT101のベース層4a、コレクタ層3、サブコレクタ層2は、FET102のバッファ層4b、n−GaAs層3、n+GaAs層2と電気的には分離されているが構造上は連続する。単位素子100は、分離領域20を介して隣接して配置されたHBT101とFET102を有し、接続配線17によりHBT101のベース電極8とFET102のソース電極11が接続した構造である。   The n + GaAs layer 6 and the nInGaP layer 5 have a mesa shape and are separated by a space. On the other hand, the layer below the p + GaAs layer 4 is separated by an isolation region (insulating region) 20. That is, the base layer 4a, the collector layer 3, and the subcollector layer 2 of the HBT 101 are electrically separated from the buffer layer 4b, the n-GaAs layer 3, and the n + GaAs layer 2 of the FET 102, but are continuous in structure. The unit element 100 has an HBT 101 and an FET 102 which are arranged adjacent to each other with an isolation region 20, and has a structure in which the base electrode 8 of the HBT 101 and the source electrode 11 of the FET 102 are connected by a connection wiring 17.

本実施形態では単位素子100毎にFET102とHBT101が近接して接続される。そして単位HBT101と単位FET102の半導体層の積層構造は同一であり、単位HBT101のベース層4a、コレクタ層3、サブコレクタ層2は、それぞれ単位FET102の相当する半導体層と連続している。従って、HBT101の動作による発熱をFET102に伝えることができる。FET102のドレイン電流は負の温度係数を有するため、HBT101のベース電流も負の温度係数を持つ。従って、HBT101の発熱はHBT101のコレクタ電流を低減させることになる。   In the present embodiment, the FET 102 and the HBT 101 are connected in close proximity to each unit element 100. The stacked structure of the semiconductor layers of the unit HBT 101 and the unit FET 102 is the same, and the base layer 4a, the collector layer 3, and the sub-collector layer 2 of the unit HBT 101 are each continuous with the corresponding semiconductor layer of the unit FET 102. Therefore, heat generated by the operation of the HBT 101 can be transmitted to the FET 102. Since the drain current of the FET 102 has a negative temperature coefficient, the base current of the HBT 101 also has a negative temperature coefficient. Therefore, the heat generation of the HBT 101 reduces the collector current of the HBT 101.

複数の単位素子を並列接続して構成された能動素子(例えばHBT)においては、単位素子間で動作電流が不均一になる場合がある。その場合、HBTにおいてベース電流、コレクタ電流が正の温度係数を持つことから、HBTのある単位素子において正帰還のプロセスが始まり、結果として電流集中により破壊するという二次降伏を引き起こす。しかし本実施形態によれば、コレクタ電流が負の温度係数を持つため、1つの単位素子100に電流が集中することはなく、二次降伏による破壊が発生しない。つまり、本実施形態では、従来の能動素子(HBT)の各単位素子に隣接してFETを接続することにより温度補償型の能動素子200を実現し、従来の能動素子(HBT)と比較して大幅に電流密度を向上させて動作させることができる。   In an active element (for example, an HBT) configured by connecting a plurality of unit elements in parallel, the operating current may be nonuniform between the unit elements. In that case, since the base current and the collector current have a positive temperature coefficient in the HBT, a positive feedback process starts in a unit element having the HBT, and as a result, a secondary breakdown is caused that the breakdown occurs due to current concentration. However, according to the present embodiment, since the collector current has a negative temperature coefficient, the current does not concentrate on one unit element 100, and the breakdown due to secondary breakdown does not occur. That is, in this embodiment, the temperature compensation type active element 200 is realized by connecting the FET adjacent to each unit element of the conventional active element (HBT), and compared with the conventional active element (HBT). It can be operated with greatly improved current density.

更に能動素子200の増幅機能は、HBTの電流増幅率hFEとMESFETのgmの積算値となるため、非常に大きい能力を有する。すなわち能動素子200のgmはMESFETのgmとHBTの電流増幅率hFEの積算値となる。 Further amplification function of the active element 200, since the integrated value of the current amplification factor h FE and MESFET of gm of HBT, has a very large capacity. That gm of the active element 200 is the integrated value of the current amplification factor h FE of gm and HBT of MESFET.

ここで、メサ形状と配線の方向について説明する。   Here, the mesa shape and the wiring direction will be described.

GaAsのメサエッチングにウエットエッチングを採用した場合、メサ形状に結晶面が影響する。結晶方向とメサ形状の関係として、[01バー1バー](以下[01−1−]と記載する)の方向と平行方向にエッチング段差表面をトレースする場合のメサ形状は順メサ形状(台形の形状)となる。また、[01−1−]の方向と垂直方向にエッチング段差表面をトレースする場合のメサ形状は逆メサ形状(オーバーハング形状)になる。   When wet etching is employed for GaAs mesa etching, the crystal plane affects the mesa shape. As the relationship between the crystal direction and the mesa shape, the mesa shape when tracing the surface of the etching step in the direction parallel to the direction of [01 bar 1 bar] (hereinafter referred to as [01-1-) is a forward mesa shape (trapezoidal shape). Shape). Further, the mesa shape when the etching step surface is traced in the direction perpendicular to the [01-1-] direction is an inverted mesa shape (overhang shape).

つまり、金属層がメサ段差を昇降する場合、メサ形状あるいは金属層の延在方向によってはステップカバレッジの問題が発生する。金属層が[01−1−]の方向と平行方向に延在してメサ段差を昇降する場合、順メサ形状であるのでステップカバレッジの問題は発生しない。ところが、配線が[01−1−]の方向と垂直方向に延在してメサ段差を昇り降りするときは、逆メサ形状となるため、ステップカバレッジの問題が発生する。   That is, when the metal layer moves up and down the mesa step, a step coverage problem occurs depending on the mesa shape or the extending direction of the metal layer. When the metal layer extends in the direction parallel to the [01-1-] direction and moves up and down the mesa step, the problem of step coverage does not occur because of the forward mesa shape. However, when the wiring extends in the direction perpendicular to the [01-1-] direction and goes up and down the mesa level difference, it has an inverted mesa shape, which causes a step coverage problem.

本実施形態では、HBT101のエミッタコンタクト層6aおよびエミッタ層5aを形成するメサエッチングにより、同時にFET102の領域にもメサが形成される。つまり、図2においてエミッタメサEMが同時に形成されるメサである。   In the present embodiment, a mesa is simultaneously formed in the region of the FET 102 by mesa etching for forming the emitter contact layer 6 a and the emitter layer 5 a of the HBT 101. That is, in FIG. 2, the emitter mesa EM is formed simultaneously.

また、HBT101のベース層4aおよびコレクタ層3を形成するメサエッチングにより、同時にFET102の領域にもメサが形成される。つまり、図2においてベースメサBMが同時に形成されるメサである。   Further, a mesa is also formed in the region of the FET 102 at the same time by mesa etching for forming the base layer 4 a and the collector layer 3 of the HBT 101. That is, in FIG. 2, the base mesa BM is formed simultaneously.

従って、FET102のソース電極11とHBT101のベース電極8を接続する接続配線17がエミッタメサEMを昇降し、さらにゲート配線120がベースメサBMを昇降する。   Therefore, the connection wiring 17 connecting the source electrode 11 of the FET 102 and the base electrode 8 of the HBT 101 moves up and down the emitter mesa EM, and the gate wiring 120 moves up and down the base mesa BM.

そこで、本実施形態では、接続配線17、ゲート配線120がメサを昇降する方向を揃えて、共に[01−1−]の方向と平行方向(図の矢印の方向)に延在させている。   Therefore, in the present embodiment, the connection wiring 17 and the gate wiring 120 are aligned in the direction in which the mesa is moved up and down, and both extend in a direction parallel to the [01-1-] direction (the direction of the arrow in the drawing).

次に、図4および図5を参照して、本実施形態の能動素子200を用いた回路の一例を示す。   Next, with reference to FIG. 4 and FIG. 5, an example of a circuit using the active element 200 of this embodiment is shown.

