JP2007073815A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高周波スイッチ回路に使用される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used in a high frequency switch circuit.
高周波(RF)信号を送受信する移動体通信機器の低消費電力化に伴って、アンテナと送信回路あるいはアンテナと受信回路との間に設けられる高周波スイッチ回路の挿入損失を下げること、および高周波スイッチ回路自体の消費電力を低減することが求められている。このため、スイッチング素子には挿入損失が小さく、かつダイオードのようにDCバイアス電流を必要としないことが望まれる。このようなスイッチング素子としては、例えば高性能FET(Field Effect Transistor)が用いられている。これは、FETによって構成された高周波スイッチ回路はそれ自体の消費電力がほぼ零だからである。 Along with the reduction in power consumption of mobile communication devices that transmit and receive radio frequency (RF) signals, the insertion loss of the radio frequency switch circuit provided between the antenna and the transmission circuit or between the antenna and the reception circuit is reduced, and the radio frequency switch circuit There is a need to reduce the power consumption of itself. For this reason, it is desired that the switching element has a small insertion loss and does not require a DC bias current unlike a diode. For example, a high-performance FET (Field Effect Transistor) is used as such a switching element. This is because the high-frequency switch circuit composed of FETs consumes almost no power.
ところが、移動体通信の中でも、特に携帯電話、無線LANといった高速データ通信においては、CDMA(Code Division Multi-Access)、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)といった信号が用いられるため、上述した低消費電力化に加えて低歪性が今まで以上に求められるようになっている。そこで、歪特性の改善を図る上で、低電圧動作における最大許容電力を稼ぐためにゲート電極を複数段構成にすると共に、ソース電極から見て初段のゲート電極とソース電極との間、最終段のゲート電極とドレイン電極との間に付加容量(Cadd)を設置することが提案されている(例えば特許文献1参照)。 However, in mobile communication, especially in high-speed data communication such as cellular phones and wireless LANs, signals such as CDMA (Code Division Multi-Access) and OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) are used. In addition to this, low distortion is required more than ever. Therefore, in order to improve the distortion characteristics, in order to obtain the maximum allowable power in the low voltage operation, the gate electrode is configured in a plurality of stages, and between the first stage gate electrode and the source electrode as viewed from the source electrode, It has been proposed to install an additional capacitor (Cadd) between the gate electrode and the drain electrode (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、高周波スイッチ回路を構成するFETにおいて、上述したように初段のゲート電極とソース電極との間、および最終段のゲート電極とドレイン電極との間に直接的に付加容量を設置するためには、ドレイン電極の給電点の幅を広くする必要が生じ、これにより素子面積の増大、さらには製造コストの増加を招くという問題がある。
本発明は歪特性を改善した半導体装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having improved distortion characteristics.
本発明の一態様に係る半導体装置は、直列に接続された複数の電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極のいずれか一方から高周波信号が入力して他方から出力されると共に、前記複数の電界効果トランジスタのゲート電極にそれぞれ抵抗を介して接続された制御端子の電位により前記高周波信号の通過および遮蔽を制御する高周波スイッチ回路用の半導体装置において、初段の電界効果トランジスタのゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度と最終段の電界効果トランジスタのゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度とが、他のゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度より大きいことを特徴としている。 In the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a high-frequency signal is input from one of a source electrode and a drain electrode of a plurality of field effect transistors connected in series and output from the other, and the plurality of field effects In a semiconductor device for a high-frequency switch circuit that controls the passage and shielding of the high-frequency signal by the potential of a control terminal connected to the gate electrode of the transistor through a resistor, the gate electrode and the ohmic electrode of the first stage field effect transistor And the parasitic capacitance density between the gate electrode and the ohmic electrode of the field effect transistor in the final stage is larger than the parasitic capacitance density between the other gate electrode and the ohmic electrode.
本発明の他の態様に係る半導体装置は、電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極のいずれか一方から高周波信号が入力して他方から出力されると共に、前記ソース電極とドレイン電極との間に設けられた複数のゲート電極にそれぞれ抵抗を介して接続された制御端子の電位により前記高周波信号の通過および遮蔽を制御する高周波スイッチ回路用の半導体装置において、オーミック電極に最も近いゲート電極と前記オーミック電極との間の寄生容量密度が、他のゲート電極とゲート電極間のノードとの間の寄生容量密度より大きいことを特徴としている。 A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a high-frequency signal that is input from one of a source electrode and a drain electrode of a field effect transistor and output from the other, and is provided between the source electrode and the drain electrode. In a semiconductor device for a high-frequency switch circuit that controls passage and shielding of the high-frequency signal by a potential of a control terminal connected to each of a plurality of gate electrodes via a resistor, the gate electrode closest to the ohmic electrode and the ohmic electrode The parasitic capacitance density between the first and second gate electrodes is larger than the parasitic capacitance density between the other gate electrode and the node between the gate electrodes.
本発明の一態様に係る半導体装置によれば、歪特性を改善することができる。 According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, distortion characteristics can be improved.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although embodiment of this invention is described based on drawing below, those drawings are provided for illustration and this invention is not limited to those drawings.
図1は本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。また、図2は図1に示す半導体装置の等価回路図である。これらの図に示す半導体装置はトリプルゲート(Triple-gate)構造のFET100を具備している。FET100はHEMT(High Electron Mobility Transistor/高電子移動度トランジスタ)およびMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)のいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。FET100は、GaAs基板等の半導体基板101上に所定の距離(第1のリセス領域)を離して設けられたソース電極102とドレイン電極103とを有している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device shown in FIG. The semiconductor device shown in these drawings includes an
