JP2007116007A - Semiconductor power amplifier and method for manufacturing same - Google Patents
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本発明は、トランジスタ回路を用いた電力増幅器に関し、より特定的には、携帯電話を主とする高周波帯を利用した無線通信機器の信号送信部に用いられ、能動素子に高周波電力増幅特性に優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を用いた半導体電力増幅器、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power amplifier using a transistor circuit. More specifically, the present invention is used in a signal transmission unit of a radio communication device using a high frequency band mainly of a mobile phone and has excellent high frequency power amplification characteristics as an active element. The present invention relates to a semiconductor power amplifier using a heterojunction bipolar transistor (HBT) and a manufacturing method thereof.
一般的に、高周波信号の電力増幅器用の半導体においては、高周波特性に優れたガリウムヒ素(GaAs)やシリコンゲルマニウム(SiGe)を材料としたHBTの小さなセル構造を並列接続(多セル化)することによって、各トランジスタの出力を合成し高出力を得る回路構成としている。このHBTは、高出力動作をするとき、単位セルあたりの交流電流の電流密度が高くなるため発熱する。この発熱は、HBTによって均一ではないので、温度の高いHBTはさらに熱暴走して破壊に至る場合もある。 In general, in semiconductors for high-frequency signal power amplifiers, small cell structures of HBTs made of gallium arsenide (GaAs) or silicon germanium (SiGe) having excellent high-frequency characteristics are connected in parallel (multi-cells). Thus, a circuit configuration is obtained in which the outputs of the transistors are combined to obtain a high output. The HBT generates heat when performing a high output operation because the current density of the alternating current per unit cell increases. Since this heat generation is not uniform due to the HBT, the HBT having a high temperature may further break down due to thermal runaway.
そこで、この熱暴走の原因となる過剰なコレクタ電流を抑制するために、個々のHBTのエミッタに抵抗を設けることがよく行われる。このエミッタ抵抗が、多セルのHBTを均一に安定動作させるためのエミッタバラスト抵抗体と一般に言われるものである。 Therefore, in order to suppress an excessive collector current that causes this thermal runaway, it is often performed to provide a resistance at the emitter of each HBT. This emitter resistance is generally called an emitter ballast resistor for uniformly and stably operating a multi-cell HBT.
図5に、エミッタバラスト抵抗体を有する従来の多セルHBT構造を示す(特許文献1を参照)。各HBT400のエミッタ電極には、エミッタバラスト抵抗体410が設けられている。この構造により、周辺より発熱の多いHBTセルは、このエミッタバラスト抵抗体410によってコレクタ電流が抑制され、熱暴走に至らずに動作する。
しかしながら、このエミッタバラスト抵抗体には、次のような課題がある。エミッタバラスト抵抗体の抵抗値が過大であると、電力を出力する上で必要なコレクタ電流が流れるときの電力損失となるので、増幅利得が低下する。一方、エミッタバラスト抵抗体の抵抗値が過少であると、熱暴走抑制の効果に欠ける。つまり、増幅利得の低下を抑制することと熱暴走を抑制することとがトレードオフの関係にあり、これらを両立させることが困難であるという課題である。 However, this emitter ballast resistor has the following problems. If the resistance value of the emitter ballast resistor is excessive, a power loss occurs when a collector current necessary for outputting power flows, so that the amplification gain decreases. On the other hand, if the resistance value of the emitter ballast resistor is too small, the effect of suppressing thermal runaway is lacking. That is, there is a trade-off relationship between suppressing a decrease in amplification gain and suppressing thermal runaway, and it is a problem that it is difficult to achieve both.
このため、いわゆるベースバラスト抵抗体と言われる抵抗をトランジスタのベース側に挿入して、バイアス回路から供給されるベース電流を抑制するという方法も最近よく用いられている。しかし、このベースバラスト抵抗体を挿入する方法にも同様の課題がある。すなわち、ベース電流は小さな量であるので、熱暴走抑制の効果を上げるには大きな抵抗値が必要となるが、逆にバイアス回路からの電流供給能力を劣化させない、言い換えれば増幅利得を低下させないためには、小さな抵抗値が必要となるという課題である。 For this reason, a method of suppressing the base current supplied from the bias circuit by inserting a resistor called a so-called base ballast resistor on the base side of the transistor is often used recently. However, there is a similar problem in the method of inserting the base ballast resistor. In other words, since the base current is a small amount, a large resistance value is required to increase the thermal runaway suppression effect. However, the current supply capability from the bias circuit is not degraded, in other words, the amplification gain is not decreased. Is a problem that requires a small resistance value.