図4は、能動素子200を用いてスイッチ回路装置を構成した例を示す。スイッチ回路装置は、SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチMMICである。図4(A)はSPDTスイッチMMICの回路図であり、図4(B)は、単位素子100を構成するHBT101の断面図である。   FIG. 4 shows an example in which a switch circuit device is configured using the active element 200. The switch circuit device is an SPDT (Single Pole Double Throw) switch MMIC. 4A is a circuit diagram of the SPDT switch MMIC, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the HBT 101 constituting the unit element 100.

図4(A)の如く、本実施形態の単位素子100を並列接続して、第1スイッチング素子SW1および第2スイッチング素子SW2を構成する。第1および第2スイッチング素子SW1、SW2は、HBT101のコレクタが共通入力端子INに接続する。エミッタは、それぞれ第1出力端子OUT1、第2出力端子OUT2に接続する。   As shown in FIG. 4A, the unit elements 100 of this embodiment are connected in parallel to form the first switching element SW1 and the second switching element SW2. In the first and second switching elements SW1 and SW2, the collector of the HBT 101 is connected to the common input terminal IN. The emitters are connected to the first output terminal OUT1 and the second output terminal OUT2, respectively.

また、第1および第2スイッチング素子SW1、SW2は、FET102のソースが各HBT101のベースに接続し、ドレインが電源端子VDDに接続する。更に各ゲートは、第1制御端子Ctl1および、第2制御端子Ctl2に接続する。 In the first and second switching elements SW1 and SW2, the source of the FET 102 is connected to the base of each HBT 101, and the drain is connected to the power supply terminal V DD . Further, each gate is connected to the first control terminal Ctl1 and the second control terminal Ctl2.

単位素子100は、コレクタ、エミッタ、ドレイン、ゲートが他の単位素子100のコレクタ、エミッタ、ドレイン、ゲートと並列にそれぞれ共通接続しているが、ベースは他の単位素子100のベースと共通接続することはなく、ソースも他の単位素子100のソースと共通接続することはない。   In the unit element 100, the collector, emitter, drain, and gate are commonly connected in parallel with the collector, emitter, drain, and gate of the other unit element 100, respectively, but the base is commonly connected to the bases of the other unit elements 100. In other words, the source is not commonly connected to the sources of the other unit elements 100.

このスイッチ回路装置は、第1および第2制御端子Ctl1、Ctl2に相補信号を印加する。そしてHBT101のコレクタ−エミッタ電圧VCEを0Vにバイアスし、所定のベース電流を印加してコレクタ−エミッタ間を導通させる。またベース電流を0としてコレクタ−エミッタ間を遮断するものである。これにより共通入力端子IN−第1出力端子OUT1間または、共通入力端子IN−第2出力端子OUT2間のいずれかに信号経路を形成する。 This switch circuit device applies complementary signals to the first and second control terminals Ctl1 and Ctl2. The collector of the HBT 101 - emitter voltage V CE is biased to 0V, and by applying a predetermined base current collector - to conduct between emitter. In addition, the base current is set to 0 to cut off the collector-emitter. Thereby, a signal path is formed either between the common input terminal IN and the first output terminal OUT1 or between the common input terminal IN and the second output terminal OUT2.

HBT101のエミッタおよびコレクタにはそれぞれ高周波信号の分離素子30を接続する。分離素子30は、例えば抵抗値5KΩから10KΩの抵抗であり、バイアス電位(GND電位)に対して高周波信号が漏れることを防止する。更に、ドレインバイアスを印加する電源端子VDDとFET102間にも、高周波信号の分離素子30を接続する。 A high frequency signal separation element 30 is connected to the emitter and collector of the HBT 101. The separation element 30 is a resistor having a resistance value of 5 KΩ to 10 KΩ, for example, and prevents the high frequency signal from leaking with respect to the bias potential (GND potential). Further, a high frequency signal separating element 30 is also connected between the power supply terminal V DD to which the drain bias is applied and the FET 102.

ここで、上記の如きスイッチ回路装置を構成する場合には、単位素子100のHBT101は順方向と逆方向の双方向に対称に動作可能な対称型HBTとするとよい。   Here, when configuring the switch circuit device as described above, the HBT 101 of the unit element 100 is preferably a symmetric HBT that can operate symmetrically in both the forward and reverse directions.

図4(B)は、対称型HBT101の一例を示す断面図である。この断面図は図2のb−b線断面に相当し、2層目以上の電極は省略している。   FIG. 4B is a cross-sectional view illustrating an example of the symmetric HBT 101. This cross-sectional view corresponds to the cross section taken along the line bb in FIG. 2, and the second and higher electrodes are omitted.

半絶縁性のGaAs基板1上にn+GaAsのサブコレクタ層2が形成され、サブコレクタ層2上にn型InGaPのコレクタ層3、p型GaAsのベース層4a、n型InGaPのエミッタ層5a、n+GaAsのエミッタコンタクト層6aがメサ型に積層されて構成されている。コレクタ層3は、サブコレクタ層2の一部領域上に形成され、シリコンドープによって1〜5E17cm−3程度に不純物濃度にドープされたn型のInGaP層である。膜厚は1000〜5000Åである。これ以外は、図3(B)と同様である。尚、コレクタ層3およびエミッタ層5aはInGaP層に代えてAlGaAs層であってもよい。 An n + GaAs subcollector layer 2 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 1. An n-type InGaP collector layer 3, a p-type GaAs base layer 4 a, an n-type InGaP emitter layer 5 a, and n + GaAs are formed on the subcollector layer 2. The emitter contact layer 6a is stacked in a mesa shape. The collector layer 3 is an n-type InGaP layer formed on a partial region of the sub-collector layer 2 and doped to an impurity concentration of about 1 to 5E17 cm −3 by silicon doping. The film thickness is 1000 to 5000 mm. Except this, it is the same as FIG. The collector layer 3 and the emitter layer 5a may be AlGaAs layers instead of the InGaP layers.

対称型HBT101は、エミッタ層5aとベース層4aとで、InGaP/GaAsへテロ接合を形成しているのに加え、コレクタ層3とベース層4aとでもInGaP/GaAsへテロ接合を形成している。そして、エミッタ層5aをエミッタとして動作する順方向のトランジスタ動作時(順トランジスタ動作時)と、エミッタ層5aをコレクタとして動作する逆方向のトランジスタ動作時(逆トランジスタ動作時)とで、トランジスタ特性がほぼ同じ特性となるように構造上の各パラメータを制御する。具体的には順トランジスタ動作時のオン抵抗Ron(=ΔVCE/ΔI)と逆トランジスタ動作時のオン抵抗Ron’(=ΔVCE’/ΔI’)がほぼ等しくなるように構成する。そしてコレクタ−エミッタ間電圧を0V、コレクターエミッタ間電流を0A付近のバイアスで動作させる。 The symmetric HBT 101 forms an InGaP / GaAs heterojunction between the emitter layer 5a and the base layer 4a, and also forms an InGaP / GaAs heterojunction between the collector layer 3 and the base layer 4a. . The transistor characteristics are different between a forward transistor operation that operates using the emitter layer 5a as an emitter (forward transistor operation) and a reverse transistor operation that operates using the emitter layer 5a as a collector (reverse transistor operation). Each structural parameter is controlled so that the characteristics are almost the same. Specifically, the on-resistance Ron (= ΔV CE / ΔI C ) during forward transistor operation and the on-resistance Ron ′ (= ΔV CE ′ / ΔI C ′) during reverse transistor operation are configured to be substantially equal. Then, the collector-emitter voltage is operated with a bias of 0 V, and the collector-emitter current is operated with a bias of about 0 A.

