JP2009081474A - Switching element and antenna switch circuit using the same, and high frequency module - Google Patents
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Description
本発明は、導通及び非導通が制御される電界効果トランジスタによるスイッチング素子に係り、特に電力が大きい信号を断続するのに好適なスイッチング素子並びにそれを用いたアンテナスイッチ回路及び高周波モジュールに関する。 The present invention relates to a switching element using a field effect transistor in which conduction and non-conduction are controlled, and more particularly to a switching element suitable for intermittently transmitting a signal with high power, and an antenna switch circuit and a high-frequency module using the switching element.
携帯端末等の無線通信機器において、送信と受信で1個のアンテナを共用し、アンテナスイッチによってアンテナへの接続を送受信で切り替えることが多く行なわれる。また、携帯端末等が複数の通信方式に対応する場合、アンテナスイッチは、複数の送信回路及び受信回路とアンテナとの接続を切り替えるように構成される。送信回路が出力する送信信号は、携帯電話では1Wを超える等、大電力となるのが普通であり、アンテナスイッチは、大電力の送信信号が高品質であり、かつ他の周波数帯の通信に悪影響を与える妨害波を含まないように性能が設定される。従って、アンテナスイッチとしてトランジスタによるスイッチ素子を用いる場合、スイッチ素子は、高耐圧であると共に、高調波歪みを低く抑えるように設計される。 In a wireless communication device such as a portable terminal, one antenna is commonly used for transmission and reception, and connection to the antenna is often switched by transmission and reception by an antenna switch. When the mobile terminal or the like is compatible with a plurality of communication methods, the antenna switch is configured to switch the connection between the plurality of transmission circuits and reception circuits and the antenna. The transmission signal output from the transmission circuit is usually high power, such as exceeding 1 W in a cellular phone, and the antenna switch is a high-quality transmission signal with high quality and can be used for communication in other frequency bands. The performance is set so as not to include disturbing waves that have an adverse effect. Therefore, when a switch element using a transistor is used as the antenna switch, the switch element is designed to have a high breakdown voltage and suppress harmonic distortion to a low level.
スイッチ素子に電界効果型トランジスタを用いる場合、2個のオーミック電極(ドレイン電極及びソース電極)の間に複数のゲートを配置したマルチゲートトランジスタを用いることによって耐電力性を向上させることや、或いはそれを多段接続することによって更に耐電力性を向上させることが一般的に行なわれる。マルチゲートトランジスタにおいて、ゲート電極間にゲート間領域として形成されるn+電極を抵抗値がn+電極より高い抵抗を介してオーミック電極に接続する構造の例が特許文献1に開示されている。4個のゲート電極を持つ構造の例を図16に示す。オーミック電極16,17の間に、ゲート電極18〜20とn+電極22〜24が配置され、n+電極22〜24が電位安定化用の抵抗25〜28を介してオーミック電極16,17に接続される。
When a field effect transistor is used for the switch element, the power durability can be improved by using a multi-gate transistor in which a plurality of gates are arranged between two ohmic electrodes (drain electrode and source electrode), or It is generally performed to further improve the power durability by connecting the multiple stages. In a multi-gate transistor,
図17に一般的な正電源駆動用SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ回路を示す。スイッチ回路は、1個の共通端子4と2個の入出力端子2,3を持つ。これを送受信回路を切り替えるアンテナスイッチ回路として用いる場合には、端子2が送信端子、端子3が受信端子、端子4がアンテナ端子とし用いられる。端子2と端子4の間及び端子3と端子4の間にそれぞれ電界効果型トランジスタからなるスイッチング素子5,6が備えられる。端子14,15はスイッチング素子5,6の制御端子である。コンデンサ7,8,9は高周波結合用、抵抗10,11は端子14,15へ送受信信号が漏れないようにするためのアイソレーション抵抗である。抵抗12,13は端子14,15から入力された制御信号がスイッチに均等に掛かるようにするためのバイアス抵抗である。
FIG. 17 shows a general positive power supply driving SPDT (Single Pole Double Throw) switch circuit. The switch circuit has one
送信端子2には送信回路から最大で1Wを超えるような大電力が入力される。このため、スイッチング素子5,6のそれぞれに2個のゲートを持つデュアルゲートトランジスタの2段を縦続接続した構造が採用される。
A large power exceeding 1 W at the maximum is input to the
送信時、端子15に0Vが、端子14に正の電圧が印加される。このとき、端子14と点aの間に順方向電圧が掛かるため、スイッチング素子5は導通状態となり、点aと端子15の間に逆方向電圧が掛かるため、スイッチング素子6は非導通状態となる。それにより、端子2に入力された送信信号は、スイッチング素子5を介してアンテナ端子4に出力される。スイッチング素子5では、バイアス抵抗12が接続されているオーミック電極とゲート電極との電位差は安定しているが、ゲート電極とゲート電極の間の電位は不安定である。この点の電位が不安定であると耐電力性が劣化し、高調波歪みが大きくなり易い。受信時は、端子14に0V、端子15に正の電圧が印加され、スイッチング素子5が非道通状態、スイッチング素子6が導通状態となる。それにより、アンテナ端子4から入力された受信信号は、スイッチング素子6を介して端子3に出力される。受信信号は微弱な信号であるため、高調波歪みは問題にならない。
During transmission, 0V is applied to the
先に述べたように、特許文献1に電位安定化用の抵抗25〜28を介してゲート間領域であるn+電極22〜24をオーミック電極16,17に接続したスイッチ素子が開示されている。しかし、このスイッチング素子には以下の問題点がある。
As described above,
まず、図16から分かるように、抵抗25〜28の幅に対してn+電極22〜24の幅が広くなっている。抵抗の幅は、標準の半導体プロセスでは幅3μm程度とするのが一般的であるから、n+電極22、23、24の幅は、3μm以上ということになる。このことは、ゲート間距離を小さくできないためオン抵抗が大きくなり、挿入損失が増大することを意味する。また、電位安定用の抵抗25〜28がゲート電極とオーミック電極との間、或いはゲート電極間に形成されるため、ゲート電極間の距離は大きくならざるを得ない。このこともオン抵抗が大きくなり挿入損失が増大することに繋がる。なお、本明細書においては、慣例に従ってゲート電極の幅は、図面の縦の方向の長手方向の大きさ、ゲート電極の長さは、図面の横の方向の大きさを指すこととする。但し、オーミック電極及びn+電極については、幅は図面の横の方向の大きさ、長さは図面の縦の方向の長手方向の大きさを指す。