ソース電極102およびドレイン電極103は、それぞれ第1および第2のオーミックコンタクト層104、105を介して半導体基板101上に形成されており、オーミック電極を構成している。これらソース電極102とドレイン電極103との間には、半導体基板101上にオーミックコンタクト層104、105を介して第1の絶縁膜106が設けられており、この第1の絶縁膜106には複数のゲート形成領域(第2のリセス領域)が貫通形成されている。そして、第1の絶縁膜106に形成されたゲート形成領域を介して、ソース電極102とドレイン電極103との間には複数のゲート電極、すなわち第1、第2および第3のゲート電極107、108、109が設けられている。
The
上述した各ゲート電極107、108、109は、第1の絶縁膜106上に配置されたひさし部分を備える断面T字形状(Tゲート)を有している。すなわち、各ゲート電極106、107、108は、それぞれ第1の絶縁膜106を貫通するように形成されたゲート形成領域(貫通部)に充填された第1の部分(T字の縦棒に相当する部分)と、この第1の部分上に連続して形成された第2の部分(T字の横棒に相当する部分)とを有し、第2の部分は第1の絶縁膜106上に配置されたひさし部分を備えている。なお、第2のゲート電極108はストレートゲートであってもよい。
Each of the
これら各ゲート電極107、108、109におけるひさし部分、特に第1および第3のゲート電極107、109におけるひさし部分は、ソース電極102またはゲート電極103に接続されたオーミックコンタクト層104、105と第1の絶縁膜106を介して対向している。このようなひさし部分はその長さ(第1の絶縁膜106上に配置された部分の長さ)等に応じて容量を形成する。また、第1、第2および第3のゲート電極107、108、109上には第2の絶縁膜110が形成されている。さらに、ソース電極102およびゲート電極103上にはそれぞれ配線メタル111が形成されている。
The eaves portion of each of the
このような各構成要素によって、高周波スイッチ回路用のFET100、すなわち高周波回路のスイッチングに用いられるトリプルゲート構造のFET100が構成されている。なお、ここではトリプルゲート構造のFET100を示したが、ゲート数はこれに限られるものではなく、例えばデュアルゲート(Dual-gate)、クアドラプルゲート(Quadruple-gate)、クイントプルゲート(Quintuple-gate)等のマルチゲート構造を有するFETを使用することが可能である。
Each of these components constitutes a
上述したゲート電極107、108、109のうち、ソース電極102に最も近い第1のゲート電極107のソース電極102側ひさし部分の長さ(wsg1)と、ドレイン電極103に最も近い第3のゲート電極109のドレイン電極103側ひさし部分の長さ(wdg3)は、他のひさし部分の長さ(w)、すなわち第1のゲート電極107のドレイン電極103側ひさし部分の長さ(w)、第2のゲート電極108の各ひさし部分の長さ(w)、第3のゲート電極109のソース電極102側ひさし部分の長さ(w)より長くなっている。
Of the above-described
このような第1のゲート電極107のソース側ひさし部分の形状によって、ソース電極102と第1のゲート電極107間の容量(Cgs1)は、第1のゲート電極107と第1のノード112間の容量(Cgd1)、第1のノード112と第2のゲート電極108間の容量(Cgs2)、第2のゲート電極108と第2のノード113間の容量(Cgd2)、第2のノード113と第3のゲート電極109間の容量(Cgs3)よりも大きくなる。
The capacitance (Cgs1) between the
同様に、第3のゲート電極109のドレイン側ひさし部分の形状によって、ドレイン電極102と第3のゲート電極109間の容量(Cgd3)は、第1のゲート電極107と第1のノード112間の容量(Cgd1)、第1のノード112と第2のゲート電極108間の容量(Cgs2)、第2のゲート電極108と第2のノード113間の容量(Cgd2)、第2のノード113と第3のゲート電極109間の容量(Cgs3)よりも大きくなる。
Similarly, the capacitance (Cgd3) between the
上述した各容量について計算する。ゲート電極107、108、109のひさし部分とオーミックコンタクト層(104、105)との間の容量について、平行平板モデルを仮定する。第1の絶縁膜106はSiO2からなり、εr=4、厚さ=0.15μmとする。通常のTゲート(w=0.1μm)の場合、Cgd1=Cgs2=Cgd2=Cgs3=0.024pF/mmであるのに対して、wsg1=wdg3=1.0μmではCgs1=Cgd3=0.236pF/mmとなる。
Calculate for each of the capacities mentioned above. A parallel plate model is assumed for the capacitance between the eaves of the
図3にFET100を用いたスルー型高周波SPDTスイッチ回路を示す。これは、P2あるいはP3に入力されたRF信号をVc1、Vc2の電位によって、P2、P3のどちらかのRF信号をP1に透過し、他方の信号を遮断する回路である。具体的には、T1、T2としてピンチオフ電圧Vpが-1V程度のFET100を用意し、各FET100(T1、T2)のゲート電極にゲート付加抵抗Rggを介して制御端子Vc1、Vc2を接続する。
FIG. 3 shows a through-type high-frequency SPDT switch circuit using the
そして、P1、P2、P3の電位に対して制御端子Vc1の電位を0V以上にした場合に、T1としてのFET100はon状態に、また-3Vにした場合にoff状態になるようにしている。T2も同様である。図2に示すFET100は、on状態(透過状態)ではオン抵抗(Ron)で表すことができ、off状態(遮断状態)ではカットオフ容量(Coff)とゲート電極のひさし部分による容量とで表現することができる。T1をon状態に、T2をoff状態にしたときの等価回路図を図4に示す。
When the potential of the control terminal Vc1 is set to 0 V or higher with respect to the potentials of P1, P2, and P3, the
図3の回路図において、6GHzの周波数でパワー特性を評価した。歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は、通常のFETを用いた場合では29.2dBmであったのに対し、この実施形態では30.8dBmであった。このように、ソース電極102に一番近い第1のゲート電極107のソース側ひさし部分長(wsg1)とドレイン電極103に一番近い第3のゲート電極109のドレイン側ひさし部分長(wdg3)を、他のひさし部分長(w)より長くして容量を稼ぐことによって、素子面積の増大やそれに基づく製造コストの増加等を招くことなく、高周波スイッチ回路の歪特性を改善することを可能となる。
In the circuit diagram of FIG. 3, power characteristics were evaluated at a frequency of 6 GHz. The input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed -75dBc, was 29.2dBm when using a normal FET. In this embodiment, it was 30.8 dBm. Thus, the source side eaves part length (wsg1) of the
次に、T字形状を有するゲート電極のひさし部分の長さについて述べる。一般的なゲート電極のひさし部分長はステッパの位置合せ精度によるが、通常0〜0.3μmである。ストレートゲートの場合には、ひさし部分長は0μmとなる。ひさし部分長wが0.3μmの場合のCgd1=Cgs2=Cgd2=Cgs3=0.072pF/mmに対して、wsg1とwdg3が0.5μmである場合にはCgs1=Cgd3=0.118pF/mmとなる。この場合のパワー評価結果において、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は29.6dBmであった。このことから、ソース電極およびドレイン電極(オーミック電極)に近いひさし部分の長さは0.5μm以上にすることが有効であることが分かる。なお、このひさし部分長はソース−ゲート間距離を長くすることで増加させることが可能であるが、この場合にはRonが大きくなり、挿入損失が悪化する。 Next, the length of the eaves portion of the gate electrode having a T shape will be described. The eaves length of a general gate electrode is usually 0 to 0.3 μm, although it depends on the alignment accuracy of the stepper. In the case of a straight gate, the eaves length is 0 μm. Cgd1 = Cgs2 = Cgd2 = Cgs3 = 0.072 pF / mm when the eaves part length w is 0.3 μm, whereas Cgs1 = Cgd3 = 0.118 pF / mm when wsg1 and wdg3 are 0.5 μm. In the power evaluation result in this case, the input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and the third harmonic (3fo), which are distortion indices, exceed −75 dBc was 29.6 dBm. From this, it can be seen that it is effective to set the length of the eaves portion close to the source electrode and the drain electrode (ohmic electrode) to 0.5 μm or more. This eaves portion length can be increased by increasing the source-gate distance, but in this case, Ron increases and insertion loss deteriorates.
また、ソース電極およびドレイン電極に最も近いゲート電極の一方のひさし部分長のみを長くした場合には、ひさし部分が全て均等のときと比較して3倍波高調波(3fo)が劣化し、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)が28.5dBmであった。このことから、ソース電極およびドレイン電極(オーミック電極)に最も近いゲート電極のひさし部分の長さを共に長くする必要があることが分かる。 In addition, when only the length of one eaves part of the gate electrode closest to the source electrode and the drain electrode is made longer, the third harmonic (3fo) is deteriorated and distorted compared to when the eaves part is all equal. The input power (Pin) at which the second harmonic (2fo) and the third harmonic (3fo), which are indicators of the above, exceed -75 dBc was 28.5 dBm. From this, it can be seen that it is necessary to increase both the lengths of the eaves of the gate electrode closest to the source electrode and the drain electrode (ohmic electrode).