スイッチMMICに一般的に使用されているHEMTはユニポーラデバイスであるのに比べHBTはバイポーラデバイスであるため、圧倒的に電流密度を上げることができ、オン抵抗Ronを非常に小さくできる。またスイッチMMICに、上記の対称型HBT101を使用することによりコレクタ−エミッタ間消費電流を0とすることができる。これはHEMTがドレイン−ソース間消費電流を0とするのと同様に省エネルギー動作が可能となる。理由はHEMTでドレイン−ソース間電圧を0Vにバイアスするのと同様に対称型HBT101でコレクタ−エミッタ間電圧を0Vにバイアスできるからである。   Since the HEMT generally used in the switch MMIC is a unipolar device, the HBT is a bipolar device, so that the current density can be greatly increased and the on-resistance Ron can be extremely reduced. Further, by using the symmetric HBT 101 for the switch MMIC, the collector-emitter consumption current can be reduced to zero. This makes it possible to perform an energy saving operation in the same way as the HEMT sets the drain-source current consumption to zero. The reason is that the collector-emitter voltage can be biased to 0V in the symmetric HBT 101 in the same manner as the drain-source voltage is biased to 0V in the HEMT.

HBTはHEMTに比べ潜在的に非常に高い電流密度を得られ、非常に低いオン抵抗Ronを得ることができる。しかしHBTは温度による正帰還作用により電流が1つの単位素子に集中して二次降伏により破壊するという問題をはらんでいる。このため、実際のところ十分に電流密度を上げることができない。またこの問題を解決するために一般にはHBTの各単位素子にエミッタバラスト抵抗やベースバラスト抵抗を挿入するという対策が必ず取られている。しかしエミッタバラスト抵抗やベースバラスト抵抗を挿入すると、高周波特性がその分劣化してしまうという問題が新たに発生する。   The HBT can potentially obtain a very high current density compared to the HEMT, and can obtain a very low on-resistance Ron. However, the HBT has a problem that current is concentrated on one unit element due to a positive feedback action due to temperature and is destroyed by secondary breakdown. For this reason, the current density cannot actually be increased sufficiently. In order to solve this problem, generally, a countermeasure is always taken to insert an emitter ballast resistor or a base ballast resistor into each unit element of the HBT. However, when an emitter ballast resistor or a base ballast resistor is inserted, a new problem arises that the high-frequency characteristics are degraded accordingly.

本実施形態によれば、それらの問題を根本的に解決する温度補償型能動素子を提供できる。すなわち、HBT101と隣接してFET102を配置し、FET102のソースをHBT101のベースにそれぞれ接続した単位素子100を構成する。そして複数の単位素子100が櫛状に配置されるレイアウトにおいて、FET102のソース同士、HBT101のベース同士を接続せず、それ以外のドレイン同士、ゲート同士、エミッタ同士、コレクタ同士をそれぞれ並列に共通接続して能動素子200を構成する。これにより、二次降伏対策としてエミッタバラスト抵抗やベースバラスト抵抗など高周波特性を劣化させる方法を取らずに温度補償型システムが構成される。   According to the present embodiment, it is possible to provide a temperature compensated active element that fundamentally solves these problems. That is, the unit element 100 is configured in which the FET 102 is disposed adjacent to the HBT 101 and the source of the FET 102 is connected to the base of the HBT 101. In a layout in which a plurality of unit elements 100 are arranged in a comb shape, the sources of the FETs 102 and the bases of the HBT 101 are not connected, and the other drains, gates, emitters, and collectors are connected in parallel. Thus, the active element 200 is configured. As a result, a temperature compensated system is configured without taking a method of deteriorating high-frequency characteristics such as emitter ballast resistance and base ballast resistance as a countermeasure against secondary breakdown.

HBTにおいて何らかの設計上の不均一要因により、1つの単位素子が他の単位素子に対してベース−エミッタ間電圧VBEバイアスが少し大きく印加される場合がある。HBTのベース−エミッタ間電圧VBE−ベース電流の特性は温度に対して正の係数を持っているためその単位素子においてベース電流、コレクタ電流が多く流れ、温度が上がってよりさらにより多くのベース電流、コレクタ電流を流そうとするのが通常の二次降伏のプロセスである。しかし、本実施形態の単位素子100は二次降伏のプロセスが実際に開始されることはない。単位素子100のHBT101のベース電流を供給するのはFET102であるが、FET102はHBT101と異なり、温度に対して負の温度係数を持つ。また、HBT101とFET102が近接しているため発熱したHBT101の熱が隣接したFET102に伝わりFET102のソース電流が減少する。ソースとベースが接続しているためFET102のソース電流はHBT101のベース電流となり、HBT101の発熱によりFET102のソース電流が減少し、HBT101のベース電流が減少する。これによりHBT101のコレクタ電流が減少し、逆にHBT101が冷却する方向となる。つまり、結果として二次降伏の発生を防ぐことができる。 In some cases, the base-emitter voltage V BE bias is slightly applied to one unit element with respect to another unit element due to some design nonuniformity in the HBT. The characteristics of the base-emitter voltage V BE -base current of the HBT have a positive coefficient with respect to the temperature, so that a large amount of base current and collector current flow in the unit element, and the base temperature increases further as the temperature rises. The normal secondary breakdown process is to pass current and collector current. However, in the unit element 100 of the present embodiment, the secondary breakdown process is not actually started. The FET 102 supplies the base current of the HBT 101 of the unit element 100. Unlike the HBT 101, the FET 102 has a negative temperature coefficient with respect to the temperature. Further, since the HBT 101 and the FET 102 are close to each other, the heat generated by the HBT 101 is transmitted to the adjacent FET 102 and the source current of the FET 102 is reduced. Since the source and base are connected, the source current of the FET 102 becomes the base current of the HBT 101, and the source current of the FET 102 decreases due to the heat generation of the HBT 101, and the base current of the HBT 101 decreases. As a result, the collector current of the HBT 101 decreases, and conversely, the HBT 101 is cooled. That is, as a result, occurrence of secondary breakdown can be prevented.

このようなメカニズムを採用することにより、エミッタバラスト抵抗やベースバラスト抵抗など一切の高周波特性を劣化させる要因を付加することなく二次降伏の発生を防ぐことができるため、従来よりHBTの電流密度を大幅に上げることができる。その結果、第1および第2スイッチング素子SW1、SW2のオン抵抗Ronを非常に小さくすることができ、スイッチMMICのインサーションロスを非常に小さくできる。   By adopting such a mechanism, it is possible to prevent the occurrence of secondary breakdown without adding any factors that degrade the high-frequency characteristics such as emitter ballast resistance and base ballast resistance. Can be significantly increased. As a result, the on-resistance Ron of the first and second switching elements SW1 and SW2 can be made very small, and the insertion loss of the switch MMIC can be made very small.

図5は、本実施形態の温度補償型能動素子200を用いたパワーアンプ回路装置である。図5(A)が回路図であり、図5(B)は回路ブロック図である。   FIG. 5 shows a power amplifier circuit device using the temperature compensated active element 200 of this embodiment. FIG. 5A is a circuit diagram, and FIG. 5B is a circuit block diagram.

現在の市場でのHBTの主な用途は携帯電話のパワーアンプ(高出力増幅器)である。携帯電話のパワーアンプにおいては特に第3世代以降、限られた周波数帯域の中でいかに多くの通信回線を確保するかが技術的に最も大きな鍵となっており、CDMAなどの高密度な通信方式が採用されてきている。通信方式の高密度化に伴い、より線型性の高いパワーアンプ用デバイスが求められる。携帯電話のパワーアンプにはHEMTも使用されているが、第3世代以降はHEMTより電流密度が高く線型性の高いHBTの使用比率が高まってきている。HEMTはユニポーラデバイスであるのに比べHBTはバイポーラデバイスであるため圧倒的に電流密度を上げることができる。   The main application of HBT in the current market is a power amplifier (high power amplifier) of a mobile phone. In the power amplifier of a mobile phone, in particular, since the third generation, how many communication lines are secured in a limited frequency band is the technically biggest key, and a high-density communication method such as CDMA. Has been adopted. As communication systems become more dense, power amplifier devices with higher linearity are required. HEMTs are also used in power amplifiers for mobile phones, but the usage ratio of HBTs with higher current density and higher linearity than HEMTs has increased since the third generation. Since the HEMT is a unipolar device and the HBT is a bipolar device, the current density can be significantly increased.