また、エミッタバラスト抵抗体を実現させる従来の技術は、HBTのエミッタ層に高抵抗層をエピタキシャル成長させることによって形成し、形成した高抵抗層をエミッタバラスト抵抗体として使用するというものである。しかしながら、このエミッタバラスト抵抗体は、半導体層で構成されるものであるため、温度上昇と共に抵抗値が減少してしまう。そのため、増幅器が高出力化したときの発熱によって温度が上昇した場合には、エミッタバラスト抵抗体の熱暴走に対する効果が抑制されてしまうという課題がある。 Further, a conventional technique for realizing an emitter ballast resistor is to form a high resistance layer on an emitter layer of an HBT by epitaxial growth and use the formed high resistance layer as an emitter ballast resistor. However, since this emitter ballast resistor is composed of a semiconductor layer, the resistance value decreases as the temperature rises. Therefore, when the temperature rises due to heat generation when the amplifier has a high output, there is a problem that the effect of the emitter ballast resistor on the thermal runaway is suppressed.
それ故に、本発明の目的は、トレードオフの関係にある増幅利得の向上(高出力動作)と熱暴走抑制効果の向上(安定動作)とを両立させた、半導体電力増幅器及びその製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor power amplifier and a method for manufacturing the same, in which an improvement in amplification gain (high output operation) and an improvement in thermal runaway suppression effect (stable operation) that are in a trade-off relationship are achieved. It is to be.
本発明は、電力増幅を行うセル回路を複数並列接続して構成される半導体電力増幅器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の半導体電力増幅器を構成するセル回路は、ベースに入力される信号をコレクタから増幅して出力するトランジスタと、トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第1のエミッタバラスト抵抗体と、トランジスタのエミッタと接地との間に第1のエミッタバラスト抵抗体と並列に接続される第2のエミッタバラスト抵抗体とを備える。そして、第1のエミッタバラスト抵抗体と、第2のエミッタバラスト抵抗体とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性に設定される。 The present invention is directed to a semiconductor power amplifier configured by connecting a plurality of cell circuits for performing power amplification in parallel. In order to achieve the above object, the cell circuit constituting the semiconductor power amplifier of the present invention is connected between a transistor that amplifies and outputs a signal input to the base from the collector, and the emitter of the transistor and the ground. And a second emitter ballast resistor connected in parallel with the first emitter ballast resistor between the emitter of the transistor and the ground. In addition, the first emitter ballast resistor and the second emitter ballast resistor are set to temperature characteristics in which the tendency of change in resistance value due to temperature change is contradictory.
例えば、第1のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が減少する温度特性を有する場合には、第2のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が増加する温度特性を有するように設定する。この場合、第1のエミッタバラスト抵抗体が半導体材料で形成され、第2のエミッタバラスト抵抗体が金属材料で形成されるのが典型的である。また、第1のエミッタバラスト抵抗体が、半導体基板上に形成されたトランジスタのサブコレクタ層を利用して形成されることが好ましい。 For example, when the first emitter ballast resistor has a temperature characteristic that the resistance value decreases as the temperature rises, the second emitter ballast resistor is set to have a temperature characteristic that the resistance value increases as the temperature rises. . In this case, the first emitter ballast resistor is typically made of a semiconductor material and the second emitter ballast resistor is typically made of a metal material. The first emitter ballast resistor is preferably formed using a sub-collector layer of a transistor formed on a semiconductor substrate.
この半導体電力増幅器を半導体基板上に形成する場合において、第1及び第2のエミッタバラスト抵抗体を製造する方法としては、トランジスタ領域のサブコレクタ層にコレクタ電極を形成すると同時に、トランジスタ領域以外の活性化されたサブコレクタ層の両端にコレクタ電極を設けて、第1のエミッタバラスト抵抗体を形成し、この形成された第1のエミッタバラスト抵抗体と並列して薄膜金属を蒸着し、第2のエミッタバラスト抵抗体を形成することが好ましい。 When this semiconductor power amplifier is formed on a semiconductor substrate, the first and second emitter ballast resistors can be manufactured by forming collector electrodes in the subcollector layer of the transistor region and at the same time, Collector electrodes are provided at both ends of the sub-collector layer formed to form a first emitter ballast resistor, thin film metal is evaporated in parallel with the formed first emitter ballast resistor, An emitter ballast resistor is preferably formed.