なお、この実施形態ではトリプルゲート構造のFET100を示したが、デュアルゲート(Dual-gate)、クアドラプルゲート(Quadruple-gate)、クイントプルゲート(Quintuple-gate)等のマルチゲート構造を有するFETにおいても同様な効果を得ることができる。デュアルゲート構造のFETにおいては、各ゲート電極のソース電極およびドレイン電極側のひさし部分長を他方のひさし部分長より長くすればよい。さらに、シャント型スイッチ回路や共振型スイッチ回路、多ポートスイッチ回路(SPnT)でも同様の効果があることは言うまでもない。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。
In this embodiment, the
次に、本発明の第2の実施形態による半導体装置について、図5および図6を参照して説明する。図5は第2の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図、図6は図5に示す半導体装置の等価回路図である。これらの図に示す半導体装置は第1の実施形態と同様に、トリプルゲート(Triple-gate)構造のFET100を具備している。FET100はHEMT、MESFETのいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。なお、第1の実施形態と同一部分については同一符号を付し、その説明を一部省略する。
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment, and FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device shown in FIG. The semiconductor device shown in these drawings includes an
第2の実施形態によるFET100は、ソース電極102に一番近い第1のゲート電極107のソース電極102側のひさし部分長(wsg1)とドレイン電極103に一番近い第3のゲート電極109のドレイン電極103側のひさし部分長(wdg3)を他のひさし部分長(w)より長くしていることに加えて、これら第1および第3のゲート電極107、109上にソース電極102またはドレイン電極103に接続された配線メタル111をそれぞれ第2の絶縁膜110を介して配置している。
The
従って、ソース電極102と第1のゲート電極107間の容量(Cgs1)は、第1のゲート電極107と第1のノード112間の容量(Cgd1)、第1のノード112と第2のゲート電極108間の容量(Cgs2)、第2のゲート電極108と第2のノード113間の容量(Cgd2)、第2のノード113と第3のゲート電極109間の容量(Cgs3)より大きく、さらに第1のゲート電極107と配線メタル111間の容量(Cgs1a)も並列に接続されている。なお、第1のゲート電極107のソース側ひさし部分長(wsg1)等の具体的な条件は、第1の実施形態と同様とすることが好ましい。
Accordingly, the capacitance (Cgs1) between the
同様に、ドレイン電極102と第3のゲート電極109間の容量(Cgd3)は、第1のゲート電極107と第1のノード112間の容量(Cgd1)、第1のノード112と第2のゲート電極108間の容量(Cgs2)、第2のゲート電極108と第2のノード113間の容量(Cgd2)、第2のノード113と第3のゲート電極109間の容量(Cgs3)より大きく、さらに第3のゲート電極109と配線メタル111間の容量(Cgd3a)も並列に接続されている。なお、第3のゲート電極109のドレイン側ひさし部分長(wdg3)等の具体的な条件は、第1の実施形態と同様とすることが好ましい。
Similarly, the capacitance (Cgd3) between the
上述した各容量について計算する。ゲート電極107、108、109のひさし部分とオーミックコンタクト層(図5では図示を省略)との間の容量、およびゲート電極107、109と配線メタル111との間の容量について、平行平板モデルを仮定する。ゲート長は0.5μm、第1の絶縁膜106はSiO2で、εr=4、厚さ=0.15μm、第2の絶縁膜110はSiN膜で、εr=7、厚さ=0.20μmとする。通常のTゲート(w=0.1μm)ではCgd1=Cgs2=Cgd2=Cgs3=0.024pF/mmであり、これに対してwsg1=wdg3=1.0μmの場合、Cgs1=Cgd3=0.236pF/mmとなる。また、第1および第3のゲート電極107、109のゲートヘッド長(Lh1)は、Lh1=1.0+0.5+0.1=1.6μmであるから、Cgs1a=Cgd3a=0.774pF/mmとなる。
Calculate for each of the capacities mentioned above. A parallel plate model is assumed for the capacitance between the eaves of the
図3に示したスルー型高周波SPDTスイッチ回路に、この実施形態のFETを適用した。スイッチ回路の構成や動作は前述した通りである。また、図6に示すFETは図2と同様に、on状態(透過状態)ではオン抵抗(Ron)で表すことができ、off状態(遮断状態)ではカットオフ容量(Coff)とゲート電極のひさし部分による容量およびゲート電極上の配線メタルとの間の容量で表現することができる。T1をon状態に、T2をoff状態にしたときの等価回路を図7に示す。 The FET of this embodiment is applied to the through-type high-frequency SPDT switch circuit shown in FIG. The configuration and operation of the switch circuit are as described above. Further, the FET shown in FIG. 6 can be represented by an on-resistance (Ron) in the on state (transmission state), and the cutoff capacitance (Coff) and the gate electrode length in the off state (cut-off state), as in FIG. It can be expressed by the capacitance between the portion and the capacitance between the wiring metal on the gate electrode. FIG. 7 shows an equivalent circuit when T1 is turned on and T2 is turned off.
図3の回路図において、6GHzの周波数でパワー特性を評価した。歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は、通常のFETを用いた場合では29.2dBmであったのに対し、この実施形態では31.5dBmであった。このように、ソース電極102に一番近い第1のゲート電極107のソース側ひさし部分長(wsg1)とドレイン電極103に一番近い第3のゲート電極109のドレイン側ひさし部分長(wdg3)を長くすることに加えて、これら各ゲート電極107、109と配線メタル111間の容量を付加することによって、高周波スイッチ回路の歪特性をより一層改善することを可能となる。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。
In the circuit diagram of FIG. 3, power characteristics were evaluated at a frequency of 6 GHz. The input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed -75dBc, was 29.2dBm when using a normal FET. In this embodiment, it was 31.5 dBm. Thus, the source side eaves part length (wsg1) of the
次に、本発明の第3の実施形態による半導体装置について、図8ないし図14を参照して説明する。図8および図9は第3の実施形態による半導体装置に用いるFETの構成をそれぞれ示す断面図、図10および図11はそれらの等価回路図、図12は図8や図9に示すFET(さらに図13に示すFET)を複数直列に接続して構成したスイッチ回路を示す回路図である。各FET(シングルゲート構造のFET)をスタックすることで、マルチFET構造のスイッチ回路が構成される。この実施形態では3段スタック構造のスイッチ回路について述べる。なお、ここで用いられるFETはHEMT、MESFETのいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。 Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views respectively showing the configuration of the FET used in the semiconductor device according to the third embodiment, FIGS. 10 and 11 are equivalent circuit diagrams thereof, and FIG. 12 is an FET shown in FIGS. FIG. 14 is a circuit diagram showing a switch circuit configured by connecting a plurality of FETs shown in FIG. 13 in series. A multi-FET switch circuit is configured by stacking FETs (single-gate FETs). In this embodiment, a switch circuit having a three-stage stack structure will be described. The FET used here may be either HEMT or MESFET, but here it is assumed to be HEMT.
図8および図10はソース電極側に配置される第1のFET201を示しており、図9および図11はドレイン電極側に配置される第2のFET202を示している。なお、図13はこれら第1および第2のFET201、202の間に配置される第3のFET203を示している。第1、第2および第3のFET201、202、203はシングルゲートであることを除いて、その基本構造は第1の実施形態のFET100と同様であり、半導体基板101上に設けられたソース電極102およびゲート電極103と、これらの間にオーミックコンタクト層104、105を介して形成された第1の絶縁膜106によりT字形状とされたゲート電極211、221、231を有している。
8 and 10 show the
図8に示す第1のFET201は、ゲート電極211のソース電極102側のひさし部分長(wsg1)がドレイン電極103側のひさし部分長(w)よりも長くなっている。従って、ソース電極102とゲート電極211間の容量(Cgs1)は、ゲート電極211とドレイン電極103間の容量(Cgd1)よりも大きくなる。図9に示す第2のFET202は図8と対称になっており、ゲート電極221のドレイン電極103側のひさし部分長(wdg1)がソース電極102側のひさし部分長(w)よりも長くなっている。従って、ドレイン電極103とゲート電極221間の容量(Cgd2)は、ゲート電極221とソース電極102間の容量(Cgs2)よりも大きくなる。なお、図13に示す第3のFET203は通常のTゲート231(ひさし部分長はいずれもw)を有している。
In the
上述した各容量について計算する。なお、図11についてはCgd2=Cgs1、Cgs2=Cgd1であるため、ここでは図10の各容量を示し、図11は省略する。ゲート電極211のひさし部分とオーミックコンタクト層(104、105)間の容量について、平行平板モデルを仮定する。第1の絶縁膜106はSiO2からなり、εr=4、厚さ=0.15μmとする。通常のTゲート(w=0.1μm)の場合のCgd1(=Cgs2)=0.024pF/mmに対して、wsg1(=wdg1)=1.0μmではCgs1(=Cgd2)=0.236pF/mmとなる。
Calculate for each of the capacities mentioned above. In FIG. 11, since Cgd2 = Cgs1 and Cgs2 = Cgd1, the respective capacitors in FIG. 10 are shown here, and FIG. 11 is omitted. A parallel plate model is assumed for the capacitance between the eaves portion of the
図12は図8に示す第1のFET201と図9に示す第2のFET202と図13に示す第3のFET203を3段スタックさせたマルチFET構造のスルー型SPDTスイッチ回路を示している。図12のTr1からTr6はいずれも左側をソースとすると、初段となるTr1とTr4には図8に示した第1のFET201が、最終段となるTr3とTr6には図9に示した第2のFET202が、中間のTr2とTr5には図13に示した第3のFET203が用いられている。
FIG. 12 shows a through FET SPDT switch circuit having a multi-FET structure in which the
図12に示すスルー型SPDTスイッチ回路において、Tr1、Tr2およびTr3は直列に接続されており、さらにこれらの各ゲート電極はゲート付加抵抗Rggを介して制御端子Vc1に接続されている。Tr4、Tr5およびTr6も同様であり、これらは直列に接続されていると共に、各ゲート電極がゲート付加抵抗Rggを介して制御端子Vc2に接続されている。なお、Rdは各FETのドレイン、ソースの電位を同じにするために用いられ、10kΩ程度の抵抗である。 In the through SPDT switch circuit shown in FIG. 12, Tr1, Tr2 and Tr3 are connected in series, and each of these gate electrodes is connected to the control terminal Vc1 via a gate additional resistor Rgg. The same applies to Tr4, Tr5 and Tr6, which are connected in series, and each gate electrode is connected to the control terminal Vc2 via a gate additional resistor Rgg. Rd is used to make the drain and source potentials of the FETs the same, and is a resistance of about 10 kΩ.