First, as can be seen from FIG. 16, the widths of the n + electrodes 22 to 24 are wider than the widths of the
次に、スイッチング素子の許容電力を大きくするためにゲート幅を大きくする方法として、特許文献1に図16のスイッチング素子を3個並列に接続した構造が開示されている。この場合、電位安定用の抵抗をスイッチング素子毎に設けることになるので、その数が増え、並列接続構造を小型化することができない。更に、図18に示すように、同じオーミック電極の電極16aと電極16b、及び電極17aと電極17bを相互に接続するためのそれぞれ配線201a,201bを形成することになるが、配線201a,201bは、ゲート電極の引き出し線200a〜200d及び引き出し線200e〜200hと交差せざるを得ない。これにより、電極間容量をもたらす交差部202a〜202hが形成される。即ち、各ゲート電極と各オーミック電極間の容量が大きくなる。この容量は、スイッチング素子が非道通状態のときの挿入損失、アイソレーション劣化の原因となる。
Next, as a method of increasing the gate width in order to increase the allowable power of the switching element,
本発明の目的は、挿入損失を増大させることなくマルチゲートのゲート間の電位安定化が可能なスイッチング素子を提供すること、又はそれを用いたアンテナスイッチ回路を提供すること、或いはそれを用いた高周波モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a switching element capable of stabilizing the potential between the gates of multi-gates without increasing insertion loss, or to provide an antenna switch circuit using the same, or to use the same The object is to provide a high-frequency module.
上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタを成すように、半導体基板上に形成された2個のオーミック電極と、上記2個のオーミック電極の間に配置された少なくとも2個のゲート電極と、上記少なくとも2個のゲート電極のうちの隣り合うゲート電極の間に挟まれて配置された導電領域とを具備して成り、上記導電領域は、一端に、上記隣り合うゲート電極に挟まれている上記導電領域よりも幅が広い幅広部分を有し、上記隣り合うゲート電極の間の距離が上記幅広部分の幅よりも狭く、上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に抵抗が接続されている。抵抗を接続するための上記幅広部分即ち接続部の大きさに影響を受けることなくゲート電極間の距離を設定することが可能になる。従って、挿入損失を増大させないようにゲート電極間距離を小さくすることが可能になり、マルチゲートのゲート間の電位安定化が可能な低損失のスイッチング素子を提供することが期待される。 In order to achieve the above object, a switching element according to the present invention includes at least two ohmic electrodes formed on a semiconductor substrate and at least disposed between the two ohmic electrodes so as to form a field effect transistor. Two gate electrodes, and a conductive region disposed between adjacent gate electrodes of the at least two gate electrodes, the conductive region being adjacent to the one end at the one end. A wide portion wider than the conductive region sandwiched between the gate electrodes, and a distance between the adjacent gate electrodes is narrower than a width of the wide portion, and the two portions are interposed via the wide portions. A resistor is connected in series between the ohmic electrodes. The distance between the gate electrodes can be set without being affected by the size of the wide portion for connecting the resistor, that is, the size of the connecting portion. Therefore, it is possible to reduce the distance between the gate electrodes so as not to increase the insertion loss, and it is expected to provide a low-loss switching element capable of stabilizing the potential between the gates of the multigate.
上記目的を達成するための本発明のアンテナスイッチ回路は、送信信号を入力するための第1の端子と、アンテナに接続された第2の端子と、上記アンテナで受信した受信信号を出力するための第3の端子と、上記第1の端子と上記第2の端子との間に接続された第1の上記スイッチング素子と、上記第2の端子と上記第3の端子との間に接続された第2の上記スイッチング素子とを具備して成り、送信時に上記第1のスイッチング素子が導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が非導通状態になり、受信時に上記第1のスイッチング素子が非導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が導通状態になることを特徴とする。マルチゲートのゲート間の電位安定化が可能な低損失のスイッチング素子が用いられるため、電力が大きい送信信号の断続が可能でかつ送受信間で高いアイソレーションが得られるアンテナスイッチ回路の実現が期待される。従って、複数の通信回路とそれらに共通なアンテナとの接続を切り替える場合に用いて好適なアンテナスイッチ回路の実現が期待される。 To achieve the above object, an antenna switch circuit of the present invention outputs a first terminal for inputting a transmission signal, a second terminal connected to the antenna, and a reception signal received by the antenna. A third terminal, a first switching element connected between the first terminal and the second terminal, and a second terminal connected between the second terminal and the third terminal. And the second switching element is turned on during transmission and the second switching element is turned off during transmission, and the first switching element is turned on during reception. The second switching element is in a non-conduction state and the second switching element is in a conduction state. Since a low-loss switching element that can stabilize the potential between the gates of multi-gates is used, it is expected to realize an antenna switch circuit that can intermittently transmit a high-power transmission signal and obtain high isolation between transmission and reception. The Therefore, it is expected to realize an antenna switch circuit suitable for use in switching the connection between a plurality of communication circuits and an antenna common to them.