以上のように、本発明によれば、トランジスタのエミッタバラスト抵抗体を、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した2つの抵抗体による合成抵抗体で構成する。これにより、2つの抵抗体が、各々が有する温度特性上の欠点を補い合うように変化するため、合成抵抗体の温度依存性を小さくすることができ、トランジスタの熱暴走領域を回避することができる。 As described above, according to the present invention, the emitter ballast resistor of the transistor is composed of a combined resistor composed of two resistors having temperature characteristics in which the tendency of change in resistance value with temperature change is contradictory. As a result, the two resistors change so as to compensate for the disadvantages of the temperature characteristics of each, so that the temperature dependence of the combined resistor can be reduced and the thermal runaway region of the transistor can be avoided. .
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の構成を示す回路図である。図1に示すように、本発明の半導体電力増幅器は、複数の単位HBT構造10を並列接続した構造である。この単位HBT構造10は、HBT40と、第1のエミッタバラスト抵抗体41と、第2のエミッタバラスト抵抗体42とで構成される。各HBT40のコレクタ及びベースは、コレクタ端子2及びベース端子1にそれぞれ共通接続されている。各HBT40のエミッタは、並列接続された第1のエミッタバラスト抵抗体41及び第2のエミッタバラスト抵抗体42を介して、エミッタ(接地)端子3にそれぞれ接続される。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor power amplifier according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor power amplifier of the present invention has a structure in which a plurality of
なお、本実施形態では、HBT40を用いた半導体電力増幅器の構成を説明するが、一般的なトランジスタを用いた構成であってもよい。また、本実施形態では、単位HBT構造10を4つ並列に接続する構成を説明するが、接続する数は4つに限定されるものではなく幾つであっても構わない。
In the present embodiment, the configuration of the semiconductor power amplifier using the
第1のエミッタバラスト抵抗体41と第2のエミッタバラスト抵抗体42とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した材料で形成される。典型的には、第1のエミッタバラスト抵抗体41が半導体材料で形成され、第2のエミッタバラスト抵抗体42が金属材料で形成される。なお、金属材料は低抵抗率であるが、薄膜金属を用いることで数Ω程度の抵抗体を形成することが可能である。
The first
図2は、半導体材料で形成された第1のエミッタバラスト抵抗体41、及び金属材料で形成された第2のエミッタバラスト抵抗体42の、温度特性の一例を示す図である。
半導体材料で形成された第1のエミッタバラスト抵抗体41は、図2の点線で示すように、温度Tの上昇に伴って抵抗値Rが指数関数的に減少する温度特性を表す。この温度特性は、対数表示にしたときには1/Tの関数となり、その係数はエネルギーバンドギャップに比例する。一方、金属材料で形成された第2のエミッタバラスト抵抗体42は、図2の一点鎖線で示すように、温度Tの上昇に伴って抵抗値Rが一次関数的に変化する温度特性を表す。
FIG. 2 is a diagram showing an example of temperature characteristics of the first
The first
よって、この第1のエミッタバラスト抵抗体41と第2のエミッタバラスト抵抗体42とを並列接続することにより、第1のエミッタバラスト抵抗体41が有する半導体材料の温度上昇に従って抵抗値が減少してしまう欠点を、第2のエミッタバラスト抵抗体42が有する金属材料の温度上昇に従って抵抗値が増加してしまう欠点で緩和させることが可能となる。よって、第1のエミッタバラスト抵抗体41と第2のエミッタバラスト抵抗体42とによる合成抵抗値は、図2の実線で示すように温度依存性が小さいものとなる。
Therefore, by connecting the first
次に、上述した構成による本発明の半導体電力増幅器を半導体基板上で実現するための構造及び製造方法を、具体例を挙げて説明する。
図3Aは、半絶縁性半導体基板上に形成された本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の上面図である。図3Bは、図3Aにおけるa−a断面図である。図4A及び図4Bは、図3A及び図3Bで示した半導体電力増幅器を製造する手順を説明するための上面図及び断面図である。
Next, a structure and a manufacturing method for realizing the semiconductor power amplifier of the present invention having the above-described configuration on a semiconductor substrate will be described with specific examples.
