JP2007027269A - Bipolar transistor and power amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイポーラトランジスタ及び電力増幅器に関し、より特定的には、携帯電話等の高周波帯を利用した無線携帯端末の信号送信部に用いられる電力増幅用半導体集積回路に、能動素子として形成されるバイポーラトランジスタ、及びそのバイポーラトランジスタを用いた電力増幅器に関する。 The present invention relates to a bipolar transistor and a power amplifier, and more specifically, formed as an active element in a power amplification semiconductor integrated circuit used in a signal transmission unit of a wireless portable terminal using a high frequency band such as a cellular phone. The present invention relates to a bipolar transistor and a power amplifier using the bipolar transistor.
近年、携帯電話等の無線携帯端末の信号送信部には、高周波動作が可能かつ正電源動作が可能な化合物半導体であるバイポーラトラジスタを能動素子として利用した電力増幅用半導体集積回路が、よく用いられている。特に、ベース層がp型GaAs層であり、かつそのベース層とヘテロ接合されたエミッタ層がバンドギャップの広いAlGaAs又はInGaPからなる層である、ヘテロ接合バイポーラトラジスタ(以下、HBTと略す)がよく用いられる。バイポーラポランジスタの中でもこのHBTが用いられる理由は、ベース層のホールがエミッタ層に逆流してエミッタの電子キャリアと再結合することを防止し、エミッタからベースへの電子キャリアの注入を高効率化し、その結果としてトランジスタを高効率動作させることができるためである。 In recent years, a power amplifying semiconductor integrated circuit using a bipolar transistor, which is a compound semiconductor capable of high-frequency operation and positive power supply operation, as an active element is often used for a signal transmission unit of a wireless portable terminal such as a cellular phone. It has been. In particular, a heterojunction bipolar transistor (hereinafter abbreviated as HBT) in which the base layer is a p-type GaAs layer and the emitter layer heterojunctioned with the base layer is a layer made of AlGaAs or InGaP having a wide band gap. Often used. The reason why this HBT is used in a bipolar transistor is to prevent the holes in the base layer from flowing back into the emitter layer and recombining with the electron carriers in the emitter, thereby increasing the efficiency of injection of electron carriers from the emitter to the base. As a result, the transistor can be operated with high efficiency.
このHBTは、一般的にストリップライン状のエミッタフィンガーが1本又は複数本並んだマルチフィンガー構造をしている(特許文献1及び特許文献2を参照)。図9A及び図9Bは、エミッタフィンガーが1本であるHBTの構造例を示した平面図及び断面図である。図9A及び図9Bに示す従来のHBTは、1本のエミッタフィンガー(エミッタ層94及びエミッタ電極91)と、このエミッタフィンガーの両端に設けられた2本のベースフィンガー(ベース電極92)とを、2本のコレクタフィンガー(コレクタ電極93)で挟んだ構造である。通常、HBTの出力電力は、エミッタの面積で決まる。このため、エミッタフィンガーが1本であるHBTで高出力電力を実現させるためには、エミッタフィンガー長Lを長くする必要があるが、これは半導体のチップ面積を無駄に占有してしまう原因となる。
The HBT generally has a multi-finger structure in which one or a plurality of stripline emitter fingers are arranged (see Patent Document 1 and Patent Document 2). 9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view showing a structural example of an HBT having one emitter finger. 9A and 9B, the conventional HBT includes one emitter finger (
そこで、エミッタフィンガー長Lを長くせずHBTを高出力電力にさせるために、エミッタフィンガーを複数本設ける構造が採られる。図10A及び図10Bは、エミッタフィンガーが4本であるHBTの構造例を示した平面図及び断面図である。図10A及び図10Bに示す従来のHBTは、4本のエミッタフィンガーと、このエミッタフィンガーの両端に設けられた5本のベースフィンガーとを、2本のコレクタフィンガーで挟んだ構造である。このように、図10Aに示すHBTは、複数本のエミッタフィンガーでエミッタ面積を稼げるため、HBTで高出力電力を実現させる場合、図9Aに示したHBTよりもエミッタフィンガー長Lを短くすることができる。 Therefore, in order to make the HBT high output power without increasing the emitter finger length L, a structure in which a plurality of emitter fingers are provided is adopted. 10A and 10B are a plan view and a cross-sectional view showing an example of the structure of an HBT having four emitter fingers. The conventional HBT shown in FIGS. 10A and 10B has a structure in which four emitter fingers and five base fingers provided at both ends of the emitter fingers are sandwiched between two collector fingers. As described above, since the HBT shown in FIG. 10A can increase the emitter area with a plurality of emitter fingers, when realizing high output power with the HBT, the emitter finger length L can be made shorter than the HBT shown in FIG. 9A. it can.