上記目的を達成するための本発明の高周波モジュールは、送信信号を増幅する第1の増幅器と、アンテナで受信した受信信号を増幅する第2の増幅器と、送信時に上記第1の増幅器が出力する上記送信信号を上記アンテナに送り、受信時に上記アンテナで受信した上記受信信号を上記第2の増幅器に送る上記アンテナスイッチ回路とを具備している。電力が大きい送信信号の断続が可能でかつ送受信間で高いアイソレーションが得られると共に、複数の通信回路とそれらに共通なアンテナとの接続を切り替える場合に用いて好適なアンテナスイッチ回路が用いられるので、例えば複数の通信方式に対応可能な携帯電話等の無線通信機器に搭載するのに好適な高周波モジュールの実現が期待される。 In order to achieve the above object, a high-frequency module of the present invention includes a first amplifier that amplifies a transmission signal, a second amplifier that amplifies a reception signal received by an antenna, and the first amplifier that outputs during transmission. And the antenna switch circuit for sending the transmission signal to the antenna and sending the reception signal received by the antenna to the second amplifier at the time of reception. Because a high power transmission signal can be interrupted and high isolation can be obtained between transmission and reception, and a suitable antenna switch circuit is used when switching the connection between a plurality of communication circuits and antennas common to them. For example, it is expected to realize a high-frequency module suitable for mounting on a wireless communication device such as a mobile phone that can handle a plurality of communication methods.
本発明によれば、挿入損失を増大させないようにゲート電極間距離を小さく設定することが可能になるので、挿入損失を増大させることなくマルチゲートのゲート間の電位安定化が可能なスイッチング素子が実現可能になる。 According to the present invention, since the distance between the gate electrodes can be set small so as not to increase the insertion loss, a switching element capable of stabilizing the potential between the gates of the multi-gate without increasing the insertion loss is provided. It becomes feasible.
以下、本発明に係るスイッチング素子並びにそれを用いたアンテナスイッチ回路及び高周波モジュールを図面に示した幾つかの実施形態を参照して更に詳細に説明する。 Hereinafter, a switching element according to the present invention, an antenna switch circuit using the same, and a high-frequency module will be described in more detail with reference to some embodiments shown in the drawings.
図1A及び図1Bに本発明の第1の実施形態を示す。本実施形態は、電界効果型トランジスタである高電子移動度トランジスタ(以下「HEMT:High Electron Mobility Transistor」という)によって形成されるデュアルゲート型のスイッチング素子である。本スイッチング素子は、例えば携帯電話等の移動体通信機器に搭載される高周波モジュールが備えるアンテナスイッチ回路において、主要素子として用いられる。 1A and 1B show a first embodiment of the present invention. The present embodiment is a dual gate type switching element formed by a high electron mobility transistor (hereinafter referred to as “HEMT: High Electron Mobility Transistor”) which is a field effect transistor. The switching element is used as a main element in an antenna switch circuit provided in a high-frequency module mounted on a mobile communication device such as a mobile phone.
図1Aに示すレイアウトにおいて、幅が5μmの2個のオーミック電極39,40の間に長さ0.5μm、ゲート電極間距離1.5μmのゲート電極41、42が形成されている。オーミック電極39とゲート電極41、オーミック電極40とゲート電極42の距離はそれぞれ1.0μmである。ゲート電極41,42の1端は、配線やバイアス供給用抵抗を接続するために長さが3〜5μm程度と太くなっている。他端は、オーミック電極の外側で異なる方向に延在している。素子分離領域43は、この部分までを含むように形成されている。
In the layout shown in FIG. 1A,
オーミック電極39,40に挟まれている領域のゲート電極41,42の間には幅0.5μmのn+層によるn+電極45があり、オーミック電極39,40の外側の素子分離領域43とゲート電極41,42に囲まれた部分のn+電極45は、幅広に形成されている。この幅広部分に電位安定用抵抗44,46の一端が接続され、電位安定用抵抗44の他端がオーミック電極39に接続され、電位安定用抵抗46の他端がオーミック電極40に接続されている。なお、電位安定用抵抗44,46がn+電極45に接続されることによってn+電極45への給電が行なわれ、n+電極45の幅広部分が給電点となる。
Between the
このようなレイアウトとすることにより、電位安定用抵抗44,46の配置に影響されずに、ゲート間距離を最小にしつつn+電極とオーミック電極とを抵抗接続することができる。
With such a layout, the n + electrode and the ohmic electrode can be resistance-connected while minimizing the distance between the gates without being affected by the arrangement of the
電位安定用抵抗44,46に薄膜抵抗層が用いられる。薄膜抵抗層は、図示されていないが別の配線層を使ってn+電極45の幅広部分に接続される。なお、電位安定用抵抗44,46はそれに限らず、n+電極45と同じ半導体層、又はその一部の半導体層を用いることができる。その場合は、電位安定用抵抗44,46となる半導体層は、n+電極45の幅広部分から連続して接続される。このように、n+電極45を電位安定用抵抗44,46に接続した本実施形態のスイッチング素子の回路図を図1Bに示す。
Thin film resistance layers are used for the