図12に示すスルー型SPDTスイッチ回路は、P2あるいはP3に入力されたRF信号をVc1、Vc2の電位によって、P2、P3のどちらかのRF信号をP1に透過し、他方の信号を遮断する回路である。具体的には、Tr1、Tr2、Tr3、Tr4、Tr5、Tr6としてピンチオフ電圧Vpが-1V程度のFETを用意し、P1、P2、P3の電位に対してVc1の電位を0V以上にした場合にTr1、Tr2、Tr3がon状態、また-3Vにした場合にTr4、Tr5、Tr6がoff状態になるようにしている。図12において、各トランジスタTrはon状態(透過状態)ではオン抵抗(Ron)で表すことができ、off状態(遮断状態)ではカットオフ容量(Coff)とゲート電極のひさし部分による容量で表現することができる。Tr1〜Tr3をon状態に、Tr4〜Tr6をoff状態にしたときの等価回路を図14に示す。 The through SPDT switch circuit shown in FIG. 12 is a circuit that transmits the RF signal input to P2 or P3 to the P1 through the RF signal of either P2 or P3 by the potential of Vc1 or Vc2, and cuts off the other signal. It is. Specifically, when a FET having a pinch-off voltage Vp of about -1V is prepared as Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr5, Tr6, and the potential of Vc1 is set to 0 V or more with respect to the potentials of P1, P2, P3. Tr1, Tr2, and Tr3 are in the on state, and Tr4, Tr5, and Tr6 are in the off state when set to -3V. In FIG. 12, each transistor Tr can be represented by an on-resistance (Ron) in the on state (transmission state), and is represented by a cutoff capacitance (Coff) and a capacitance due to the eaves portion of the gate electrode in the off state (cut-off state). be able to. FIG. 14 shows an equivalent circuit when Tr1 to Tr3 are turned on and Tr4 to Tr6 are turned off.
図12の回路図において、6GHzの周波数でパワー特性を評価した。歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は、通常のFETを用いた場合には30.3dBmであったのに対し、この実施形態では31.2dBmであった。このように、マルチトランジスタ構造における初段FET201のゲート電極211のソース側ひさし部分長(wsg1)と最終段FET202のゲート電極221のドレイン側ひさし部分長(wdg1)を、他のひさし部分長(w)より長くして容量を稼ぐことによって、高周波スイッチ回路の歪特性を改善することができる。
In the circuit diagram of FIG. 12, power characteristics were evaluated at a frequency of 6 GHz. The input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed -75dBc, was 30.3dBm when using a normal FET. On the other hand, it was 31.2 dBm in this embodiment. In this way, the source side eaves part length (wsg1) of the
次に、Tゲートのひさし部分の長さについて述べる。通常のTゲートのひさし部分の長さは前述したように0〜0.3μmである。w=0.3μmの場合のCgd1=Cgs3=Cgd3=Cgs2=0.072pF/mmに対して、wsg1=wdg2=0.5μmの場合はCgs1=Cgd2=0.118pF/mmとなる。この場合のパワー評価結果において、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は30.8dBmであった。このことから、初段および最終段のFET201、202のゲート電極211、221のソース電極またはドレイン電極(オーミック電極)に近いひさし部分の長さは0.5μm以上にすることが有効であることが分かる。なお、このひさし部分長はソース−ゲート間距離を長くすることで増加させることが可能であるが、この場合にはRonが大きくなり、挿入損失が悪化する。
Next, the length of the eaves portion of the T gate will be described. The length of the eaves portion of a normal T gate is 0 to 0.3 μm as described above. Cgd1 = Cgd2 = 0.118 pF / mm when wsg1 = wdg2 = 0.5 μm, whereas Cgd1 = Cgs3 = Cgd3 = Cgs2 = 0.072 pF / mm when w = 0.3 μm. In the power evaluation result in this case, the input power (Pin) at which the second harmonic (2fo) and the third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed −75 dBc was 30.8 dBm. From this, it can be seen that it is effective to set the length of the eaves portion near the source electrode or drain electrode (ohmic electrode) of the
また、初段FET201のゲート電極211のソース側ひさし部分長、および最終段FET202のゲート電極221のドレイン側ひさし部分長の一方のみを長くした場合、ひさし部分が全て均等のときと比較して3倍波高調波(3fo)が劣化し、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)が29.5dBmであった。このことから、初段および最終段のFET201、202のゲート電極211、221のソース側ひさし部分長およびドレイン側ひさし部分の長さを共に長くする必要があることが分かる。
Further, when only one of the source side eaves part length of the
なお、この実施形態ではシングルゲート構造のFETを3段スタックする例について示したが、FETを2段以上スタックする場合において、高周波が透過する初段および最終段のFETのゲート電極のソース側ひさし部分長およびドレイン側ひさし部分長を長くすることで同様な効果を得ることができる。さらに、シャント型スイッチ回路や共振型スイッチ回路、多ポートスイッチ回路(SPnT)でも同様の効果があることは言うまでもない。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。 In this embodiment, an example in which three stages of single-gate FETs are stacked has been shown. However, when two or more FETs are stacked, the source side eaves portion of the gate electrodes of the first and last stage FETs through which high frequency is transmitted. The same effect can be obtained by lengthening the length and drain side eaves part length. Further, it goes without saying that a shunt type switch circuit, a resonance type switch circuit, and a multi-port switch circuit (SPnT) have the same effect. Moreover, although HEMT was used in this embodiment, it cannot be overemphasized that even if it uses MESFET, there exists the same effect.