本実施形態によれば、HBTの各単位素子にエミッタバラスト抵抗やベースバラスト抵抗を挿入することなく、二次降伏を回避した増幅器200を提供できる。   According to the present embodiment, it is possible to provide the amplifier 200 that avoids secondary breakdown without inserting an emitter ballast resistor or a base ballast resistor into each unit element of the HBT.

図5(A)の如く、単位素子100を並列に接続して増幅器200を構成する。増幅器200では各単位素子100を構成するFET102のゲートから入力信号が入り、HBT101のコレクタから出力信号が出る。FET102のドレインは高周波信号の漏れを防止する分離素子(インダクタ)30を介して電源端子VDDに接続する。電源端子VDDはFET102に電流を供給する。またエミッタはGNDに接続する。FET102はMESFET、J−FET、HEMTのいずれでも良い。例えば、J−FETであればゲート形成プロセスを変えるだけでMESFETと同様に形成できる。また、HEMTの場合は、HEMT用のエピタキシャル層を積層して形成する。本実施形態の単位素子100は、HBT101にFET102が接続した構成である。つまり増幅器としてのHBT101の前段に、増幅器102としてのFETが接続している。 As shown in FIG. 5A, an amplifier 200 is configured by connecting unit elements 100 in parallel. In the amplifier 200, an input signal is input from the gate of the FET 102 constituting each unit element 100, and an output signal is output from the collector of the HBT 101. The drain of the FET 102 is connected to the power supply terminal V DD via a separation element (inductor) 30 that prevents leakage of high-frequency signals. The power supply terminal V DD supplies current to the FET 102. The emitter is connected to GND. The FET 102 may be any of MESFET, J-FET, and HEMT. For example, a J-FET can be formed in the same manner as a MESFET by simply changing the gate formation process. In the case of HEMT, an HEMT epitaxial layer is laminated and formed. The unit element 100 of this embodiment has a configuration in which an FET 102 is connected to an HBT 101. That is, the FET as the amplifier 102 is connected to the front stage of the HBT 101 as the amplifier.

すなわち図5(B)の如く、単位素子100を並列に接続して増幅器200を構成すると、1段目の増幅器としてのFETの後段に、2段目の増幅器としてのHBTが接続した2段増幅器として機能する。   That is, as shown in FIG. 5B, when the amplifier 200 is configured by connecting the unit elements 100 in parallel, the two-stage amplifier in which the HBT as the second-stage amplifier is connected to the subsequent stage of the FET as the first-stage amplifier. Function as.

つまり、HBTの電流増幅率hFEにFETの相互コンダクタンスgmが加わることで、1つの増幅器200の増幅性能が相互コンダクタンスgmと電流増幅率hFEの積算値となる。すなわち1つの増幅器200のgmがFETのgmとHBTのhFEの積算値となる。HBTのみで構成した増幅器の増幅性能が電流増幅率hFEのみであることと比較すると、増幅器として大幅に利得が向上する。

図6から図8の断面図を参照し、増幅器200に採用するHBT101について説明する。HBT101のエピタキシャル層の構造は、基本的には図3(B)に示す構造であるが、以下に示す構造であってもよい。尚、断面図は図2のb−b線断面に相当するが、エピタキシャル層を説明するための概略であり、2層目以上の電極は省略している。
That is, the mutual conductance gm of the FET is applied to the current amplification factor h FE of the HBT, amplification performance of one amplifier 200 is the integrated value of the mutual conductance gm and the current amplification factor h FE. That gm of one amplifier 200 is the integrated value of h FE of gm and HBT of the FET. Compared with the amplification performance of an amplifier composed only of the HBT being only the current amplification factor hFE , the gain of the amplifier is greatly improved.

The HBT 101 employed in the amplifier 200 will be described with reference to cross-sectional views of FIGS. The structure of the epitaxial layer of HBT 101 is basically the structure shown in FIG. 3B, but may be the structure shown below. The cross-sectional view corresponds to the cross section taken along the line bb of FIG. 2, but is an outline for explaining the epitaxial layer, and the second and higher electrodes are omitted.

図6(A)は、エミッタコンタクト層をノンアロイオーミック層とする場合である。
エミッタコンタクト層6aのコンタクト抵抗を低減するために、エミッタコンタクト層6a上にノンアロイオーミック層31を設ける場合がある。ノンアロイオーミック層31はn+InGaAs層である。この場合、エミッタコンタクト層6aはnGaAs層とするが、他の半導体層は図3(B)と同様である。
FIG. 6A shows the case where the emitter contact layer is a non-alloy ohmic layer.
In order to reduce the contact resistance of the emitter contact layer 6a, a non-alloy ohmic layer 31 may be provided on the emitter contact layer 6a. The non-alloy ohmic layer 31 is an n + InGaAs layer. In this case, the emitter contact layer 6a is an nGaAs layer, but the other semiconductor layers are the same as in FIG.

図6(B)は、Grading層を入れる場合である。   FIG. 6B shows a case where a grading layer is inserted.

エミッタ層5aに、Al0.3Ga0.7As層を採用し、ベース層4aのGaAs層との間にヘテロ接合を形成する場合がある。このヘテロ接合は、伝導帯の底にバンドスパイクが存在しており、このバンドスパイクがオフセット電圧発生の原因の1つとなる。このバンドスパイクを無くすため、GaAsから徐々にAlGaAsに遷移するためのGrading層32を配置して、オフセット電圧を小さくする場合がある。 In some cases, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer is employed as the emitter layer 5a, and a heterojunction is formed between the base layer 4a and the GaAs layer. This heterojunction has a band spike at the bottom of the conduction band, and this band spike is one of the causes of the generation of the offset voltage. In order to eliminate this band spike, a grading layer 32 for gradually transitioning from GaAs to AlGaAs may be disposed to reduce the offset voltage.

Grading層32は、例えばn型のAlGa1−XAs(X=0→0.3)層であり、これによりベース−エミッタ間においてGaAsからAl0.3Ga0.7Asに徐々に変化する。他の半導体層の構造は図3(B)と同様である。 Grading layer 32 is, for example, a n-type Al X Ga 1-X As ( X = 0 → 0.3) layer, thereby the base - gradually from GaAs in the emitter to Al 0.3 Ga 0.7 As Change. The structure of other semiconductor layers is the same as that in FIG.

図7(A)は、バラスト抵抗層を入れる場合である。単位素子100を構成するFET102やHBT101の設計によっては二次降伏が十分防止できない場合がある。またHBT101に非常に大きな電流を流す場合も二次降伏の発生を完全に回避することは困難である。そのような場合にはHBTのエピ構造にバラスト抵抗層を入れることにより重ねて二次降伏対策を取ると良い。   FIG. 7A shows a case where a ballast resistance layer is inserted. Depending on the design of the FET 102 and the HBT 101 constituting the unit element 100, secondary breakdown may not be sufficiently prevented. Even when a very large current is passed through the HBT 101, it is difficult to completely avoid the occurrence of secondary breakdown. In such a case, it is advisable to take measures against secondary breakdown by adding a ballast resistance layer to the epi structure of the HBT.

すなわちエミッタ層5a側にバラスト抵抗層としてn−GaAs層33を配置する。所定の抵抗値を有するn−GaAs層33がバラスト抵抗層となるため、1つの単位素子に電流が集中することによる二次降伏の発生を防止できる。   That is, the n-GaAs layer 33 is disposed as a ballast resistance layer on the emitter layer 5a side. Since the n-GaAs layer 33 having a predetermined resistance value becomes a ballast resistance layer, it is possible to prevent the occurrence of secondary breakdown due to current concentration in one unit element.