以下に本実施形態のスイッチング素子の製造工程を説明する。まず、図2に示すように、化合物半導体であるGaAsからなる半導体基板(以下、単に「基板」という)29上に例えば有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、バッファ層30、電子供給層31、チャネル層32、電子供給層33、ショットキー層(電子供給層)34、層間膜35及びn+層(n型キャップ層)36が順次エピタキシャル成長される。
The manufacturing process of the switching element of this embodiment will be described below. First, as shown in FIG. 2, a buffer layer is formed on a semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) 29 made of GaAs, which is a compound semiconductor, by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). 30, the
バッファ層30は、膜厚1000Å程度のノンドープのGaAs層、膜厚100Å程度のノンドープのAlGaAs(アルミニウムガリウムヒ素)層、膜厚500Å程度のノンドープのGaAs層及び膜厚3000Å程度のノンドープのAlGaAs層を下層から順次積層することで形成されている。
The
電子供給層31は、膜厚100Å程度のn+型AlGaAs層から形成されており、n型の導電型(第1導電型)を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が5×1017cm−3程度の濃度で導入されている。
The
チャネル層32は、膜厚30Å程度のノンドープのAlGaAs層、膜厚40Å程度のノンドープのGaAs層、膜厚80Å程度のノンドープのInGaAs層、膜厚40Å程度のノンドープのGaAs層及び膜厚30Å程度のノンドープのAlGaAs層を下層から順次積層することで形成されている。
The
電子供給層33は、膜厚100Å程度のn+型AlGaAs層から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が3×1018cm−3程度の濃度で導入されている。
The
ショットキー層34は、膜厚590Å程度のn+型AlGaAs層から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が2×1016cm−3程度の濃度で導入されている。
The
層間膜35は、膜厚30Å程度のn+型AlGaAs層から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が5×1018cm−3程度の濃度で導入されている。
The
n+層36は、膜厚1400Å程度のn+型GaAs層から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が5×1018cm−3程度の濃度で導入されている。 The n + layer 36 is formed of an n + type GaAs layer having a thickness of about 1400 mm, and impurity ions (for example, silicon ions) having an n type conductivity are introduced at a concentration of about 5 × 10 18 cm −3. ing.
以上のエピタキシャル結晶構造は、歪チャネルHEMT(以下「pHEMT:pseudomorphic HEMT」という)構造である。上記のエピタキシャル成長を行なった後、メサエッチング法によって素子分離が行なわれ、図3に示すように、所定の位置にn+層36とオーミック接触するオーミック電極37が形成される。オーミック電極37は、電界効果トランジスタのソース電極及びドレイン電極である。
The above epitaxial crystal structure is a strained channel HEMT (hereinafter referred to as “pHEMT: pseudomorphic HEMT”) structure. After performing the above epitaxial growth, element isolation is performed by a mesa etching method, and an
次に、ゲート電極を形成する箇所のn+層36及び層間膜35が除去される(図4)。続いて、ゲート電極38が形成される(図5)。ゲート電極38は、ゲート長を1.0μm以下とし、好ましくは0.5μm程度となる。また、ゲート電極38は、Pt(白金)を最下層とする金属層により形成され、例えば下層よりPt、Ti(チタン)、Pt、Au(金)を順次積層した金属層が用いられる。最下層のPtの厚さは約150Åである。このPt層は、以降の熱工程においてショットキー層34と反応し、約380Å程度埋め込まれ、埋め込み型ゲートとなる。なお、埋め込みを行なわないゲート電極を用いてもよく、その場合は下層よりTi、Pt、Auを順次積層した金属層が用いられる。また、この場合はショットキー層34の厚さが200Å程度に薄く形成される。
Next, the n + layer 36 and the
図5において、オーミック電極37間に2本のゲート電極38を有するデュアルゲート型素子の断面構造が示される。2本のゲート電極38の間には、n+電極となるn+層(n型キャップ層)36が配置される。このn+層36と隣接するゲート電極38との間隔は約0.5μm、n+層36の幅は約0.5μmである。ゲート電極とn+層との間隔、n+層の幅は任意に設計することが可能であるが、ゲート電極とn+層との間隔は、耐圧が維持できる範囲で近づける方がスイッチ動作時の挿入損失の観点から有利であり、およそ0.5μm程度が標準的な寸法である。またn+層の幅も挿入損失低減の観点から細くする方が有利であり、加工精度の点から0.5μm程度が標準的である。ゲート幅方向に伸びるn+層に給電することが本発明の要点であるが、n+層には殆んど電流は流れないため、n+層の抵抗は左程低くする必要はない。従って、50Ω/□程度のシート抵抗を有する通常のn+層を用いる場合、幅は0.5μm程度あれば十分である。このことは、オーミック電極間にゲート電極を3本以上有するマルチゲート型素子の場合も同様である。なお、ゲート電極間の層は、n+層に限定されず、広く導電領域とすることができる。導電領域の材料は、上記したように、導電領域に殆んど電流は流れないことを前提に設定される。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a dual gate type device having two
以上により、電界効果型トランジスタの主要製造工程を説明した。この後、基板29上に抵抗素子や容量素子を集積化して形成し、必要な配線を施し最後にパッシベーション膜を形成することにより、チップの主面(素子形成面)の工程が終了する。最後に、基板厚さを100μm程度に適宜薄くし、基板より切り出すことにより、チップが完成する。
The main manufacturing process of the field effect transistor has been described above. Thereafter, a resistance element and a capacitive element are integrated and formed on the
上記の製造工程によって作製される電界効果型トランジスタはpHEMTであるが、本発明はこれに限定されず、例えば歪緩和HEMT(以下「mHEMT:metamorphic HEMT」という)とすることができる。以下に電界効果型トランジスタをmHEMTとした場合のスイッチング素子の製造工程を説明する。 The field effect transistor manufactured by the above manufacturing process is a pHEMT, but the present invention is not limited to this, and can be, for example, a strain relaxation HEMT (hereinafter referred to as “mHEMT: metamorphic HEMT”). A manufacturing process of the switching element when the field effect transistor is mHEMT will be described below.