次に、本発明の第4の実施形態による半導体装置について、図15ないし図20を参照して説明する。図15および図17はソース電極側に配置される第1のFET201を示しており、図16および図18はドレイン電極側に配置される第2のFET202を示している。図19はこれら第1および第2のFET201、202の間に配置される第3のFET203を示している。ここで用いるFETはHEMT、MESFETのいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。なお、第3の実施形態と同一部分については同一符号を付し、その説明を一部省略する。
Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 and 17 show the
図15に示す第1のFET201は、ゲート電極211のソース側ひさし部分長(wsg1)がドレイン側ひさし部分長(w)より長いことに加えて、ゲート電極211上にソース電極102に接続された配線メタル111が第2の絶縁膜110を介して配置されている。従って、ソース電極102とゲート電極211間の容量(Cgs1)は、ゲート電極211とドレイン電極103間の容量(Cgd1)より大きく、さらにゲート電極211と配線メタル111間の容量(Cgs1a)も並列に接続されている。
The
図16に示す第2のFET202は図15に示す第1のFET201と対称になっており、ゲート電極221のドレイン側ひさし部分長(wdg1)がソース側ひさし部分長(w)より長いことに加えて、ゲート電極221上にドレイン電極103に接続された配線メタル111が第2の絶縁膜110を介して配置されている。従って、ドレイン電極103とゲート電極221間の容量(Cgd2)は、ゲート電極221とソース電極102間の容量(Cgs2)より大きく、さらにゲート電極221と配線メタル111間の容量(Cgd2a)も並列に接続されている。
The
上述した各容量について計算する。なお、図18についてはCgd2=Cgs1、Cgs2=Cgd1、Cgd2a=Cgd1aであるため、ここでは図17の各容量を示し、図18については省略する。ゲート電極211のひさし部分とオーミックコンタクト層(104、105)間の容量について、平行平板モデルを仮定する。ゲート長は0.5μm、第1の絶縁膜106はSiO2で、εr=4、厚さ=0.15μm、第2の絶縁膜110はSiN膜で、εr=7、厚さ=0.20μmとする。通常のTゲート(w=0.1μm)の場合のCgd1(=Cgs2)=0.024pF/mmに対して、wsg1(=wdg1)=1.0μmの場合にはCgs1(=Cgd2)=0.236pF/mmとなる。また、ゲート電極221のゲートヘッド長(Lh1)は、Lh1=1.0+0.5+0.1=1.6μmであるから、Cgs1a(=Cgd2a)=0.774pF/mmとなる。
Calculate for each of the capacities mentioned above. In FIG. 18, Cgd2 = Cgs1, Cgs2 = Cgd1, and Cgd2a = Cgd1a. Therefore, here, the respective capacities of FIG. 17 are shown, and FIG. 18 is omitted. A parallel plate model is assumed for the capacitance between the eaves portion of the
図12に示した3段スタック構造のスルー型SPDTスイッチ回路に、この実施形態によるFET(図15に示す第1のFET201と図16に示す第2のFET202)を適用した。図12のTr1とTr4には図15に示した第1のFET201を、Tr3とTr6には図16に示した第2のFET202を、Tr2とTr5には図19に示した第3のFET203を用いた。スイッチ回路の構成や動作は前述した通りである。Tr1〜Tr3をon状態に、Tr4〜Tr6をoff状態にしたときの等価回路を図20に示す。なお、ゲート電極211のソース側ひさし部分長(wsg1)やゲート電極221のドレイン側ひさし部分長(wdg1)等は前述した第3の実施形態と同様とすることが好ましい。
The FETs according to this embodiment (the
図12の回路図において、6GHzの周波数でパワー特性を評価した。歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は、通常のFETを用いた場合では30.3dBmであったのに対し、この実施形態では32.5dBmであった。このように、マルチトランジスタ構造における初段FET201のゲート電極211のソース側ひさし部分長(wsg1)と最終段FET202のゲート電極221のドレイン側ひさし部分長(wdg1)を他のひさし部分長(w)より長くすることに加えて、各ゲート電極211、221と配線メタル111間の容量を付加することによって、高周波スイッチ回路の歪特性をより一層改善することを可能となる。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。
In the circuit diagram of FIG. 12, power characteristics were evaluated at a frequency of 6 GHz. The input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed -75dBc was 30.3dBm when using a normal FET. In this embodiment, it was 32.5 dBm. In this way, the source side eaves part length (wsg1) of the
次に、本発明の第5の実施形態による半導体装置について、図21ないし図27を参照して説明する。図21および図22は第5の実施形態による半導体装置に用いるFETの構成を示す断面図、図23は図21や図22に示すFET(さらに図24に示すFET)を複数直列に接続して構成したスイッチ回路を示す回路図である。ここではFETとしてMOSFETを用いている。各FET(シングルゲート構造のFET)をスタックすることで、マルチFET構造のスイッチ回路が構成される。この実施形態では3段スタック構造のスイッチ回路について述べる。 Next, a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 21 and 22 are cross-sectional views showing the structure of the FET used in the semiconductor device according to the fifth embodiment. FIG. 23 shows a plurality of FETs shown in FIG. 21 and FIG. 22 (further shown in FIG. 24) connected in series. It is a circuit diagram which shows the comprised switch circuit. Here, a MOSFET is used as the FET. A multi-FET switch circuit is configured by stacking FETs (single-gate FETs). In this embodiment, a switch circuit having a three-stage stack structure will be described.
図21はソース電極側に配置される第1のFET204を、また図22はドレイン電極側に配置される第2のFET205を示している。なお、図24はこれら第1および第2のFET204、205の間に配置される第3のFET206を示している。第1、第2および第3のFET204、205、206は、Si基板等の半導体基板301上に一定の距離を離して設けられたソース電極302とドレイン電極303とを有している。
FIG. 21 shows the
ソース電極302とドレイン電極303との間には、半導体基板301上にゲート絶縁膜305を介してゲート電極304が形成されている。さらに、ソース電極302およびドレイン電極303上には、層間絶縁膜306や配線メタル308が配置されており、層間絶縁膜306にはソース電極302およびドレイン電極303と配線メタル308とを接続するコンタクトホール307が形成されている。第1のFET204はソース電極302と接続した配線メタル308がゲート電極304上まで伸長した構成を有している。また、第2のFET205はドレイン電極303と接続した配線メタル308がゲート電極304上まで伸長した構成を有している。
A
上述した配線メタル308がゲート電極304上まで伸長した場合の容量について計算する。図24に示すMOSFETについて、オフ状態(Vth=+0.8Vの場合、例えばVds=0V、Vgs=0V)のときのゲート−ソース間容量(Cgs0)とゲート−ドレイン間容量(Cgd0)は共に等しく、ゲート絶縁膜305をSiO2、厚さ6nm、ゲート長(Lg)0.25μmとしたとき、およそCgs=Cds=0.18pH/mmが得られる。それに対し、図21および図22のゲート電極304上の配線メタル308との容量(Cgsa、Cgda)は、層間絶縁膜をTEOS膜(εr=4)、厚さ0.05μmとすると、Cgsa=Cgda=0.177pF/mmとなる。すなわち、FET204のソース−ゲート間容量(Cgs204)は、Cgs204=Cgs0+Cgsa=0.357pH/mmとなる。同様に、FET205のドレイン−ゲート間容量(Cgd205)は、Cgd205=Cgd0+Cgda=0.357pF/mmとなる。
The capacity when the
図23は図21に示す第1のFET204と図22に示す第2のFET205と図24に示す第3のFET206を3段スタックさせたマルチFET構造のスルー型SPDTスイッチ回路を示している。図23のTr1からTr6はいずれも左側をソースとすると、初段のTr1とTr4には図21に示した第1のFET204が、最終段のTr3とTr6には図22に示した第2のFET205が、中間のTr2とTr5には図24に示した第3のFET206が用いられている。
FIG. 23 shows a through FET SPDT switch circuit having a multi-FET structure in which the
図23に示すスルー型SPDTスイッチ回路において、Tr1、Tr2およびTr3は直列に接続されており、さらにこれらの各ゲート電極はゲート付加抵抗Rggを介して制御端子Vc1に接続されている。Tr4、Tr5およびTr6も同様であり、これらは直列に接続されていると共に、各ゲート電極がゲート付加抵抗Rggを介して制御端子Vc2に接続されている。なお、Rdは各FETのドレイン、ソースの電位を同じにするために用いられ、10kΩ程度の抵抗であればよい。 In the through SPDT switch circuit shown in FIG. 23, Tr1, Tr2 and Tr3 are connected in series, and each of these gate electrodes is connected to the control terminal Vc1 via a gate additional resistor Rgg. The same applies to Tr4, Tr5 and Tr6, which are connected in series, and each gate electrode is connected to the control terminal Vc2 via a gate additional resistor Rgg. Rd is used to make the drain and source potentials of the FETs the same, and may be a resistance of about 10 kΩ.