また、この高周波特性の優れたマルチフィンガー構造のHBTを1ユニットセルとして、複数のHBTセルを並列接続して出力を合成した多セル構造が、電力増幅用HBTの構造によく用いられる。この多セル構造による電力増幅用HBTの構造例を、図11A及び図11Bに示す。図11Aは、1本のエミッタフィンガーを有するHBTセルを多セル構造にした例である。図11Bは、4本のエミッタフィンガーを有するHBTセルを多セル構造にした例である。図11A及び図11Bでは、各HBTセルのコレクタ出力は共通のコレクタ配線100でまとめて接続され、また各HBTセルのエミッタは共通のエミッタ配線110でまとめて接続されている。さらに、エミッタ配線110にはビアホール120が設けられて、接地されている。
In addition, a multi-cell structure in which a multi-finger structure HBT having excellent high-frequency characteristics is used as one unit cell and a plurality of HBT cells are connected in parallel to synthesize outputs is often used for the structure of the power amplification HBT. An example of the structure of the power amplification HBT having this multi-cell structure is shown in FIGS. 11A and 11B. FIG. 11A is an example in which an HBT cell having one emitter finger has a multi-cell structure. FIG. 11B shows an example in which an HBT cell having four emitter fingers has a multi-cell structure. 11A and 11B, the collector outputs of the respective HBT cells are connected together by a
しかし、このような多セル構造の場合、次の点を注意する必要がある。電力増幅用HBTでは、電流密度が高くなるため各HBTセルが発熱する。ところが、各HBTセルの発熱は均一に生じず、HBTセル間での発熱の不均一性が起因となってHBTセルの動作不良が起こる。より詳しく説明すると、温度上昇の高い周辺より温度の高いHBTセルが、正帰還によってさらに発熱するという熱暴走が生じ、最終的に破壊に至るのである。また、各HBTセルの発熱がHBTセル間で不均一であると、HBTのエミッタが全て有効に機能せず、高周波特性が劣化するという問題も生じる。 However, in the case of such a multi-cell structure, it is necessary to pay attention to the following points. In the power amplification HBT, each HBT cell generates heat because the current density is high. However, the heat generation of each HBT cell does not occur uniformly, and the operation failure of the HBT cell occurs due to the non-uniformity of heat generation between the HBT cells. More specifically, a thermal runaway occurs in which the HBT cell having a higher temperature than that of the surrounding where the temperature rises further generates heat due to the positive feedback, which eventually leads to destruction. In addition, if the heat generation of each HBT cell is non-uniform between the HBT cells, all the emitters of the HBT do not function effectively, resulting in a problem that the high frequency characteristics deteriorate.
このため、HBTセル間での発熱不均一性への対策として、図11A及び図11Bに明示しているように、各HBTセルにDCバイアスを供給するためのDCバイアス供給線150と各HBTセルのベース配線140との間に、外部ベース抵抗130をそれぞれ挿入する手法が採られる。外部ベース抵抗130を挿入することによって、HBTのベース電流の増加を抑制させることができ、温度が上昇しても熱暴走を回避させることができる。この外部ベース抵抗130は、HBTセルの動作を安定させるためのものであり、一般的にはベースバラスト抵抗と呼ばれる。なお、各HBTセルのエミッタにバラスト抵抗を入れても、コレクタ電流の増加を抑制して熱暴走を回避させることができる。しかし、バラスト抵抗が取り得る値の範囲の狭さが原因で、最近ではコレクタバラスト抵抗よりもベースバラスト抵抗の方が多く利用されている。
上述したように、ベースバラスト抵抗を用いた従来の電力増幅用HBTでは、HBTセル間での発熱不均一性については対策されているが、各HBTセル内での発熱不均一性は考慮されていない。このHBTセル内での発熱不均一性とは、エミッタフィンガー間の発熱不均一性を意味し、以下の原因で生じる。 As described above, in the conventional power amplification HBT using the base ballast resistor, heat non-uniformity between the HBT cells is taken into consideration, but heat non-uniformity within each HBT cell is taken into consideration. Absent. The non-uniformity of heat generation in the HBT cell means non-uniformity of heat generation between the emitter fingers and occurs due to the following reasons.