図2において、バッファ層30としてInAlAs層のInAs混晶比を0から所望の値まで連続的或いは階段的に増加させた層が挿入され、結晶の格子定数差により生じる転位がバッファ層30内に閉じ込められるようにする。InAs混晶比をどこまで増大させるかは用いるInGaAsチャネルの組成によって決まり、ここではInGaAsチャネルのInAs混晶比は約0.4であり、バッファ層30のInAs混晶比も約0.4まで増大される。電子供給層31は本製造工程では挿入されない。
In FIG. 2, a layer in which the InAs mixed crystal ratio of the InAlAs layer is continuously or stepwise increased from 0 to a desired value is inserted as the
チャネル層32は、厚さ200ÅのノンドープInGaAs層(InAs混晶比約0.4)とスペーサ層として厚さ20ÅのノンドープInAlAs層(InAs混晶比約0.4)を順次積層することで形成されている。
The
電子供給層33は、膜厚100Å程度のn+型InAlAs層(InAs混晶比約0.4)で形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が3×1018cm−3程度の濃度で導入されている。
The
ショットキー層34は、膜厚330Å程度のn+型InAlAs層(InAs混晶比約0.4)から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が2×1016cm−3程度の濃度で導入されている。
The
層間膜35は、膜厚50Å程度のn+型InP層から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が5×1018cm−3程度の濃度で導入されている。
The
n+層(n型キャップ層)36は、膜厚1400Å程度のn+型InGaAs層(InAs混晶比約0.4)から形成されており、n型の導電型を有する不純物イオン(たとえばシリコンイオン)が5×1018cm−3程度の濃度で導入されている。 The n + layer (n-type cap layer) 36 is formed from an n + -type InGaAs layer (InAs mixed crystal ratio of about 0.4) having a film thickness of about 1400 mm, and has impurity ions (for example, silicon) having an n-type conductivity type. Ions) are introduced at a concentration of about 5 × 10 18 cm −3 .
次に、pHEMTの場合と同様、オーミック電極37を形成後(図3)、ゲート電極を形成する箇所のn+層36及び層間膜35が除去される(図4)。続いて、ゲート電極38が形成される(図5)。ゲート電極38には、Ptを最下層とする金属層(Pt、Ti、Pt、Auを順次積層した金属層)が用いられる。最下層のPtの厚さは約50Åである。このPt層は、以降の熱工程においてショットキー層34と反応し埋め込まれる。mHEMTでは、InAlAs上に形成されるゲート電極のショットキー障壁高さを十分高くすることにより、リーク電流が抑えられるため、仕事関数が大きく高いショットキー障壁が得られるPtゲートがよく用いられる。本製造工程でもこのPtゲートが用いられる。即ち、mHEMTを用いるスイッチ回路では、ゲート電極のリーク電流低減の観点からPtゲートが好適である。加えて、この仕事関数が大きく高いショットキー障壁が得られるPtゲートは、Ptを用いる埋め込みゲートで問題になりやすいオフ容量の電圧依存性の問題が回避されるので、本発明に有効である。
Next, as in the case of pHEMT, after the
ゲート電極38とn+層36との間隔、n+層36の幅については、先の製造工程の場合と同様に、それぞれ0.5μm程度に設定される。
The distance between the
本製造工程によって形成されるmHEMTは、pHEMTに比べ電子移動度が20%以上大きい。このためデバイスのオン抵抗Ronが小さくなり、スイッチ回路における挿入損失の低減が図れる。Ptゲートを用いることにより問題になりやすいオフ容量の電圧依存性の問題も回避することができ、高調波歪も低く抑えることができる。 The mHEMT formed by this manufacturing process has an electron mobility of 20% or more higher than that of pHEMT. For this reason, the on-resistance Ron of the device is reduced, and the insertion loss in the switch circuit can be reduced. By using a Pt gate, the problem of voltage dependency of off-capacitance that tends to be a problem can be avoided, and harmonic distortion can be suppressed low.
以上、本実施形態ではGaAsを用いたpHEMT及びmHEMTによるスイッチング素子の場合について説明したが、本発明はその他の電界効果型トランジスタスイッチング素子についても同様に適用することができる。例えば、本発明はチャネル層にGaNやInGaN層を用いた電界効果型トランジスタスイッチング素子に適用可能である。 As described above, in the present embodiment, the case of the switching element by pHEMT and mHEMT using GaAs has been described, but the present invention can be similarly applied to other field-effect transistor switching elements. For example, the present invention is applicable to a field effect transistor switching element using a GaN or InGaN layer as a channel layer.
図6に本発明の第2の実施形態を示す。本実施形態は、第1の実施形態に対してゲート幅を大きくしたスイッチング素子である。製造工程は、第1の実施形態の場合と同様である。 FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. The present embodiment is a switching element having a larger gate width than the first embodiment. The manufacturing process is the same as that in the first embodiment.