図23に示すスルー型SPDTスイッチ回路は、P2あるいはP3に入力されたRF信号をVc1、Vc2の電位によって、P2、P3のどちらかのRF信号をP1に透過し、他方の信号を遮断する回路である。具体的には、Tr1、Tr2、Tr3、Tr4、Tr5、Tr6として、しきい値Vthが0.8V程度のFETを用意し、P1、P2、P3の電位に対してVc1の電位を2V以上にした場合に、Tr1、Tr2、Tr3がon状態、また0Vにした場合にTr4、Tr5、Tr6がoff状態になるようにしている。 The through SPDT switch circuit shown in FIG. 23 is a circuit that transmits the RF signal of either P2 or P3 to P1 and cuts off the other signal depending on the potential of Vc1 or Vc2 of the RF signal input to P2 or P3. It is. Specifically, FETs having a threshold value Vth of about 0.8 V were prepared as Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr5, Tr6, and the potential of Vc1 was set to 2 V or more with respect to the potentials of P1, P2, and P3. In this case, Tr1, Tr2, and Tr3 are turned on, and Tr4, Tr5, and Tr6 are turned off when the voltage is set to 0V.
図23の回路図において、6GHzの周波数でパワー特性を評価した。歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)は、通常のFETを用いた場合には15.5dBmであったのに対し、この実施形態では16.5dBmであった。このように、マルチトランジスタ構造における初段FET204のゲート電極304上に層間絶縁膜306を介してソース電極302と接続する配線メタル308を配置し、最終段FET205のゲート電極304上に層間絶縁膜306を介してドレイン電極302と接続する配線メタル308を配置する構造を適用することによって、高周波スイッチ回路の歪特性を改善することができる。
In the circuit diagram of FIG. 23, power characteristics were evaluated at a frequency of 6 GHz. The input power (Pin) in which the second harmonic (2fo) and third harmonic (3fo), which are distortion indicators, exceed -75dBc was 15.5dBm when using a normal FET. On the other hand, in this embodiment, it was 16.5 dBm. As described above, the
また、初段および中間FETとしてFET206を、最終段FETとしてFET205を使用する場合、全てFET205を使用したときと比較して3倍波高調波(3fo)が劣化し、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)が14.2dBmであった。初段FETとしてFET204、中間および最終段FETにFET206を使用した場合にも、全てFET205を使用したときと比較して3倍波高調波(3fo)が劣化し、歪の指標となる2倍波高調波(2fo)、3倍波高調波(3fo)が-75dBcを超える入力電力(Pin)が14.2dBmであった。このことから、初段および最終段のFET204、205を両方揃えて使用する必要があることが分かる。
Also, when
なお、この実施形態ではシングルゲート構造のFETを3段スタックする例について示したが、FETを2段以上スタックする場合において、高周波が透過する初段および最終段のFETのゲート電極上にオーミック電極に接続された配線メタルを伸長することで同様な効果が得られる。さらに、シャント型スイッチ回路や共振型スイッチ回路、多ポートスイッチ回路(SPnT)でも同様の効果があることは言うまでもない。なお、ここではFETとしてMOSFETを用いて説明したが、MESFET、HEMTであっても同様の効果があることは言うまでもない。 In this embodiment, an example of stacking three stages of FETs having a single gate structure is shown. However, when two or more stages of FETs are stacked, ohmic electrodes are formed on the gate electrodes of the first and last stage FETs through which high-frequency waves are transmitted. The same effect can be obtained by extending the connected wiring metal. Further, it goes without saying that a shunt type switch circuit, a resonance type switch circuit, and a multi-port switch circuit (SPnT) have the same effect. In addition, although it demonstrated using MOSFET as FET here, it cannot be overemphasized that it is the same effect even if it is MESFET and HEMT.
次に、本発明に関する第6の実施形態のスイッチ回路について、図25を参照して説明する。図25はGSMといった大電力の高周波を扱うSP4Tスイッチの回路図である。P1はアンテナに、P2は整合回路を経てGSM800MHz帯のパワーアンプ(PA)の出力端子に、P3は整合回路を経てGSM800MHzのローノイズアンプ(LNA)に、P4は整合回路を経てDCS1800のPAの出力端子に、P5は整合回路を経てDCS1800のLNAに接続される。RsdはFET(T1〜T10)のソース−ドレイン間のバイアスをほぼ同じにする役目をしており、通常10kΩ程度である。FETはHEMT、MESFET、MOSFETのいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。 Next, a switch circuit according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 25 is a circuit diagram of an SP4T switch that handles high power and high frequency such as GSM. P1 is an antenna, P2 is passed through a matching circuit to the output terminal of a GSM800MHz band power amplifier (PA), P3 is passed through a matching circuit to a GSM800MHz low-noise amplifier (LNA), and P4 is passed through a matching circuit to output the DCS1800 PA. The terminal P5 is connected to the LNA of the DCS 1800 through a matching circuit. Rsd serves to make the bias between the source and drain of the FETs (T1 to T10) substantially the same, and is usually about 10 kΩ. The FET may be any of HEMT, MESFET, and MOSFET, but here it is assumed to be HEMT.
T2〜T4、T6〜T10、T12〜T14、T16〜T20には図13に示したFET203を、T1、T11には図8に示したFET201を、T5、T15には図9に示したFET202を用いた。T1、T5、T11、T15のFETはいずれもRF端子(P1、P2、P4)に近い方のゲート電極のひさし部分が他方や図13に示したFETのひさし部分より長くなっている。これによって、RF端子(P2、P4)に近いFET(T1、T11)のゲート−ソース間容量密度Cgs1は、他のFETのゲート−ソース間容量密度Cgs2より大きくなっている。また、RF端子(P1)に近いFET(T5、T15)のゲート−ドレイン間容量Cgd5は、他のFETのゲート−ドレイン間容量密度Cgd2より大きくなっている。
The
次に、上述したCgs1がどれだけ他のFETのCgs2より大きくなったかを具体的に示す。第1のオーミックコンタクト層105が厚さ100nm、濃度5×1018cm-3のN−GaAs層、第2のオーミックコンタクト層104が厚さ30nm、濃度3×1018cm-3のn−GaAs層、第1の絶縁膜106がSiO2で、比誘電率4、厚さ0.15μm、通常のひさし部分長(w)を0.1μm、ひさし部分が長いFETのひさし部分長を1.0μmとし、ゲート電極のひさし部分とオーミックコンタクト層(105、106)間の容量について平行平板モデルを仮定する。通常のTゲートの場合、Cgs2=0.024pF/mmとなるのに対し、wsg1=1.0μmではCgs1=0.24pF/mmとなる。すなわち、ゲートのひさし部分長を長くすることによって、その間の容量密度が増加することが分かる。
Next, it is specifically shown how much the above-mentioned Cgs1 is larger than Cgs2 of other FETs. The first
次に、設計の観点からゲート幅を設定する方法を述べる。PAの出力に使用される端子は、PAから入力される大電力RF信号に対して低歪性であることが求められる。ここで、図26にゲート幅をパラメータにしたときの単体FETのon時において、一般的に2次高調波よりも3次高調波の方が高いため、3次高調波(3f0)が-75dBcを上回るPinを縦軸にプロットしてある。この図からPin=35dBmでも高線形性(3f0<-75dBc)を満たすためには、ゲート幅を3mm以上にしなければならないことが分かる。それに対して、受信側には大電力が挿入されることがなく、それよりもTxモード(送信モード)時にいかに遮蔽するかということ、すなわちアイソレーションが高いことが求められるため、Wgは仕様の挿入ロス(Insertion Loss)を満たせばいいので、例えばWg=0.8mmとする。 Next, a method for setting the gate width from the viewpoint of design will be described. The terminal used for the output of the PA is required to have low distortion with respect to the high-power RF signal input from the PA. Here, since the third harmonic is generally higher than the second harmonic when the single FET is turned on with the gate width as a parameter in FIG. 26, the third harmonic (3f0) is −75 dBc. The pin exceeding P is plotted on the vertical axis. From this figure, it is understood that the gate width must be 3 mm or more in order to satisfy the high linearity (3f0 <−75 dBc) even at Pin = 35 dBm. On the other hand, since no large power is inserted on the receiving side, it is required to be shielded in Tx mode (transmission mode), that is, to have high isolation. Since it is sufficient to satisfy the insertion loss, for example, Wg = 0.8 mm.