図10Aに示したエミッタフィンガーが4本のHBTセルにおいて、全てのエミッタフィンガーが同程度に発熱した場合、中心2本のエミッタフィンガーは、外側2本のエミッタフィンガーから熱の影響を受けるため、より高い温度になる。すなわち、中心2本のエミッタフィンガーの発熱分布領域が、外側2本のエミッタフィンガーの発熱分布領域と重なるため、中心2本のエミッタフィンガーの温度が高くなる(図12を参照)。なお、この問題の対策としては、エミッタフィンガーの間隔を十分広くとって発熱分布領域を完全に分離させることが考えられるが、HBTセル面積が大きくなり、チップ面積の増大及び高周波特性の劣化等の新たな課題が発生するため、実用的ではない。 In an HBT cell having four emitter fingers as shown in FIG. 10A, if all the emitter fingers generate heat to the same extent, the two emitter fingers in the center are affected by heat from the two outer emitter fingers. High temperature. That is, since the heat generation distribution area of the two central emitter fingers overlaps the heat generation distribution area of the two outer emitter fingers, the temperature of the two central emitter fingers increases (see FIG. 12). As a countermeasure for this problem, it is conceivable that the heat generation distribution region is completely separated by sufficiently widening the interval between the emitter fingers. Because new issues arise, it is not practical.
また、図10Aに示したHBTセルは、4本のエミッタフィンガーの両端に5本のベースフィンガーがあるので、その各ベースフィンガーのベース電極とベース層との接触抵抗において、フィンガー間で不均一性が生じ易い。このため、ベース電流の注入量に不均一が生じ、結果としてエミッタフィンガー間での不均一性につながるという問題もある。 Further, since the HBT cell shown in FIG. 10A has five base fingers at both ends of the four emitter fingers, the contact resistance between the base electrode and the base layer of each base finger is not uniform between the fingers. Is likely to occur. For this reason, there is a problem that nonuniformity occurs in the injection amount of the base current, resulting in nonuniformity between the emitter fingers.
この問題は、図9Aに示した1本のエミッタフィンガー及び2本のベースフィンガーであるHBTセルについても、同様に存在する。すなわち、2本のベースフィンガーのベース電極とベース層との接触抵抗において、フィンガー間で不均一性が生じ易い。特に、このHBTセルは、エミッタフィンガーに合わせてベースフィンガーも長いため、フィンガーの長さ方向に接触抵抗の不均一性が増大する結果となる。そして、両側のベース抵抗の不均一性により、HBTセル内での不均一動作性が増大する。例えば、エミッタフィンガー中を流れる電流が、左側のベースフィンガー寄りよりも右側のベースフィンガー寄りの方が多くなる等である。 This problem exists similarly for the HBT cell shown in FIG. 9A, which is one emitter finger and two base fingers. That is, in the contact resistance between the base electrode of the two base fingers and the base layer, non-uniformity is likely to occur between the fingers. In particular, this HBT cell has a long base finger in accordance with the emitter finger, resulting in an increase in non-uniformity of contact resistance in the finger length direction. The non-uniform operability in the HBT cell increases due to the non-uniformity of the base resistance on both sides. For example, the current flowing through the emitter finger is greater near the right base finger than at the left base finger.
さらに、HBTセルでは、ベース−コレクタ間の寄生容量が高く、この寄生容量による電力の帰還によって高周波帯応用において利得劣化が起こるという課題がある。HBTの高周波特性は、主にベース層とコレクタ層とで発生する寄生容量によるが、その寄生容量は、図9B及び図10Bに示したベースメサ幅W1に比例する。ベース−コレクタ間容量は、コレクタ層を挟むベース層とコレクタ層との面積に比例するからである。このベースメサ幅W1を狭めるためには、必要なエミッタ面積以外の面積をできる限り減らすことが必要である。しかし、図10Bに示したHBTセルの構造ではエミッタ4本に対しベース5本、図9Bに示したHBTセルの構造ではエミッタ1本に対しベース2本と、必要なエミッタ面積よりも常に1本分のベース電極面積が多くなる。このように、従来のHBTセルの構造では、ベースフィンガーの影響で、ベースメサ幅W1を狭くすることに限度があり、高周波帯における利得特性が劣化するという課題があった。 Furthermore, the HBT cell has a high parasitic capacitance between the base and the collector, and there is a problem in that gain degradation occurs in a high frequency band application due to power feedback by the parasitic capacitance. The high frequency characteristics of the HBT mainly depend on the parasitic capacitance generated in the base layer and the collector layer, and the parasitic capacitance is proportional to the base mesa width W1 shown in FIGS. 9B and 10B. This is because the base-collector capacitance is proportional to the area of the base layer and the collector layer sandwiching the collector layer. In order to reduce the base mesa width W1, it is necessary to reduce the area other than the necessary emitter area as much as possible. However, the structure of the HBT cell shown in FIG. 10B has five bases for every four emitters, and the structure of the HBT cell shown in FIG. 9B has two bases for one emitter, always one more than the required emitter area. The base electrode area is increased. Thus, in the structure of the conventional HBT cell, there is a limit to narrowing the base mesa width W1 due to the influence of the base finger, and there is a problem that the gain characteristic in the high frequency band deteriorates.