バラスト抵抗層33はノンドープのGaAs層で形成しても良いし、エミッタ層5aがInGaP層の場合は、n−InGaP層やノンドープInGaP層でもよい。また、エミッタ層5aがAlGaAs層の場合は、バラスト抵抗層33はn−AlGaAs層やノンドープAlGaAs層で形成しても良い。他の半導体層は図3(B)と同様である。   The ballast resistor layer 33 may be formed of a non-doped GaAs layer, or may be an n-InGaP layer or a non-doped InGaP layer when the emitter layer 5a is an InGaP layer. When the emitter layer 5a is an AlGaAs layer, the ballast resistor layer 33 may be formed of an n-AlGaAs layer or a non-doped AlGaAs layer. Other semiconductor layers are similar to those in FIG.

図7(B)は、ヘテロ接合をエミッタ−ベース間のpn接合からずらす場合であり、エミッタ層5aはn型AlGaAs層とする。   FIG. 7B shows a case where the heterojunction is shifted from the pn junction between the emitter and the base, and the emitter layer 5a is an n-type AlGaAs layer.

一般的なHBTの構造においては、エミッタ層5aのn型AlGaAs層とベース層4aのp型GaAs層の間のエミッタ−ベース間pn接合が、ヘテロ接合に一致している。この接合において伝導帯の底にバンドスパイクが存在しており、このバンドスパイクがオフセット電圧発生の原因の1つとなる。バンドスパイクによるオフセット電圧の発生を防ぐため、ベース層4aのp型GaAs層とエミッタ層5aのn型AlGaAs層の間にn型GaAs層34を追加することにより、ヘテロ接合位置をベースーエミッタ間のpn接合位置からずらすとよい。この場合ヘテロ接合位置がエミッタ−ベース間のpn接合と一致していないためオフセット電圧を非常に小さくすることができる。   In a general HBT structure, the emitter-base pn junction between the n-type AlGaAs layer of the emitter layer 5a and the p-type GaAs layer of the base layer 4a coincides with the heterojunction. In this junction, a band spike exists at the bottom of the conduction band, and this band spike is one of the causes of the generation of the offset voltage. In order to prevent generation of an offset voltage due to a band spike, an n-type GaAs layer 34 is added between the p-type GaAs layer of the base layer 4a and the n-type AlGaAs layer of the emitter layer 5a, so that the heterojunction position is between the base and the emitter. It may be shifted from the pn junction position. In this case, since the heterojunction position does not coincide with the pn junction between the emitter and the base, the offset voltage can be made very small.

HBTの原理として、ベースのホールをエミッタ側に注入させないために、ベース層4aであるGaAs層よりバンドギャップの大きいAlGaAs層をエミッタ層5aとして配置する。   As the principle of HBT, in order not to inject holes in the base to the emitter side, an AlGaAs layer having a band gap larger than that of the GaAs layer as the base layer 4a is arranged as the emitter layer 5a.

この構造の場合、追加したnGaAs層34とその上に位置するエミッタ層のnAlGaAs層5aの接合がヘテロ接合となる。   In the case of this structure, the junction between the added nGaAs layer 34 and the nAlGaAs layer 5a which is the emitter layer located thereon is a heterojunction.

図8は選択エッチングによりレッジLが形成可能な構造を示す。図8(A)〜(C)はそれぞれ、ベース層4aとヘテロ接合を形成するエミッタ層5aをレッジLの高さの膜厚とし、その上層にエッチングの選択比の大きい半導体層を積層する。   FIG. 8 shows a structure in which the ledge L can be formed by selective etching. In each of FIGS. 8A to 8C, the emitter layer 5a that forms a heterojunction with the base layer 4a has a thickness of the ledge L, and a semiconductor layer having a large etching selectivity is stacked thereon.

例えば図8(A)ではエミッタ層(nInGaP層)5a上にnGaAs層35を追加し、GaAs/InGaPの選択エッチングによりレッジLを形成する。   For example, in FIG. 8A, an nGaAs layer 35 is added on the emitter layer (nInGaP layer) 5a, and a ledge L is formed by selective etching of GaAs / InGaP.

図8(B)では、エミッタ層(nInGaP層)5a上にnAlGaAs層36を追加し、AlGaAs/InGaPの選択エッチングによりレッジLを形成する。   In FIG. 8B, an nAlGaAs layer 36 is added on the emitter layer (nInGaP layer) 5a, and a ledge L is formed by selective etching of AlGaAs / InGaP.

図8(C)では、エミッタ層(nAlGaAs層)5a上にnInGaP層37を追加し、InGaP/AlGaAsの選択エッチによりレッジLを形成する。   In FIG. 8C, an nInGaP layer 37 is added on the emitter layer (nAlGaAs layer) 5a, and a ledge L is formed by selective etching of InGaP / AlGaAs.

次に、図9から図13を参照し、本実施形態の能動素子の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIG. 9 to FIG. 13, a method for manufacturing the active element of this embodiment will be described.

本実施形態の能動素子は、化合物半導体基板に少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層する工程と、前記半導体層に分離領域を形成して第1領域と第2領域を分離する工程と、前記第1領域に、コレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタを形成する工程と、前記第2領域に、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタを形成する工程と、前記ベース電極と前記ソース電極を接続する工程と、から構成される。   In the active element of this embodiment, a step of laminating a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction on a compound semiconductor substrate, and forming an isolation region in the semiconductor layer to separate the first region and the second region Forming a first transistor having a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode in the first region; and forming a second transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode in the second region. And a step of connecting the base electrode and the source electrode.

尚各図の左に図2のa−a線断面図を示し、右にb−b線断面図を示す。   In addition, the left of each figure shows the sectional view along the line aa in FIG. 2, and the right side shows the sectional view along the line bb.

第1工程(図9):化合物半導体基板に少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層する工程。   First step (FIG. 9): A step of laminating a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction on a compound semiconductor substrate.

GaAs基板1上に、3〜6E18cm−3の比較的高不純物濃度にシリコン(Si)ドープされたn+GaAs層2を形成する。膜厚は数千Åである。その上層に、シリコンドープによって1〜10E16cm−3程度の不純物濃度にドープされたn−GaAs層3を膜厚数千Åに形成する。更に上層に、カーボン(C)ドープによって1〜50E18cm−3程度の不純物濃度にドープされたp+GaAs層4を膜厚は数百〜2000Åに形成し、シリコンドープによって1〜10E17cm−3程度の不純物濃度にドープされたn型のInGaP層5を1000〜5000Åの膜厚に形成する。nInGaP層5は上層および下層のGaAs層と格子整合させ、nInGaP層5と下層のp+GaAs層4でへテロ接合を形成する。nInGaP層5の上層にはシリコンドープによって3〜6E18cm−3程度の不純物濃度にドープされたn+GaAs層6を数千Åの膜厚に形成する。 An n + GaAs layer 2 doped with silicon (Si) at a relatively high impurity concentration of 3 to 6E18 cm −3 is formed on the GaAs substrate 1. The film thickness is several thousand mm. An n-GaAs layer 3 doped with an impurity concentration of about 1 to 10E16 cm −3 by silicon doping is formed on the upper layer to a thickness of several thousand Å. Further, a p + GaAs layer 4 doped to an impurity concentration of about 1 to 50E18 cm −3 by carbon (C) doping is formed on the upper layer to have a film thickness of several hundred to 2000 μm, and an impurity concentration of about 1 to 10E17 cm −3 by silicon doping. An n-type InGaP layer 5 doped with is formed to a thickness of 1000 to 5000 mm. The nInGaP layer 5 is lattice-matched with the upper and lower GaAs layers, and the nInGaP layer 5 and the lower p + GaAs layer 4 form a heterojunction. On top of the nInGaP layer 5, an n + GaAs layer 6 doped to an impurity concentration of about 3 to 6E18 cm −3 by silicon doping is formed to a thickness of several thousand Å.