図6において、幅5μmのオーミック電極39,40が櫛歯状に噛み合うように配置され、その櫛歯の間を這うようにゲート長0.5μmのゲート電極41,42がゲート間距離1.5μmを保ちつつ、かつ、n+電極となるn+層45を挟んでメアンダ状に形成される。このとき、オーミック電極39とゲート電極41及オーミック電極40とゲート電極42の距離は、それぞれ1μm、n+層45とゲート電極41と42との距離は、それぞれ0.5μmである。
In FIG. 6,
ゲート電極41,42の一端は配線やバイアス供給用抵抗との接続のために、長さが3〜5μmと太くなっている。他端はオーミック電極の外側まで延在しており、オーミック電極外側のゲート電極41,42は、オーミック電極内側のゲート電極41,42とは異なる方向に延在する。素子分離領域43はこの部分までを含むように形成される。
One end of each of the
これにより、オーミック電極外側ではn+電極45の幅を0.5μmより太くすることができる。従って、異なる方向に延在したゲート電極41、42と素子分離領域43で囲まれたn+層45の領域の広さは、抵抗を接続するのに十分な面積を確保することが可能な広さになる。この部分のn+電極45の幅は、通常は3μm程度となる。電位安定用抵抗44でオーミック電極39とn+層45とが接続され、電位安定用抵抗46でオーミック電極40とn+層45が接続される。
Thereby, the width of the n + electrode 45 can be made thicker than 0.5 μm outside the ohmic electrode. Therefore, the area of the n + layer 45 surrounded by the
以上の構造において、ゲート電極41,42がオーミック電極39,40と3回に分けて挟まれ、それにより図1Aに示したスイッチング素子の3個が直列に接続されたことになり、総ゲート幅が3倍に増える。なお、オーミック電極39,40の櫛歯の歯数を増やしてゲート幅を更に増やしても、n+電極45と電位安定用抵抗44、46との接続点は少なくとも1箇所あればよい。図18に示した従来例では、並列数に比例して電位安定用抵抗の数が増えたが、本実施形態では、そのような数の増加は無い。従って、以上の手法により、ゲート間距離を最小に抑えつつ、ゲート幅の増大に対して最小の面積増加に抑えることができる。
In the above structure, the
更に、上記構造は、図18に示した従来の構造のようなゲート電極の引き出し線とオーミック電極の相互接続線とが交差する交差部を持たない。従って、ゲート電極とオーミック電極の間の容量増加はなく、容量増加による、スイッチング素子が非道通状態のときの挿入損失の増大及びアイソレーション劣化が回避される。 Further, the above structure does not have a crossing portion where the lead-out line of the gate electrode and the interconnection line of the ohmic electrode cross like the conventional structure shown in FIG. Therefore, there is no increase in capacitance between the gate electrode and the ohmic electrode, and an increase in insertion loss and isolation deterioration when the switching element is in the non-passing state due to the increase in capacitance are avoided.
ここで、図7に図6中のA−A線による断面の鳥瞰図を示す。図中の番号は、図6と一致する。電位安定化抵抗素子44、46の図示は省略した。素子分離領域43の外側は半導体上面を削るため領域近辺は斜面が形成される。ゲート電極41,42はこの斜面を越えた所まで伸ばして形成することで、ゲート電極−オーミック電極間の領域と、ゲート電極−n+電極間の領域とが分離される。
Here, FIG. 7 shows a bird's-eye view of a cross section taken along line AA in FIG. The numbers in the figure correspond to those in FIG. The illustration of the potential stabilizing
図8A及び図8Bに本発明の第3の実施形態を示す。本実施形態は、ゲート電極を3個にしたトリプルゲート型素子である。製造工程は、形成するゲート電極及びn+層が異なるが、第1の実施形態の場合と基本的には同様である。 8A and 8B show a third embodiment of the present invention. The present embodiment is a triple gate type element having three gate electrodes. The manufacturing process is basically the same as in the first embodiment, although the gate electrode and n + layer to be formed are different.
図8Aに示すレイアウトの一例において、オーミック電極39,40の間にゲート電極41,42,47が配置され、各ゲート電極間にはn+層45,48が配置される。この例では図6の第2の実施形態の場合とは異なり、阻止分離領域43でオーミック電極全体が覆われる。これにより、メアンダ部分も電界効果トランジスタとして動作するため、同じ素子面積でオン抵抗を低減することができる。ゲート電極41,42はオーミック電極の外側で異なる方向に延在し、ゲート電極47はそのまま延在させることでゲート電極間が広くなる。そのため、そのゲート電極41,42,47と素子分離領域43とで囲まれた領域には幅広なn+層45,48が形成される。この幅広なn+層45とオーミック電極39、n+層45とn+層48、n+層48とオーミック電極40をそれぞれ電位安定用抵抗(図示されない)で接続することで、オーミック電極とゲート電極、ゲート電極とn+層の電位は同じになり、ゲート電極の電位が安定する。図8Bに本実施形態のスイッチング素子の回路図を示す。
In the example of the layout shown in FIG. 8A,
ここで、図9に、本発明のスイッチング素子を導通状態にし、ゲート間距離を変えたときの挿入損失の変化を計算した結果示す。計算に用いたスイッチ素子は、デュアルゲート2段である。ゲート幅は1mm、オーミック電極とゲート電極間の距離は1μm、ゲート電極とn+電極間の距離はそれぞれ0.5μmで固定される。n+電極幅を変えることでゲート電極間の距離のみが変化する。 Here, FIG. 9 shows the calculation result of the change in insertion loss when the switching element of the present invention is turned on and the distance between the gates is changed. The switch element used for the calculation has two stages of dual gates. The gate width is fixed at 1 mm, the distance between the ohmic electrode and the gate electrode is 1 μm, and the distance between the gate electrode and the n + electrode is fixed at 0.5 μm. Only the distance between the gate electrodes changes by changing the n + electrode width.