一方、多セル構造の電力増幅用HBTでは、図11A及び図11Bで示したように、外部ベース抵抗130の値が大きくなる。このため、電力増幅用HBTを実際に半導体に集積するとき、外部ベース抵抗用に大きな面積を確保するが必要があり、結果チップ面積が大きくなってコストが高くなるという課題がある。
On the other hand, in the power amplification HBT having a multi-cell structure, the value of the
それ故に、本発明の目的は、HBTセル内での発熱均一性を保ち、かつ、高周波帯域の利得特性を向上させたバイポーラトランジスタ、及び多セル構造でのチップ面積の縮小を図った電力増幅器を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a bipolar transistor that maintains heat generation uniformity in the HBT cell and has improved high frequency band gain characteristics, and a power amplifier that reduces the chip area in a multi-cell structure. Is to provide.
本発明は、半導体基板上に形成されたバイポーラトランジスタに向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のバイポーラトランジスタは、1本のベースフィンガー、この1本のベースフィンガーを中心に対称となる位置に、1本のベースフィンガーと平行して配置された2本のエミッタフィンガー、及び1本のベースフィンガー及び2本のエミッタフィンガーを挟む位置に配置された2本のコレクタフィンガーで構成されている。なお、エミッタフィンガーは、1本のベースフィンガーを中心に対称となる位置に、1本のベースフィンガーと平行して偶数本縦列に配置されてもよい。 The present invention is directed to a bipolar transistor formed on a semiconductor substrate. In order to achieve the above object, the bipolar transistor of the present invention is arranged in parallel with one base finger at one base finger, at a position symmetrical about the one base finger. It consists of two emitter fingers and two collector fingers arranged at a position sandwiching one base finger and two emitter fingers. The emitter fingers may be arranged in even-numbered columns in parallel with one base finger at positions symmetrical with respect to one base finger.
好ましくは、2本のエミッタフィンガーの長さを共に30μm以下にする。また、好ましくは、1本のベースフィンガーの電極幅を1μm以下にする。 Preferably, the two emitter fingers are both 30 μm or less in length. Preferably, the electrode width of one base finger is 1 μm or less.
このバイポーラトランジスタが、ベース層にヘテロ接合されたエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタである場合には、1本のベースフィンガーの電極が、エミッタ層のワイドギャップ層を貫通してベース層にオーミック接合された構造とすることも可能である。 When this bipolar transistor is a heterojunction bipolar transistor having an emitter layer heterojunction to the base layer, the electrode of one base finger penetrates the wide gap layer of the emitter layer and forms an ohmic junction with the base layer. It is also possible to have a structured.
これらのバイポーラトランジスタは、複数並列接続して出力を合成し、かつ、各バイポーラトランジスタのベースが個別の外付ベース抵抗を介さずに共通接続することで、電力増幅器を構成することができる。 A plurality of these bipolar transistors are connected in parallel to synthesize outputs, and the bases of the bipolar transistors are connected in common without going through individual external base resistors, so that a power amplifier can be configured.
上記本発明によれば、セル内の均一動作が優れており、ベース−コレクタ間容量も小さくできるので、低コストで優れた高周波特性が得られる。また、内蔵ベース抵抗値が高いため、多セル化して電力増幅器を構成した場合には、外部ベース抵抗のない小サイズでかつ破壊耐性に優れた電力増幅器を実現することができる。 According to the present invention, the uniform operation in the cell is excellent, and the capacity between the base and the collector can be reduced, so that excellent high frequency characteristics can be obtained at low cost. In addition, since the built-in base resistance value is high, when a power amplifier is configured with a large number of cells, it is possible to realize a power amplifier having a small size and excellent breakdown resistance without an external base resistance.