FIG. 3A is a top view of a semiconductor power amplifier according to an embodiment of the present invention formed on a semi-insulating semiconductor substrate. 3B is a cross-sectional view taken along the line aa in FIG. 3A. 4A and 4B are a top view and a cross-sectional view for explaining a procedure for manufacturing the semiconductor power amplifier shown in FIGS. 3A and 3B.
まず、図3A及び図3Bを参照して、HBT40の構造を説明する。
エミッタ電極31がエミッタ層34の上に、ベース電極32がベース層35上に、それぞれ形成される。また、コレクタ電極33は、コレクタ層36のコンタクト層となるサブコレクタ層37の上に形成される。エミッタ層34及びコレクタ層36は、n型GaAsからなり、ベース層35は、p型GaAsからなる。サブコレクタ層37は、コンタクト層であるので、コレクタ層36より高濃度のn型GaAsからなる。エミッタ層34について、オーミックコンタクトを実現するために、エミッタ電極31との接合面にはInGaAs層が挿入され、ベース層35との整合面にはバンドギャップがGaAsよりも広いInGaP層が挿入される。これにより、ヘテロ接合面が形成される。エミッタ電極31は、WSiであり、ベース電極32は、Ti、Pt及びAuの合金であり、コレクタ電極33は、AuGe、Ni及びAuの合金である。
First, the structure of the
The
次に、図3A及び図3Bを参照して、各エミッタバラスト抵抗体の構造を説明する。
サブコレクタ層37を利用した第1のエミッタバラスト抵抗体41と、薄膜金属を利用した第2のエミッタバラスト抵抗体42とが、半絶縁性半導体基板50上に形成される。エミッタ電極31と第1のエミッタバラスト抵抗体41及び第2のエミッタバラスト抵抗体42の一方端とは、配線Aで接続され、その他方端は、接地されているビアホール43に配線Bで接続される。第1のエミッタバラスト抵抗体41は、高濃度の1018cm-3程度のサブコレクタ層37の10Ω程度のシート抵抗を利用したもので、図3Bのようにコレクタ電極33を両端に設けて、第1のエミッタバラスト抵抗体41の2つの端子として利用する。第2のエミッタバラスト抵抗体42は、Auの厚さ150nm程度の薄膜金属を利用して形成する。この薄膜金属の長さに対する幅の比を15程度にすることによって、数Ωの抵抗値にすることができる。
Next, the structure of each emitter ballast resistor will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.
A first
次に、図4A及び図4Bを参照して、半導体電力増幅器の製造方法を説明する。
まず、エピタキシャル成長させた半導体基板のエッチングと電極形成とを、一般的な製造方法によって行い、エミッタ層34上にエミッタ電極31を、ベース層35上にベース電極32をそれぞれ形成して、コレクタ層36を露出させる。工程(A1)及び(B1)を参照。
Next, a method for manufacturing a semiconductor power amplifier will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
First, etching and electrode formation of an epitaxially grown semiconductor substrate are performed by a general manufacturing method. An
次に、He等のイオンを注入することによって、不活性化した素子分離領域38を形成する。このとき、第1のエミッタバラスト抵抗体41を形成する領域45を、同時に形成する。工程(A2)及び(B2)を参照。
Next, an inactivated
次に、コレクタ層36をエッチングすることによってサブコレクタ層37を露出させ、コレクタ電極33を蒸着形成する。ここで、HBT領域のコレクタ電極33を形成するときに、エミッタバラスト抵抗体領域45の両端にもコレクタ電極33を同時に形成することによって、第1のエミッタバラスト抵抗体41が形成される。工程(A3)及び(B3)を参照。
Next, the
次に、第1のエミッタバラスト抵抗体41と並列して、薄膜金属を蒸着形成することによって、第2のエミッタバラスト抵抗体42を形成する。工程(A4)及び(B4)を参照。この工程によって、第1のエミッタバラスト抵抗体41と第2のエミッタバラスト抵抗体42とを並列接続した、合成エミッタバラスト抵抗体が形成される。
Next, a second
最後に、HBT40のエミッタ電極31と、第1のエミッタバラスト抵抗体41及び第2のエミッタバラスト抵抗体42の一方端とが、配線Aで接続される。また、第1のエミッタバラスト抵抗体41及び第2のエミッタバラスト抵抗体42の他方端は、接地されているビアホール43に配線Bで接続される。工程(A5)及び(B5)を参照。これにより、上述した構成による本発明の半導体電力増幅器が形成される。
Finally, the
以上のように、本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器によれば、HBTのエミッタバラスト抵抗体を、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した2つの抵抗体による合成抵抗体で構成する。これにより、2つの抵抗体が、各々が有する温度特性上の欠点を補い合うように変化するため、合成抵抗体の温度依存性を小さくすることができ、HBTの熱暴走領域を回避することができる。 As described above, according to the semiconductor power amplifier according to the embodiment of the present invention, the emitter ballast resistor of the HBT is formed by the two resistors having temperature characteristics in which the change tendency of the resistance value with the temperature change is contradictory. It is composed of a composite resistor. As a result, the two resistors change so as to compensate for the disadvantages of the temperature characteristics of each, so that the temperature dependence of the combined resistor can be reduced and the thermal runaway region of the HBT can be avoided. .