第1,2,3の実施形態では、ゲート間距離は1.5μmでn+電極幅は0.5μmである。これに相当する挿入損失は約0.28dBとなる。n+電極幅を3μmに増やすと損失は0.4dBに増え、更にn+電極幅を5μmにすると、損失は0.5dBに増大する。以上の結果、ゲート電極間を最小にすることでトランジスタのオン抵抗が最小になり、挿入損失が最小になることが実証された。 In the first, second, and third embodiments, the distance between the gates is 1.5 μm and the n + electrode width is 0.5 μm. The corresponding insertion loss is about 0.28 dB. When the n + electrode width is increased to 3 μm, the loss increases to 0.4 dB, and when the n + electrode width is further increased to 5 μm, the loss increases to 0.5 dB. As a result, it was demonstrated that the on-resistance of the transistor is minimized and the insertion loss is minimized by minimizing the distance between the gate electrodes.
このように、本発明では挿入損失や素子面積を増やすことなく耐電力性を向上させることができるが、もう一つの重要な効果である高調波歪みの低減について次に説明する。 As described above, according to the present invention, the power durability can be improved without increasing the insertion loss and the element area, and the reduction of harmonic distortion, which is another important effect, will be described below.
図10A〜10Dに、図1Aに示した本発明のn+電極に給電するスイッチング素子と、図1Aに示したスイッチ回路においてn+電極に給電しない、従ってゲート間電位が安定していない一般的なスイッチング素子とについて、それぞれを伝送路に非道通状態で並列接続したときの2次高調波歪み(2HD)、3次高調波歪み(3HD)の入力電力(Pin)依存性の実測結果を示す。周波数は1910MHzとした。図10A,10Bが本発明のスイッチング素子のそれぞれ2次高調波歪み及び3次高調波歪みであり、図10C,10Dが一般的なスイッチング素子のそれぞれ2次高調波歪み及び3次高調波歪みである
図11に本発明のスイッチング素子を使った高調波歪みの測定回路図を示す。スイッチング素子54は、n+電極に給電するデュアルゲート2段構成である。入力端子49と出力端子50の間の伝送路と接地の間に本発明のデュアルゲート2段構成のスイッチング素子54が接続される。端子51と端子56は、バイアス供給用の端子である。コンデンサ53は高周波結合用、抵抗52、57は高周波漏洩阻止と直流成分結合のために用いられる。オーミック電極間をゲート電極間のn+電極を経て接続される抵抗55は、各段に均等にバイアスがかかるようにするための抵抗である。
10A to 10D, the switching element for supplying power to the n + electrode of the present invention shown in FIG. 1A and the switching circuit shown in FIG. 1A do not supply power to the n + electrode, and therefore the potential between the gates is not stable. The measurement results of the dependence of the second harmonic distortion (2HD) and the third harmonic distortion (3HD) on the input power (Pin) when each switching element is connected in parallel to the transmission line in a non-passing state are shown. . The frequency was 1910 MHz. 10A and 10B are second harmonic distortion and third harmonic distortion of the switching element of the present invention, respectively. FIGS. 10C and 10D are second harmonic distortion and third harmonic distortion of a general switching element, respectively. FIG. 11 shows a measurement circuit diagram of harmonic distortion using the switching element of the present invention. The switching
図12に一般的なスイッチング素子を使った高調波歪みの測定回路図を示す。スイッチング素子54は、n+電極に給電しないデュアルゲート2段構成である。図11のスイッチング素子と異なり、抵抗55がn+電極を経ないでオーミック電極間に接続される。
FIG. 12 shows a measurement circuit diagram of harmonic distortion using a general switching element. The switching
図10A〜10Dに示されるように、入力電力が低い点から本発明のスイッチは高調波歪みが小さく、35dBm入力においても高調波歪が低い。本発明及び一般的なスイッチング素子はいずれもバイアスをV1,V2,V3と深くするに従って高調波歪みが改善されるが、本発明のスイッチング素子ではバイアスに対する高調波歪みの変化が大きく、高調波歪みの改善の度合いが大きいことが確認される。このスイッチング素子における非同通状態の高調波歪みの改善について、図13及び図14を使って説明する。 As shown in FIGS. 10A to 10D, the switch of the present invention has low harmonic distortion because of low input power, and low harmonic distortion even at 35 dBm input. In the present invention and the general switching element, the harmonic distortion is improved as the bias is deepened to V1, V2, and V3. However, in the switching element of the present invention, the change of the harmonic distortion with respect to the bias is large. It is confirmed that the degree of improvement is large. The improvement of the harmonic distortion in the non-concurrent state in the switching element will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
図13は、オーミック電極とゲート電極との間の容量のオーミック電極−ゲート電極間電圧依存性を示し、図14は、ゲート電極と同電極間に配置されるn+電極との間の容量のゲート電極−n+電極間電圧依存性を示す。どちらの図も、容量は、トランジスタがオフする電圧よりも低い電圧において、電圧を下げると共に小さく低下する。また、この容量の変化は、電圧がオフ電圧に近づくに従って大きくなる。このようなオフ時の容量が呈する電圧依存性がオフ状態のトランジスタから発生する高調波歪の原因となる。特に、第1,2,3の実施形態の本実施形態で採用したPt埋め込み型のゲート電極の場合、ゲート電極底面が完全にフラットにならないために、オフ容量の電圧依存性が大きくなる傾向にある。即ち、オフ状態のトランジスタの高調波歪が大きくなる傾向にある。但し、Pt埋め込み型ではゲート側方の寄生部分の抵抗が小さくなるためオン状態のトランジスタにおける挿入損失低減と高調波歪低減には有利である。 FIG. 13 shows the dependence of the capacitance between the ohmic electrode and the gate electrode on the voltage between the ohmic electrode and the gate electrode, and FIG. 14 shows the capacitance between the gate electrode and the n + electrode arranged between the same electrodes. The gate electrode-n + interelectrode voltage dependency is shown. In both figures, the capacitance decreases with decreasing voltage at a voltage lower than the voltage at which the transistor is turned off. In addition, the change in capacitance increases as the voltage approaches the off voltage. Such voltage dependence exhibited by the off-state capacitance causes harmonic distortion generated from the off-state transistor. In particular, in the case of the Pt buried type gate electrode employed in the present embodiment of the first, second, and third embodiments, the bottom surface of the gate electrode is not completely flat, and thus the voltage dependency of the off capacitance tends to increase. is there. That is, the harmonic distortion of the off-state transistor tends to increase. However, the Pt buried type is advantageous in reducing insertion loss and harmonic distortion in an on-state transistor because the resistance of the parasitic part on the side of the gate is reduced.