〈バイポーラトランジスタの構造〉
まず、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタの構造を説明する。
図1Aは、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタの構造を示す平面図である。図1Bは、図1Aに示すバイポーラトランジスタのa−a断面図である。この実施形態に係るバイポーラトランジスタは、ベースメサフィンガー(エミッタレッジ層15、ベース層16及びコレクタ層17)を2本のコレクタフィンガー(コレクタ電極13)で挟み、ベースメサフィンガー上に1本のベースフィンガー(ベース電極12)及びその両側の2本のエミッタフィンガー(エミッタ層14及びエミッタ電極11)を形成した構造である。2本のエミッタフィンガーは、ベースフィンガーを基準に対称の位置に形成される。また、このバイポーラトランジスタは、典型的にはヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)である。
<Bipolar transistor structure>
First, the structure of a bipolar transistor according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1A is a plan view showing a structure of a bipolar transistor according to an embodiment of the present invention. 1B is a cross-sectional view taken along the line aa of the bipolar transistor shown in FIG. 1A. In the bipolar transistor according to this embodiment, a base mesa finger (
この実施形態に係るバイポーラトランジスタの構造では、2本のエミッタフィンガーがベースフィンガーから対称な位置にあるので、2本のエミッタフィンガーの発熱は図2に示すように均一になる。また、ベースフィンガーは1本しかないので、ベースフィンガー間が不均一となる問題は発生しない。 In the structure of the bipolar transistor according to this embodiment, since the two emitter fingers are located symmetrically with respect to the base finger, the heat generated by the two emitter fingers is uniform as shown in FIG. Further, since there is only one base finger, there is no problem of non-uniformity between the base fingers.
また、不均一を発生させないためのエミッタフィンガー長Lとしては、30μm以下が好ましい。例えば、図3に示すように、HBTの出力負荷をVSWR=10:1としたときの、1HBTセルの熱暴走破壊する飽和出力に対する加入力電力の特性を、不均一性を表す指標として考える。この場合は、数字が大きいほどデバイスの安定性が良いことを示しており、エミッタフィンガー長Lが30μm以下で加入力電力が5dBであっても、HBTが破壊しないことがわかる。 Further, the emitter finger length L for preventing non-uniformity is preferably 30 μm or less. For example, as shown in FIG. 3, when the output load of the HBT is set to VSWR = 10: 1, the characteristic of the input power with respect to the saturated output that causes thermal runaway destruction of the 1HBT cell is considered as an index representing nonuniformity. In this case, the larger the number, the better the stability of the device. It can be seen that the HBT is not destroyed even when the emitter finger length L is 30 μm or less and the input power is 5 dB.
さらに、この実施形態に係るバイポーラトランジスタの構造では、2本のエミッタフィンガーの間にベースフィンガーが1本だけなので、1エミッタフィンガー当たりのベースフィンガーの数が最小となっている。このため、必要な出力電力に相当するエミッタ面積に対するベースフィンガーの面積が小さく、エミッタ面積よりも大きくなるベース層の面積を小さくすることができる。よって、ベースメサ幅W1を狭くすることができ、結果ベース−コレクタ間の容量を低減するため、高周波帯での高利得を実現できる。 Further, in the bipolar transistor structure according to this embodiment, since there is only one base finger between two emitter fingers, the number of base fingers per emitter finger is minimized. For this reason, the area of the base finger with respect to the emitter area corresponding to the required output power is small, and the area of the base layer that is larger than the emitter area can be reduced. Therefore, the base mesa width W1 can be reduced, and as a result, the capacitance between the base and the collector is reduced, so that a high gain in the high frequency band can be realized.