第2工程(図10):半導体層に分離領域を形成して第1領域と第2領域を分離する工程。   Second step (FIG. 10): A step of forming a separation region in the semiconductor layer to separate the first region and the second region.

基板全面に、スルーイオン注入用窒化膜51をデポジションする。レジスト(不図示)を設けてフォトリソグラフィプロセスによりアライメントマークのパターンを有するマスクを形成する。このマスクにより窒化膜51およびn+GaAs層6の一部をエッチングしてアライメントマーク(不図示)を形成する。   A through ion implantation nitride film 51 is deposited on the entire surface of the substrate. A resist (not shown) is provided, and a mask having an alignment mark pattern is formed by a photolithography process. The nitride film 51 and part of the n + GaAs layer 6 are etched using this mask to form alignment marks (not shown).

レジスト除去後新たなレジスト(不図示)を設けてフォトリソグラフィプロセスにより分離領域20を形成するためのマスクを形成する。窒化膜51上からボロン(B+)をイオン注入し、レジストを除去した後、500℃、30秒程度のアニールを行う。これにより、基板1に達し、分離領域となる絶縁化領域20が形成される。   After removing the resist, a new resist (not shown) is provided, and a mask for forming the isolation region 20 is formed by a photolithography process. Boron (B +) is ion-implanted from above the nitride film 51 and the resist is removed, followed by annealing at 500 ° C. for about 30 seconds. As a result, an insulating region 20 that reaches the substrate 1 and serves as an isolation region is formed.

絶縁化領域20は、電気的に完全な絶縁ではなく、不純物(B+)をイオン注入することによりエピタキシャル層にキャリアトラップを設け、絶縁化した領域である。各半導体層は、絶縁化領域20により第1領域21および第2領域22に分離される。第1領域21は後の工程によりHBTが形成される領域であり、第2領域22は後の工程によりMESFETが形成される領域である。本実施形態では絶縁化領域20以外の領域は不純物領域23となる。図示は省略するが例えばスイッチ回路装置の抵抗等、能動素子として必要な不純物領域も絶縁化領域20で分離される。   The insulating region 20 is not electrically completely insulated, but is a region where carrier traps are provided in the epitaxial layer by ion implantation of impurities (B +). Each semiconductor layer is separated into a first region 21 and a second region 22 by an insulating region 20. The first region 21 is a region where an HBT is formed in a later step, and the second region 22 is a region where a MESFET is formed in a later step. In this embodiment, the region other than the insulating region 20 becomes the impurity region 23. Although not shown, impurity regions necessary as active elements such as resistors of the switch circuit device are also separated by the insulating region 20.

図2の平面図においては、二点鎖線で囲まれた領域、すなわちHBTの各電極が配置される下方およびFETの動作領域、ゲート配線120の下方を不純物領域23とするため、これらを除いて絶縁化領域20を形成される。   In the plan view of FIG. 2, the region surrounded by the alternate long and two short dashes line, that is, the lower region where each electrode of the HBT is arranged, the FET operation region, and the lower portion of the gate wiring 120 is the impurity region 23. An insulating region 20 is formed.

絶縁化領域20によって、第1領域21の各半導体層は上層から、エミッタコンタクト層6a、エミッタ層5a、ベース層4a、コレクタ層3、サブコレクタ層2となる。一方第2領域22の各半導体層は、上層からコンタクト層6b、チャネル層5b、p型バッファ層4bとなる。p型バッファ層4bは、p+GaAs層であり、チャネルを流れるキャリアの基板側へのリークを防止する層として利用できる。FETにおいてはn−GaAs層3およびn+GaAs層2は特に動作に影響しない層である。つまり、第1領域21に形成されるHBTの特性が最適になるように設計すればよい。   Due to the insulating region 20, each semiconductor layer in the first region 21 becomes an emitter contact layer 6 a, an emitter layer 5 a, a base layer 4 a, a collector layer 3, and a subcollector layer 2 from the upper layer. On the other hand, each semiconductor layer in the second region 22 becomes the contact layer 6b, the channel layer 5b, and the p-type buffer layer 4b from the upper layer. The p-type buffer layer 4b is a p + GaAs layer and can be used as a layer for preventing leakage of carriers flowing through the channel to the substrate side. In the FET, the n-GaAs layer 3 and the n + GaAs layer 2 are layers that do not particularly affect the operation. That is, what is necessary is just to design so that the characteristic of HBT formed in the 1st area | region 21 may become the optimal.

第3工程(図11):第1領域にコレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタを形成する工程。   Third step (FIG. 11): A step of forming a first transistor having a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode in the first region.

窒化膜51を除去し、HBTのエミッタ層を形成するためのフォトエッチングプロセスを行う。まず、n+GaAs層6をメサエッチングし、引き続きnInGaP層5の途中までをメサエッチングする。その後新たなフォトエッチングプロセスにより残りのnInGaP層5をメサエッチングし、レジストを除去する。これにより、右図の如くエミッタコンタクト層6aとエミッタ層5aがメサ状に形成され(エミッタメサEM)、エミッタ層5aの下方にレッジ(棚)Lが形成される。   The nitride film 51 is removed, and a photoetching process for forming an emitter layer of HBT is performed. First, the n + GaAs layer 6 is mesa-etched, and then the nInGaP layer 5 is partially mesa-etched. Thereafter, the remaining nInGaP layer 5 is mesa-etched by a new photoetching process to remove the resist. As a result, the emitter contact layer 6a and the emitter layer 5a are formed in a mesa shape (emitter mesa EM), and a ledge (shelf) L is formed below the emitter layer 5a.

次に、ベース層を形成するためのフォトエッチングプロセスを行う。p+GaAs層4とn−GaAs層3とをメサエッチングし、レジストを除去する。   Next, a photoetching process for forming the base layer is performed. The p + GaAs layer 4 and the n−GaAs layer 3 are mesa-etched to remove the resist.

これにより、ベース層4aおよびコレクタ層3がメサ状に形成される(ベースメサBM)。最上層にエミッタコンタクト層6aが露出し、エミッタ層5aの外側にはベース層4aが露出する。ベース層4aの外側にはサブコレクタ層2が露出する。   Thereby, the base layer 4a and the collector layer 3 are formed in a mesa shape (base mesa BM). The emitter contact layer 6a is exposed at the uppermost layer, and the base layer 4a is exposed outside the emitter layer 5a. The subcollector layer 2 is exposed outside the base layer 4a.

また、エミッタ層5aのメサエッチングにより、左図の如くエミッタコンタクト層6aおよびエミッタ層5aと空間により分離されたFETのコンタクト層6bおよびチャネル層5bが形成される。尚p+GaAs層4以下の層は絶縁化領域20により分離される(図11(A))。   Further, by mesa etching of the emitter layer 5a, the FET contact layer 6b and the channel contact layer 5b separated from the emitter contact layer 6a and the emitter layer 5a by a space are formed as shown in the left figure. The layers below the p + GaAs layer 4 are separated by the insulating region 20 (FIG. 11A).

次に、1層目の電極を形成する。まずHBTのエミッタ電極、コレクタ電極およびFETのソース電極、ドレイン電極を形成するためのフォトリソグラフィープロセスを行う。オーミック金属層(AuGe/Ni/Au)を蒸着後、リフトオフおよびアロイを行い、HBTのエミッタ電極9、コレクタ電極7、FETのドレイン電極10およびソース電極11を形成する。1層目のエミッタ電極9とコレクタ電極7は櫛状に形成され、ドレイン電極10およびソース電極11は島状に形成される(図2参照)。   Next, a first layer electrode is formed. First, a photolithography process for forming an emitter electrode, a collector electrode of the HBT, and a source electrode and a drain electrode of the FET is performed. After vapor deposition of the ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au), lift-off and alloy are performed to form the emitter electrode 9 of the HBT, the collector electrode 7, the drain electrode 10 and the source electrode 11 of the FET. The first-layer emitter electrode 9 and collector electrode 7 are formed in a comb shape, and the drain electrode 10 and the source electrode 11 are formed in an island shape (see FIG. 2).