以上のパラメータを用いて、本実施形態が有効であることを説明する。FETがoff時に、このoff−FETによって反射される高周波に伴い発生する高次歪を、従来のFETと本発明の構造を採用したFETのWgに対してプロットした図を図27に示す。これは3次高調波(3f0)が-75dBcを上回るPinを縦軸にとったものである。これらの図から高次歪はWgと共に増加し、-75dBcという規格で制限すると従来構造のみでは2.0mm以下でなければならないのに対し、本発明の構造を使用すると6.0mm以下であればいいことが分かる。すなわち、従来構造の場合では-75dBcという規格を満たさないが、本発明の構造であればWg=3.0mmにすればよいことが分かる。なお、受信側に用いているゲート幅Wg=0.8mmでは2本で合せて1.6mmとなり、発生する歪が-75dBcをクリアする。 The effectiveness of the present embodiment will be described using the above parameters. FIG. 27 is a diagram in which high-order distortion generated with a high frequency reflected by the off-FET when the FET is off is plotted against Wg of the conventional FET and the FET adopting the structure of the present invention. This is the vertical axis of Pin where the third harmonic (3f0) exceeds -75 dBc. From these figures, the higher-order distortion increases with Wg, and when limited by the standard of -75 dBc, it should be 2.0 mm or less with the conventional structure alone, but with the structure of the present invention, it should be 6.0 mm or less. I understand. That is, in the case of the conventional structure, the standard of −75 dBc is not satisfied, but it can be seen that Wg = 3.0 mm may be used in the structure of the present invention. When the gate width Wg used on the receiving side is 0.8 mm, the two are combined to 1.6 mm, and the generated distortion clears -75 dBc.
次に、本実施形態が先行技術と比較して有効であることを示す。特開平11-136111号公報に記載された方法を用いる場合、Wg=3.0mmにするとCadd=0.24pF/mm×3.0mm=0.72pFのキャパシタが最低必要となる。このキャパシタをMIMで形成すると、層間絶縁膜をSiN(εr=7)、厚さ200nmとすると、約2300μm2の面積が必要である。すなわち、30μm幅×100μm長の面積が必要になる。ところが、本発明の構造を用いるとチップ面積の増大を引起さずに歪特性の改良が可能となる。 Next, it will be shown that this embodiment is more effective than the prior art. When using the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-136111, a capacitor of Cadd = 0.24 pF / mm × 3.0 mm = 0.72 pF is required when Wg = 3.0 mm. When this capacitor is formed of MIM, if the interlayer insulating film is SiN (εr = 7) and the thickness is 200 nm, an area of about 2300 μm 2 is required. That is, an area of 30 μm width × 100 μm length is required. However, when the structure of the present invention is used, the strain characteristics can be improved without causing an increase in the chip area.
本実施形態では送信2ポート、受信2ポートのSP4Tスイッチを例に挙げたが、送信2ポート以上または受信2ポート以上でも受信側のWgを調整することによって実現が可能である。また、本実施形態ではスルーFETのみの構成のスイッチを例に挙げたが、シャント型スイッチにすることでさらに歪を低下させることが可能であるため、シャント型スイッチ回路にしても有効である。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。 In the present embodiment, an SP4T switch having two transmission ports and two reception ports has been described as an example. However, it can be realized by adjusting the Wg on the reception side even with two or more transmission ports or two or more reception ports. In the present embodiment, a switch having only a through FET has been described as an example. However, since a distortion can be further reduced by using a shunt switch, the present invention is also effective for a shunt switch circuit. Moreover, although HEMT was used in this embodiment, it cannot be overemphasized that even if it uses MESFET, there exists the same effect.
次に、本発明に関する第7の実施形態のスイッチ回路について説明する。第7の実施形態も第6の実施形態と同じく図25に示す回路図で示される。図25はGSMといった大電力の高周波を扱うSP4Tスイッチの回路図である。P1はアンテナに、P2は整合回路を経てGSM800MHz帯のパワーアンプ(PA)の出力端子に、P3は整合回路を経てGSM800MHzのローノイズアンプ(LNA)に、P4は整合回路を経てDCS1800のPAの出力端子に、P5は整合回路を経てDCS1800のLNAに接続される。RsdはFET(T1〜T10)のソース−ドレイン間のバイアスをほぼ同じにする役目をしており、通常10kΩ程度である。FETはHEMT、MESFET、MOSFETのいずれでも構わないが、ここではHEMTとする。 Next, a switch circuit according to a seventh embodiment of the present invention will be described. Similarly to the sixth embodiment, the seventh embodiment is also shown in the circuit diagram shown in FIG. FIG. 25 is a circuit diagram of an SP4T switch that handles high power and high frequency such as GSM. P1 is an antenna, P2 is passed through a matching circuit to the output terminal of a GSM800MHz band power amplifier (PA), P3 is passed through a matching circuit to a GSM800MHz low-noise amplifier (LNA), and P4 is passed through a matching circuit to output the DCS1800 PA. The terminal P5 is connected to the LNA of the DCS 1800 through a matching circuit. Rsd serves to make the bias between the source and drain of the FETs (T1 to T10) substantially the same, and is usually about 10 kΩ. The FET may be any of HEMT, MESFET, and MOSFET, but here it is assumed to be HEMT.
T2〜T4、T6〜T10、T12〜T14、T16〜T20には図13に示したFET203を、T1、T11には図15に示したFET201を、T5、T15には図16に示したFET202を用いた。T1、T5、T11、T15のFETはいずれもRF端子(P1、P2、P4)に近い方のゲート電極のひさし部分が他方や図13のFETのひさし部分より長くなっていると共に、オーミック電極と接続している配線メタル111が第2の絶縁膜110を介してゲート電極211、221上に配置されている。このことによって、RF端子(P2、P4)に近いFET(T1、T11)のゲート−ソース間容量密度Cgs1は、他のFETのゲート−ソース間容量密度Cgs2より大きくなっている。また、RF端子P1に近いFET(T5、T15)のゲート−ドレイン間容量Cgd5は、他のFETのゲート−ドレイン間容量密度Cgd2より大きくなっている。
T2 to T4, T6 to T10, T12 to T14, and T16 to T20 are the
次に、上述したCgs1がどれだけ他のFETのCgs2より大きくなったかを具体的に示す。第1のオーミックコンタクト層105が厚さ100nm、濃度5×1018cm-3のN−GaAs層、第2のオーミックコンタクト層104が厚さ30nm、濃度3×1018cm-3のn−GaAs層、第1の絶縁膜106がSiO2で、比誘電率4、厚さ0.15μm、通常のひさし部分長(w)を0.1μm、ひさし部分が長いFETのひさし部分長を1.0μm、第2の絶縁膜110がSiNで、比誘電率7、厚さ0.20μmとし、ゲート電極のひさし部分とオーミックコンタクト層(104、105)間の容量およびゲート電極211、221と配線メタル111との間の容量について平行平板モデルを仮定する。通常のTゲートの場合、Cgs2=0.024pF/mmとなるのに対し、wsg1=1.0μmではゲート電極のひさし部分とオーミックコンタクト層間の容量密度が0.24pF/mm、ゲート長0.5μmとし、他方のゲート電極のひさし部分を0.1μmとしたときのゲート電極と配線メタル間の容量密度は0.50pF/mm、よってCgs1=0.74pF/mmとなる。すなわち、ゲートのひさし部分長を長くすることで、その間の容量密度が増加することが分かる。
Next, it is specifically shown how much the above-mentioned Cgs1 is larger than Cgs2 of other FETs. The first
次に、設計の観点からゲート幅を設定する方法を述べる。PAの出力に使用される端子は、PAから入力される大電力RF信号に対して低歪性であることが求められる。ここで、図26にゲート幅をパラメータにしたときの単体FETのon時において、一般的に2次高調波よりも3次高調波の方が高いため、3次高調波(3f0)が-75dBcを上回るPinを縦軸にプロットしてある。この図からPin=35dBmでも高線形性(3f0<-75dBc)を満たすためには、ゲート幅を3mm以上にしなければならないことが分かる。それに対して、受信側には大電力が挿入されることがなく、それよりもTxモード(送信モード)時にいかに遮蔽するかということ、すなわちアイソレーションが高いことが求められるため、Wgは仕様の挿入ロス(Insertion Loss)を満たせばいいので、例えばWg=0.8mmとする。 Next, a method for setting the gate width from the viewpoint of design will be described. The terminal used for the output of the PA is required to have low distortion with respect to the high-power RF signal input from the PA. Here, since the third harmonic is generally higher than the second harmonic when the single FET is turned on with the gate width as a parameter in FIG. 26, the third harmonic (3f0) is −75 dBc. The pin exceeding P is plotted on the vertical axis. From this figure, it is understood that the gate width must be 3 mm or more in order to satisfy the high linearity (3f0 <−75 dBc) even at Pin = 35 dBm. On the other hand, since no large power is inserted on the receiving side, it is required to be shielded in Tx mode (transmission mode), that is, to have high isolation. Since it is sufficient to satisfy the insertion loss, for example, Wg = 0.8 mm.