ここで、ベース電極12の幅を1μm以下に設定すれば、ベース電極12とベース層16との接触面積が小さくなるので、接触抵抗を大きくすることができる。この接触抵抗は、熱暴走対策用として通常外付けにするセル間の外部ベース抵抗に応用することができるため、バイポーラトランジスタを1セルとして複数セルを並列接続した電力増幅用HBTを構成する場合には、従来の構成(図11A等)には必要であった外部ベース抵抗130の分だけ構成面積を小さくすることができる。図4に、本発明のバイポーラトランジスタを1セルとして複数セルを並列接続した電力増幅用HBTの構成例を示す。図5に、HBTのエミッタフィンガー長Lを30μmとした場合の、ベース電極幅と破壊耐性とベース−コンタクト抵抗との特性相関図を示す。この図5からわかるように、ベース電極幅が1μm以下では内蔵ベース抵抗が20Ωとなって高くなり、破壊耐性性能も高くなる。
Here, if the width of the
なお、電力増幅器に高出力特性が必要になって多くのセル数が必要になったときは、ベースメサを2つ以上並べ、かつ、ベース電極12及びコレクタ電極13を共通に用いた構造のHBTセルを製造すればよい。図6Aに、そのバイポーラトランジスタの構造例を示す。ベースフィンガーが長いにもかかわらず、1つのベースメサ部に20Ω程度のベース抵抗が入っているので、新たなユニットセルの中の2つのベースメサ部における不均一性は抑制される。本発明の構造は、容易にセルの接続ができ、新たなセルを構成することができる。図6Bに、このバイポーラトランジスタを1セルとして複数セルを並列接続した電力増幅用HBTの構成例を示す。
When a high output characteristic is required for the power amplifier and a large number of cells are required, two or more base mesas are arranged, and the
〈バイポーラトランジスタの製造方法〉
次に、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造方法を説明する。
図7は、図1Bに示した本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタを製造する各工程A〜Eを説明する図である。
<Bipolar transistor manufacturing method>
Next, a bipolar transistor manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a diagram for explaining the steps A to E for manufacturing the bipolar transistor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1B.
エミッタ部は、n型GaAs層エミッタ層14とn型InGaPエミッタレッジ層15とからなる層である。WSiからなるエミッタ電極11と接触する層は、オーミック接触する必要があるので、薄層のInGaAsがエミッタの最上層に設けられている。エミッタ部の下層には、ベース部となるp型GaAsベース層16がある。その下層にはn型GaAsコレクタ層17がある。さらにその下層には、高濃度ドーピングされたサブコレクタ層と呼ばれるn+型GaAsサブコレクタ層18がある。このエピタキシャル層に対して、エッチング加工を施し、エミッタメサ層及びベースメサ層を形成し、トランジスタの3つの端子の電極を半導体層上に形成する方法によって、トランジスタを製造する。
HBTでは、エッチング工程においてGaAsとInGaPの選択エッチングを利用することができる。コレクタ電極13は、Ni/AuGe/Auの合金を用い、ベース電極12はTi/Pt/Auである。
The emitter section is a layer composed of an n-type GaAs
In HBT, selective etching of GaAs and InGaP can be used in the etching process. The
まず、エミッタ領域に形成したWSiエミッタ電極11をマスクしてn型GaAsエミッタ層14をエッチングし、n型InGaPエミッタレッジ層15を露出させる(工程A)。このとき、GaAsとInGaPの選択エッチングの製造方法を利用する。次に、n型InGaPエミッタレッジ層15、p型GaAsベース層16、及びn型GaAsコレクタ層17をエッチングして、n+型GaAsサブコレクタ層18を露出させる(工程B)。この工程Bは、ベースメサ層を形成する工程である。このベースメサ幅W1が小さければ小さい程ベース−コレクタ容量が小さくなり、高周波特性が優れる。
First, the n-type
ここで、ヘテロ接合のエミッタレッジ層の機能を簡単に説明しておく。エミッタ部をエッチング除去して露出されるp型のベース層の表面には、表面準位が多く存在し、その準位での表面再結合により結晶の劣化が発生するという問題がある。そこで、この問題の対策として、必要な面積のエミッタ層の周辺のベース層表面をできるだけ他の安定層、すなわちエミッタレッジ層で堆積して保護させるのである。このエミッタレッジ層による構造は、ガードリング構造とも呼ばれる。 Here, the function of the heterojunction emitter ledge layer will be briefly described. There is a problem in that the surface of the p-type base layer exposed by etching away the emitter portion has many surface levels, and crystal degradation occurs due to surface recombination at those levels. Therefore, as a countermeasure against this problem, the surface of the base layer around the emitter layer having a necessary area is deposited and protected by another stable layer, that is, an emitter ledge layer as much as possible. This structure of the emitter ledge layer is also called a guard ring structure.