その後、ベース電極を形成するためのフォトリソグラフィープロセスを行う。オーミック金属層(Pt/Ti/Pt/Au)を蒸着後、リフトオフおよびアロイを行い、HBTのベース電極8を形成する。ベース電極8はエミッタ電極9を囲み図2のハッチングで示すパターンに形成される。   Thereafter, a photolithography process for forming the base electrode is performed. After depositing the ohmic metal layer (Pt / Ti / Pt / Au), lift-off and alloying are performed to form the base electrode 8 of the HBT. The base electrode 8 surrounds the emitter electrode 9 and is formed in a pattern indicated by hatching in FIG.

これにより、第1領域21に、HBT101の基本構造が形成される(図11(B))。   Thus, the basic structure of the HBT 101 is formed in the first region 21 (FIG. 11B).

第4工程(図12):第2領域にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタを形成する工程。   Fourth step (FIG. 12): A step of forming a second transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode in the second region.

全面に再び窒化膜51をデポジションする。フォトリソグラフィープロセスを行い窒化膜51をエッチングする。これにより第2領域22においてFETのゲートのリセスエッチングのマスクを形成する。   The nitride film 51 is again deposited on the entire surface. The nitride film 51 is etched by performing a photolithography process. Thus, a mask for recess etching of the gate of the FET is formed in the second region 22.

次に、ゲートのリセスエッチングを行う。すなわち、リセスエッチングのマスクから露出したコンタクト層6b(n+GaAs層)をエッチングにより除去する。このときマスクの開口幅より大きくコンタクト層6bをサイドエッチングし、所定の耐圧を確保する。   Next, recess etching of the gate is performed. That is, the contact layer 6b (n + GaAs layer) exposed from the recess etching mask is removed by etching. At this time, the contact layer 6b is side-etched larger than the opening width of the mask to ensure a predetermined breakdown voltage.

コンタクト層6bはFETのソース領域となるコンタクト層6bsおよびドレイン領域となるコンタクト層6bdに分離される。さらにマスクの張り出し部をプラズマエッチングにより除去し、ゲート金属層(Pt/Mo)を蒸着する。その後リフトオフおよび熱処理を行い、Ptの一部をチャネル層5b表面に埋め込み、ゲート電極12を形成する。   The contact layer 6b is separated into a contact layer 6bs serving as a source region of the FET and a contact layer 6bd serving as a drain region. Further, the protruding portion of the mask is removed by plasma etching, and a gate metal layer (Pt / Mo) is deposited. Thereafter, lift-off and heat treatment are performed, and a part of Pt is embedded in the surface of the channel layer 5b to form the gate electrode 12.

これにより、第2領域22にFET102の基本構造が形成される。   As a result, the basic structure of the FET 102 is formed in the second region 22.

更に、パッシベーション膜となる窒化膜51を全面にデポジションする。2層目の電極および配線とのコンタクトホールを形成するための、フォトリソグラフィープロセスを行う。窒化膜51をエッチングしてコンタクトホールCHを形成し、レジストを除去する。   Further, a nitride film 51 serving as a passivation film is deposited on the entire surface. A photolithography process is performed to form contact holes with the second-layer electrode and wiring. The nitride film 51 is etched to form a contact hole CH, and the resist is removed.

第5工程(図13):ベース電極とソース電極を接続する工程。   Fifth step (FIG. 13): A step of connecting the base electrode and the source electrode.

新たなフォトリソグラフィープロセスを行い、全面に、2層目の電極および配線となる配線金属層(Ti/Pt/Au)を蒸着する。配線金属層をリフトオフし、2層目の電極および配線を形成する。すなわち、第1領域21においては1層目のコレクタ電極7、エミッタ電極9とそれぞれコンタクトする2層目のコレクタ電極13、エミッタ電極15を形成する。また、第2領域22においては、1層目のドレイン電極10とコンタクトする2層目のドレイン電極16を形成する。   A new photolithography process is performed to deposit a second-layer electrode and a wiring metal layer (Ti / Pt / Au) to be a wiring on the entire surface. The wiring metal layer is lifted off, and the second-layer electrode and wiring are formed. That is, in the first region 21, the second-layer collector electrode 13 and emitter electrode 15 that are in contact with the first-layer collector electrode 7 and emitter electrode 9, respectively, are formed. In the second region 22, a second drain electrode 16 is formed in contact with the first drain electrode 10.

そして、FET102のソース電極11とHBT101のベース電極8を接続する接続配線17を形成する。接続配線17は、ソース電極11上からFET102のメサに沿って絶縁化領域20上を通過し、ベース電極8上まで延在する。これにより、分離領域(絶縁化領域)20を介してHBT101とFET102が隣接し、HBT101のベース電極8とFET102のソース電極10が接続した単位素子100が形成される(図13(A))。   Then, a connection wiring 17 that connects the source electrode 11 of the FET 102 and the base electrode 8 of the HBT 101 is formed. The connection wiring 17 passes on the insulating region 20 along the mesa of the FET 102 from above the source electrode 11 and extends to the base electrode 8. Thus, the unit element 100 in which the HBT 101 and the FET 102 are adjacent to each other through the isolation region (insulating region) 20 and the base electrode 8 of the HBT 101 and the source electrode 10 of the FET 102 are connected is formed (FIG. 13A).

接続配線17は、平面パターンにおいてエミッタ電極9、15およびコレクタ電極7、13より絶縁化領域20方向に突出したベース電極8とコンタクトする。また2層目のコレクタ電極13は、複数の単位素子100のコレクタ電極7を配線するコレクタ配線130と連続する。(図2参照)。   The connection wiring 17 is in contact with the base electrode 8 protruding in the direction of the insulating region 20 from the emitter electrodes 9 and 15 and the collector electrodes 7 and 13 in the planar pattern. Further, the collector electrode 13 in the second layer is continuous with the collector wiring 130 for wiring the collector electrodes 7 of the plurality of unit elements 100. (See FIG. 2).

その後、全面にポリイミド60を塗布する。フォトリソグラフィープロセスを行い、2層目のエミッタ電極15および2層目のドレイン電極16上のポリイミド60をエッチングする。その後レジストを除去しポリイミド60をキュアする。   Thereafter, polyimide 60 is applied to the entire surface. A photolithography process is performed to etch the polyimide 60 on the second-layer emitter electrode 15 and the second-layer drain electrode 16. Thereafter, the resist is removed and the polyimide 60 is cured.

次に、全面に下地金属層(Ti/Pt/Au)70を蒸着する。フォトリソグラフィープロセスを行い、エミッタ配線およびドレイン配線のパターンを露出して金メッキを施す。レジストを除去した後、不要な下地金属層70をイオンミリングにより除去する。これにより各HBT101のエミッタ電極15、9を配線するエミッタ配線150および、各FET102のドレイン電極16、10を配線するドレイン配線160を形成する。   Next, a base metal layer (Ti / Pt / Au) 70 is deposited on the entire surface. A photolithography process is performed to expose the pattern of the emitter wiring and the drain wiring and to perform gold plating. After removing the resist, unnecessary base metal layer 70 is removed by ion milling. Thereby, an emitter wiring 150 for wiring the emitter electrodes 15 and 9 of each HBT 101 and a drain wiring 160 for wiring the drain electrodes 16 and 10 of each FET 102 are formed.

尚、第2工程の分離領域20形成工程は、1層目のオーミック金属層の形成前であれば、どの段階で行っても良い。

The separation region 20 forming step of the second step may be performed at any stage as long as it is before the formation of the first ohmic metal layer.