以上のパラメータを用いて、本実施形態が有効であることを説明する。FETがoff時に、このOff−FETによって反射される高周波に伴い発生する高次歪を、従来のFETと本発明のFET構造を採用したFETのWgに対してプロットした図を図27に示す。これは3次高調波(3f0)が-75dBcを上回るPinを縦軸にとったものである。これらの図から高次歪はWgと共に増加し、-75dBcという規格で制限すると従来構造のみでは2.0mm以下でなければならないのに対し、本発明の構造を使用すると6.0mm以下であればいいことが分かる。すなわち、従来構造の場合では-75dBcという規格を満たさないが、本発明の構造であればWg=3.0mmにすればよいことが分かる。なお、受信側に用いているゲート幅Wg=0.8mmでは2本で合せて1.6mmとなり、発生する歪が-75dBcをクリアする。 The effectiveness of the present embodiment will be described using the above parameters. FIG. 27 is a diagram in which high-order distortion generated along with the high frequency reflected by the Off-FET when the FET is off is plotted against Wg of the FET adopting the conventional FET and the FET structure of the present invention. This is the vertical axis of Pin where the third harmonic (3f0) exceeds -75 dBc. From these figures, the higher-order distortion increases with Wg, and when limited by the standard of -75 dBc, it should be 2.0 mm or less with the conventional structure alone, but with the structure of the present invention, it should be 6.0 mm or less. I understand. That is, in the case of the conventional structure, the standard of −75 dBc is not satisfied, but it can be seen that Wg = 3.0 mm may be used in the structure of the present invention. When the gate width Wg used on the receiving side is 0.8 mm, the two are combined to 1.6 mm, and the generated distortion clears -75 dBc.
次に、本実施形態が先行技術と比較して有効であることを示す。特開平11-136111号公報に記載された方法を用いる場合、Wg=3.0mmにするとCadd=0.74pF/mm×3.0mm=2.22pFのキャパシタが最低必要となる。このキャパシタをMIMで形成すると、層間絶縁膜をSiN(εr=7)、厚さ200nmとすると、約7100μm2の面積が必要である。すなわち、71μm幅×100μm長の面積が必要になる。ところが、本発明の構造を用いるとチップ面積の増大を引起さずに歪特性の改良が可能となる。 Next, it will be shown that this embodiment is more effective than the prior art. When using the method described in JP-A-11-136111, a capacitor of Cadd = 0.74 pF / mm × 3.0 mm = 2.22 pF is required at least when Wg = 3.0 mm. When this capacitor is formed of MIM, if the interlayer insulating film is SiN (εr = 7) and the thickness is 200 nm, an area of about 7100 μm 2 is required. That is, an area of 71 μm width × 100 μm length is required. However, when the structure of the present invention is used, the strain characteristics can be improved without causing an increase in the chip area.
本実施形態では送信2ポート、受信2ポートのSP4Tスイッチを例に挙げたが、送信2ポート以上または受信2ポート以上でも受信側のWgを調整することによって実現が可能である。また、本実施形態ではスルーFETのみの構成のスイッチを例に挙げたが、シャント型スイッチにすることでさらに歪を低下させることが可能であるため、シャント型スイッチ回路にしても有効であることは言うまでもない。また、本実施形態ではHEMTを用いたが、MESFETを用いても同様の効果があることは言うまでもない。 In the present embodiment, an SP4T switch having two transmission ports and two reception ports has been described as an example. However, it can be realized by adjusting the Wg on the reception side even with two or more transmission ports or two or more reception ports. In the present embodiment, a switch having only a through FET is taken as an example. However, since a distortion can be further reduced by using a shunt switch, it is also effective for a shunt switch circuit. Needless to say. Moreover, although HEMT was used in this embodiment, it cannot be overemphasized that even if it uses MESFET, there exists the same effect.
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、各種のマルチゲート構造のFETを用いた高周波スイッチ回路用半導体装置、あるいは各種のマルチFET構造の高周波スイッチ回路用半導体装置に適用することができる。そのような半導体装置についても、本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and is applied to a high-frequency switch circuit semiconductor device using various multi-gate FETs or various multi-FET semiconductor device for high-frequency switch circuits. be able to. Such a semiconductor device is also included in the present invention. The embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and the expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
100…マルチゲートFET、102,302…ソース電極、103,303…ドレイン電極、107…第1のゲート電極、108…第2のゲート電極、109…第3のゲート電極、201,204…初段FET、202,205…最終段FET、211,221,304…ゲート電極。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
初段の電界効果トランジスタのゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度と最終段の電界効果トランジスタのゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度とが、他のゲート電極とオーミック電極との間の寄生容量密度より大きいことを特徴とする半導体装置。 A high-frequency signal is input from one of the source and drain electrodes of a plurality of field effect transistors connected in series and output from the other, and is connected to the gate electrodes of the plurality of field effect transistors through resistors, respectively. In a semiconductor device for a high-frequency switch circuit that controls the passage and shielding of the high-frequency signal by the potential of the control terminal,
The parasitic capacitance density between the gate electrode and the ohmic electrode of the first stage field effect transistor and the parasitic capacitance density between the gate electrode and the ohmic electrode of the last stage field effect transistor are A semiconductor device characterized in that it is larger than the parasitic capacitance density.
オーミック電極に最も近いゲート電極と前記オーミック電極との間の寄生容量密度が、他のゲート電極とゲート電極間のノードとの間の寄生容量密度より大きいことを特徴とする半導体装置。 A high-frequency signal is input from one of the source electrode and the drain electrode of the field effect transistor and output from the other, and a plurality of gate electrodes provided between the source electrode and the drain electrode are respectively connected via resistors. In a semiconductor device for a high-frequency switch circuit that controls passage and shielding of the high-frequency signal by a potential of a connected control terminal,
A semiconductor device, wherein a parasitic capacitance density between a gate electrode closest to the ohmic electrode and the ohmic electrode is larger than a parasitic capacitance density between another gate electrode and a node between the gate electrodes.
前記送信用端子とアンテナ端子との間に、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置が配置されていることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device comprising a multi-port switch circuit having at least two transmission terminals and at least one reception terminal,
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device according to claim 1 is disposed between the transmission terminal and the antenna terminal.
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