エミッタメサ間隔W4の幅の中で、n型InGaPエミッタレッジ層15をエッチングして、p型GaAsベース層16を露出させる(工程C)。このエッチングは、選択エッチングを用い、レッジ開口幅W2を開口する。高周波性能を上げるために、狭いエミッタメサ間隔W4の中に高精度な狭いエミッタレッジ開口幅W2を形成するときは、高精度なフォトリソグラフィー技術及び高精度なエッチング技術を必要とするので、高コストな製造方法を必要とする。
The n-type InGaP
次に、幅1μm以下のTi/Pt/Auからなるベース電極12を、蒸着リフトオフによって形成する(工程D)。次に、n+型GaAsサブコレクタ層18にAuGeNi/Auコレクタ電極13を蒸着リフトオフによって形成し、その後に400℃程度の加熱をしてアロイ化する(工程E)。
Next, the
ところで、高周波特性に優れたHBTにおいて高周波帯での性能向上を図るためには、ベースメサ幅W1を狭くして、その狭いベースメサ幅W1の中にレッジ開口幅W2を確保し、その中に幅1μm以下のベース電極を形成する必要がある。しかし、上述したように製造コストが高くなってしまう。 By the way, in order to improve the performance in the high frequency band in the HBT having excellent high frequency characteristics, the base mesa width W1 is narrowed, the ledge opening width W2 is secured in the narrow base mesa width W1, and the width is 1 μm. It is necessary to form the following base electrode. However, as described above, the manufacturing cost is increased.
そこで、この製造方法を簡便化させたHBT構造及び製造方法を、図8に示す。この図8に示すHBT構造では、レッジの開口がそもそもなく、通常のp型GaAsベース層16にヘテロ接合されるn型InGaPエミッタレッジ層15をベース電極82が貫通してp型GaAsベース層16に接触している。このHBT構造では、微細なn型InGaPエミッタレッジ層15の開口エッチング工程がないので、製造方法が簡便となる。ベース電極82は、n型InGaPエミッタレッジ層15の上に蒸着形成された後に、熱を加えることによりベース電極82がn型InGaPエミッタレッジ層15を熱拡散して、p型GaAsベース層16に接触させる。この構造では、レッジ開口幅がなく、ベース幅W3も狭いので、ベースメサ幅W1はどの構造よりも最小にすることができ、ベース−コレクタ間の容量も小さくなって、利得と効率が向上し高周波特性が良好となる。
なお、コレクタ電極13は、Ni/AuGe/Auの合金を用い、ベース電極82はPtを最下層に入れたPt/Ti/Pt/Auである。
FIG. 8 shows an HBT structure and a manufacturing method that simplify this manufacturing method. In the HBT structure shown in FIG. 8, there is no ledge opening in the first place, and the
The
まず、エミッタ領域に形成したWSiエミッタ電極11をマスクしてn型GaAsエミッタ層14をエッチングし、n型InGaPエミッタレッジ層15を露出させる(工程A)。このとき、GaAsとInGaPの選択エッチングの製造方法を利用する。次に、n型InGaPエミッタレッジ層15、p型GaAsベース層16、及びn型GaAsコレクタ層17をエッチングして、n+型GaAsサブコレクタ層18を露出させる(工程B)。この工程Bは、ベースメサ層を形成する工程である。このベースメサ幅W1が小さければ小さい程ベース−コレクタ容量が小さくなり、高周波特性が優れる。この工程A及び工程Bは、図7と同じである。
First, the n-type
ベースメサを形成した後に、n型InGaPエミッタレッジ層15にPt/Ti/Pt/Auからなるベース電極82を蒸着リフトオフして形成する(工程F)。そして、AuGeNi/Auコレクタ電極13を、蒸着リフトオフによって形成し、その後に400℃程度の加熱をし、アロイ化してコレクタ電極13を形成する(工程G)。この400℃程度の加熱によって、コレクタ電極13がアロイ化されるばかりではなく、n型InGaPエミッタレッジ層15の上のPt/Ti/Pt/Auベース電極82中の最下層のPtが、熱拡散係数が高いのでn型InGaPエミッタレッジ層15の間を熱拡散して貫通し、p型GaAsベース層16に接触し、オーミック接続する。
After forming the base mesa, the
この構造では、高周波性能を上げるために、狭いエミッタメサ間隔W4の中に、高精度な狭いエミッタレッジ開口幅W2を形成するための高性能な製造方法は必要はないので、低コスト化できる。また、W1>W4>W3となれば良いので、同じベース幅W3に対してよりエミッタメサ間隔W4を狭くでき、結果としてベースメサ幅W1を狭くすることができる。よって、よりベース−コレクタ間容量を低減することができ、高周波帯における性能を上げることができる。 In this structure, there is no need for a high-performance manufacturing method for forming a highly accurate narrow emitter ledge opening width W2 in the narrow emitter mesa interval W4 in order to improve high-frequency performance, so that the cost can be reduced. Since W1> W4> W3 is satisfied, the emitter mesa interval W4 can be further narrowed with respect to the same base width W3, and as a result, the base mesa width W1 can be narrowed. Therefore, the base-collector capacitance can be further reduced, and the performance in the high frequency band can be improved.