本発明の半導体電力増幅器及びその製造方法は、携帯電話を主とする高周波帯を利用した無線通信機器の信号送信部等に利用可能であり、特に高出力動作と安定動作とを両立させたい場合等に適している。 The semiconductor power amplifier and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used for a signal transmission unit or the like of a radio communication device using a high frequency band mainly of a mobile phone, and particularly when both high output operation and stable operation are desired. Suitable for etc.
1〜3 端子
10 単位HBT構造
31 エミッタ電極
32 ベース電極
33 コレクタ電極
34 エミッタ層
35 ベース層
36 コレクタ層
37 サブコレクタ層
40 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)
41、42 エミッタバラスト抵抗体
43 ビアホール
50 半絶縁性半導体基板
1-3
41, 42
Claims (5)
前記セル回路は、
ベースに入力される信号をコレクタから増幅して出力するトランジスタと、
前記トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第1のエミッタバラスト抵抗体と、
前記トランジスタのエミッタと接地との間に前記第1のエミッタバラスト抵抗体と並列に接続される第2のエミッタバラスト抵抗体とを備え、
前記第1のエミッタバラスト抵抗体と、前記第2のエミッタバラスト抵抗体とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性に設定されることを特徴とする、半導体電力増幅器。 A semiconductor power amplifier configured by connecting a plurality of cell circuits for performing power amplification in parallel,
The cell circuit is
A transistor that amplifies and outputs a signal input to the base from the collector;
A first emitter ballast resistor connected between the emitter of the transistor and ground;
A second emitter ballast resistor connected in parallel with the first emitter ballast resistor between the emitter of the transistor and ground;
2. The semiconductor power amplifier according to claim 1, wherein the first emitter ballast resistor and the second emitter ballast resistor are set to temperature characteristics in which the tendency of change in resistance value accompanying temperature change is contradictory.
トランジスタ領域のサブコレクタ層にコレクタ電極を形成すると同時に、トランジスタ領域以外の活性化されたサブコレクタ層の両端にコレクタ電極を設けて、前記第1のエミッタバラスト抵抗体を形成する工程と、
前記工程によって形成された前記第1のエミッタバラスト抵抗体と並列して薄膜金属を蒸着し、前記第2のエミッタバラスト抵抗体を形成する工程とを備える、製造方法。
On a semiconductor substrate, first and second emitter ballast resistors that are connected in parallel between the emitter of a transistor and ground and have temperature characteristics in which the tendency of change in resistance value due to temperature change are contradictory are manufactured. A method,
Forming a collector electrode on the sub-collector layer in the transistor region, and simultaneously forming collector electrodes on both ends of the activated sub-collector layer other than the transistor region to form the first emitter ballast resistor;
A method of forming a second emitter ballast resistor by depositing a thin film metal in parallel with the first emitter ballast resistor formed by the step.
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KR20210018538A (en) * | 2018-06-19 | 2021-02-17 | 누보톤 테크놀로지 재팬 가부시키가이샤 | Semiconductor device |
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KR20210018538A (en) * | 2018-06-19 | 2021-02-17 | 누보톤 테크놀로지 재팬 가부시키가이샤 | Semiconductor device |
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