本発明を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating this invention. 本発明を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating this invention. 本発明を説明するための(A)断面図、(B)断面図、(C)斜視図、(D)斜視図である。It is (A) sectional drawing for demonstrating this invention, (B) sectional drawing, (C) perspective view, (D) perspective view. 本発明を説明するための(A)回路図、(B)断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (A) Circuit diagram for demonstrating this invention, (B) It is sectional drawing. 本発明を説明するための(A)回路図、(B)回路ブロック図である。1A is a circuit diagram and FIG. 1B is a circuit block diagram for explaining the present invention. 本発明を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating this invention. 本発明を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating this invention. 本発明を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating this invention. 本発明の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of this invention. 従来技術を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaAs基板
2 サブコレクタ層
3 コレクタ層
4a ベース層
5a エミッタ層
6a エミッタコンタクト層
7、13 コレクタ電極
8 ベース電極
9、15 エミッタ電極
4b p型バッファ層
5b チャネル層
6bs、6bd コンタクト層
10、16 ドレイン電極
11 ソース電極
12 ゲート電極
17 接続配線
20 分離領域
21 第1領域
22 第2領域
23 不純物領域
30 分離素子
31 ノンアロイオーミック層
32 Grading層
33 バラスト抵抗層
34 n型GaAs層
51 窒化膜
60 ポリイミド
70 下地金属層
100 単位素子
101 HBT
102 MESFET
120 ゲート配線
130 コレクタ配線
150 エミッタ配線
160 ドレイン配線
200 能動素子
L レッジ
CH コンタクトホール
SW1 第1スイッチング素子
SW2 第2スイッチング素子
IN 共通入力端子
OUT1 第1出力端子
OUT2 第2出力端子
Ctl1 第1制御端子
Ctl2 第2制御端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaAs substrate 2 Subcollector layer 3 Collector layer 4a Base layer 5a Emitter layer 6a Emitter contact layer 7, 13 Collector electrode 8 Base electrode 9, 15 Emitter electrode 4b P-type buffer layer 5b Channel layer 6bs, 6bd Contact layer 10, 16 Drain Electrode 11 Source electrode 12 Gate electrode 17 Connection wiring 20 Separating region 21 First region 22 Second region 23 Impurity region 30 Separating element 31 Non-alloy ohmic layer 32 Grading layer 33 Ballast resistor layer 34 n-type GaAs layer 51 Nitride film 60 Polyimide 70 Base metal layer 100 Unit element 101 HBT
102 MESFET
120 Gate wiring 130 Collector wiring 150 Emitter wiring 160 Drain wiring 200 Active element L Ledge CH Contact hole SW1 First switching element SW2 Second switching element IN Common input terminal OUT1 First output terminal OUT2 Second output terminal Ctl1 First control terminal Ctl2 Second control terminal

Claims (11)

少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層した化合物半導体基板と、
前記基板に設けられ、前記半導体層をコレクタ層、ベース層、エミッタ層とし、コレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタと、
前記基板に設けられ、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとを分離領域を介して隣接して配置し、前記第1トランジスタの前記ベース電極と前記第2トランジスタの前記ソース電極を接続した単位素子と、を具備し、
複数の前記単位素子を並列に接続し、前記各単位素子の前記第2トランジスタのドレイン電極を電源端子に接続し、前記第2トランジスタの前記ゲート電極に入力される電圧信号により前記各単位素子の前記第1トランジスタのコレクタ−エミッタ間の電流を変化させることを特徴とする能動素子。
A compound semiconductor substrate in which a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction are stacked;
A first transistor provided on the substrate and having the semiconductor layer as a collector layer, a base layer, and an emitter layer, and having a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode;
A second transistor provided on the substrate and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode;
A unit element in which the first transistor and the second transistor are arranged adjacent to each other via an isolation region, and the base electrode of the first transistor and the source electrode of the second transistor are connected;
A plurality of the unit elements are connected in parallel, a drain electrode of the second transistor of each unit element is connected to a power supply terminal, and a voltage signal input to the gate electrode of the second transistor is used for each unit element. An active device characterized in that a current between a collector and an emitter of the first transistor is changed.
1つの前記単位素子は、前記第2トランジスタの前記ドレイン電極、前記ゲート電極、および前記第1トランジスタの前記エミッタ電極、前記コレクタ電極を、他の前記単位素子の対応する前記各電極とそれぞれ並列に共通接続することを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   One unit element includes the drain electrode, the gate electrode, and the emitter electrode and the collector electrode of the second transistor in parallel with the corresponding electrodes of the other unit elements, respectively. The active device according to claim 1, wherein the active devices are connected in common. 前記第2トランジスタのチャネル層は、前記エミッタ層と同一の半導体層に設けることを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The active element according to claim 1, wherein the channel layer of the second transistor is provided in the same semiconductor layer as the emitter layer. 前記ベース層および前記コレクタ層となる前記半導体層は、前記第2トランジスタに連続することを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The active element according to claim 1, wherein the semiconductor layer serving as the base layer and the collector layer is continuous with the second transistor. 前記第1トランジスタの前記各電極は櫛状に設けられて第1の方向に延在し、前記第2トランジスタの前記ゲート電極は第2の方向に延在することを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The said each electrode of the said 1st transistor is provided in the comb shape, and it extends in a 1st direction, The said gate electrode of the said 2nd transistor is extended in a 2nd direction, The 1st aspect is characterized by the above-mentioned. The active device as described. 前記ベース層はp+GaAs層であることを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The active device according to claim 1, wherein the base layer is a p + GaAs layer. 前記エミッタ層はInGaP層またはAlGaAs層であることを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The active device according to claim 1, wherein the emitter layer is an InGaP layer or an AlGaAs layer. 前記第1トランジスタのコレクタ電流が負の温度係数を有することを特徴とする請求項1に記載の能動素子。   The active device according to claim 1, wherein the collector current of the first transistor has a negative temperature coefficient. 化合物半導体基板に少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層する工程と、
前記半導体層に分離領域を形成して第1領域と第2領域を分離する工程と、
前記第1領域にコレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタを形成する工程と、
前記第2領域に、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタを形成する工程と、
前記ベース電極と前記ソース電極を接続する工程とを具備することを特徴とする能動素子の製造方法。
Laminating a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction on a compound semiconductor substrate;
Forming a separation region in the semiconductor layer to separate the first region and the second region;
Forming a first transistor having a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode in the first region;
Forming a second transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode in the second region;
And a step of connecting the base electrode and the source electrode.
化合物半導体基板に少なくとも1つのヘテロ接合を形成する複数の半導体層を積層する工程と、
前記半導体層に分離領域を形成して第1領域と第2領域を分離する工程と、
前記第1領域に、前記半導体層をコレクタ層、ベース層、エミッタ層とし前記各半導体層にそれぞれ接続するコレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する第1トランジスタを形成する工程と、
前記第2領域に、前記エミッタ層と同層の前記半導体層をチャネル層とし、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する第2トランジスタを形成する工程と、
前記ベース電極と前記ソース電極を接続する工程とを具備することを特徴とする能動素子の製造方法。
Laminating a plurality of semiconductor layers forming at least one heterojunction on a compound semiconductor substrate;
Forming a separation region in the semiconductor layer to separate the first region and the second region;
Forming, in the first region, a first transistor having a collector electrode, a base layer, and an emitter electrode, and a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode connected to each of the semiconductor layers;
Forming, in the second region, a second transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode using the semiconductor layer that is the same layer as the emitter layer as a channel layer;
And a step of connecting the base electrode and the source electrode.
前記分離領域は、前記基板に達する深さに不純物をイオン注入し電気的に絶縁することにより前記分離領域を形成することを特徴とする請求項9または請求項10に記載の能動素子の製造方法。



11. The method of manufacturing an active element according to claim 9, wherein the isolation region is formed by ion-implanting impurities to a depth reaching the substrate to electrically insulate the isolation region. .



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