以上のように、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタによれば、セル内の均一動作が優れており、ベース−コレクタ間容量も小さくできるので、低コストで優れた高周波特性が得られる。また、内蔵ベース抵抗値が高いため、多セル化して電力増幅器を構成した場合には、外部ベース抵抗のない小サイズでかつ破壊耐性に優れた電力増幅器を実現することができる。 As described above, according to the bipolar transistor of one embodiment of the present invention, the uniform operation in the cell is excellent, and the capacitance between the base and the collector can be reduced, so that excellent high frequency characteristics can be obtained at low cost. In addition, since the built-in base resistance value is high, when a power amplifier is configured with a large number of cells, it is possible to realize a power amplifier having a small size and excellent breakdown resistance without an external base resistance.
本発明のバイポーラトランジスタ及び電力増幅器は、高周波帯を利用した無線携帯端末の信号送信部等で利用することが可能であり、特にトランジスタの発熱に対する耐破壊性及び高周波帯域の利得特性向上を図りたい場合等に有用である。 The bipolar transistor and the power amplifier according to the present invention can be used in a signal transmission unit of a wireless portable terminal using a high frequency band, and in particular, it is desired to improve the breakdown resistance against heat generation of the transistor and to improve the gain characteristic of the high frequency band. This is useful in some cases.
11、91 エミッタ電極
12、82、92 ベース電極
13、93 コレクタ電極
14、94 エミッタ層
15、95 エミッタレッジ層
16、96 ベース層
17、97 コレクタ層
18、98 サブコレクタ層
40、100 コレクタ配線
41、110 エミッタ配線
42、120 ビアホール(接地)
45、150 DCバイアス供給線
130 外部ベース抵抗
140 ベース配線
W1 ベースメサ幅
W2 レッジ開口幅
W3 ベース電極幅
W4 エミッタメサ幅
L エミッタフィンガー長
11, 91
45, 150 DC
Claims (6)
1本のベースフィンガー、
前記1本のベースフィンガーを中心に対称となる位置に、前記1本のベースフィンガーと平行して配置された2本のエミッタフィンガー、及び
前記1本のベースフィンガー及び前記2本のエミッタフィンガーを挟む位置に配置された2本のコレクタフィンガーで構成される、バイポーラトランジスタ。 A bipolar transistor formed on a semiconductor substrate,
One base finger,
Two emitter fingers arranged in parallel with the one base finger, and the one base finger and the two emitter fingers are sandwiched at a position symmetrical about the one base finger A bipolar transistor composed of two collector fingers arranged in position.
前記1本のベースフィンガーの電極が、前記エミッタ層のワイドギャップ層を貫通して前記ベース層にオーミック接合された構造であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。 A heterojunction bipolar transistor having an emitter layer heterojunction to a base layer;
The bipolar device according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode of the one base finger has a structure in which an ohmic junction is formed through the wide gap layer of the emitter layer and the base layer. Transistor.
1本のベースフィンガー、
前記1本のベースフィンガーを中心に対称となる位置に、前記1本のベースフィンガーと平行して縦列配置された偶数本のエミッタフィンガー、及び
前記1本のベースフィンガー及び前記偶数本のエミッタフィンガーを挟む位置に配置された2本のコレクタフィンガーで構成される、バイポーラトランジスタ。 A bipolar transistor formed on a semiconductor substrate,
One base finger,
An even number of emitter fingers arranged in parallel in parallel with the one base finger, and the one base finger and the even number of emitter fingers at positions symmetrical about the one base finger. A bipolar transistor composed of two collector fingers arranged in a sandwiched position.
A plurality of bipolar transistors according to any one of claims 3 to 5 are connected in parallel to synthesize an output, and the bases of the bipolar transistors are commonly connected without using an individual external base resistor. A power amplifier.
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