図12の回路の場合、即ちn+電極に給電せずに電位が不安定な部分がある場合、端子51にVcなるスイッチのオフ電圧を印加したとき、オーミック電極とゲート電極との間は図13の点bにバイアスされる。しかし、n+電極とゲートとの間は図14の点cにバイアスされ、チャネルがオフする電圧に近い電圧になる。そのため、オフ容量の電圧依存性が大きく、高周波電力が通過する際に大きい高調波歪が発生する。 In the case of the circuit of FIG. 12, that is, when there is a portion where the potential is unstable without supplying power to the n + electrode, when the switch-off voltage of Vc is applied to the terminal 51, the gap between the ohmic electrode and the gate electrode is Biased to 13 points b. However, the voltage between the n + electrode and the gate is biased to a point c in FIG. 14, and becomes a voltage close to the voltage at which the channel is turned off. For this reason, the voltage dependence of the off-capacitance is large, and large harmonic distortion occurs when high-frequency power passes.
図11に示す本発明のスイッチング素子ではn+電極に給電しているため、オーミック電極とゲート電極との間は図13のb点にバイアスされ、ゲート電極とn+電極との間は図14の点dにバイアスされる。そのため、いずれもオフ容量の電圧依存性が小さい領域でバイアスされるため高調波歪の発生が抑えられる。即ち本実施形態のようにオフ容量の電圧依存性が大きいPt埋め込み型ゲート電極を有する素子においても高調波の発生を抑えつつ、Pt埋め込みのメリットであるオン状態での低挿入損失と低歪を享受することができる。また、図13及び図14に示されるように、バイアスを深くしていくとオフ容量のバイアス依存性が小さくなり、オフ動作領域が広くなるため高調波歪みが改善し耐電力性が向上する。 In the switching element of the present invention shown in FIG. 11, since power is supplied to the n + electrode, the gap between the ohmic electrode and the gate electrode is biased to the point b in FIG. 13, and the gap between the gate electrode and the n + electrode is FIG. Biased to point d. For this reason, since the bias is biased in a region where the voltage dependence of the off capacitance is small, the generation of harmonic distortion can be suppressed. That is, in the element having the Pt buried type gate electrode in which the voltage dependence of the off capacitance is large as in the present embodiment, the low insertion loss and the low distortion in the on state which are the merits of Pt embedding are suppressed while suppressing the generation of harmonics. You can enjoy it. Further, as shown in FIGS. 13 and 14, when the bias is deepened, the bias dependency of the off capacitance is reduced, and the off operation region is widened, so that the harmonic distortion is improved and the power durability is improved.
本実施形態ではPt埋め込み型ゲートを有するトランジスタの場合について説明したが、埋め込みを行なわないゲートを用いる場合においても、n+電極に給電する本発明の適用により、挿入損失やチップ面積の増大を抑えつつ高調波歪を抑えられる点は同様である。また、高調波の抑制以外に、大電力入力時にオフ状態が崩れにくくなり、耐電力性が向上する効果もある。 In this embodiment, the case of a transistor having a Pt buried type gate has been described, but even when a gate without embedding is used, the application of the present invention in which power is supplied to the n + electrode suppresses an increase in insertion loss and chip area. The same is true in that harmonic distortion can be suppressed. In addition to the suppression of harmonics, the OFF state is less likely to collapse when high power is input, and there is an effect of improving power durability.
次に、n+電極の抵抗と同n+電極とオーミック電極を結ぶ電位安定用抵抗との大小関係について説明する。例えば総ゲート幅を2mmとする場合、n+電極であるn+層のシート抵抗を50Ω/□とすると、幅0.5μm、長さ2mmのn+層の抵抗は200KΩとなるが、給電点をn+層の一方の端に一点のみ形成する場合、電界効果型トランジスタに対する実効的な抵抗はその1/2と考えられ、100kΩとなる。 Next, a description will be given magnitude relationship between the potential stabilizing resistor connecting the n + electrode and the ohmic electrode and the resistance of the n + electrodes. For example, when the total gate width is 2mm, when the sheet resistance of the n + layer and n + electrode and 50 [Omega / □, width 0.5 [mu] m, the resistance of the n + layer of length 2mm is a 200 k [Omega], the feeding point When only one point is formed at one end of the n + layer, the effective resistance to the field effect transistor is considered to be ½ thereof, and becomes 100 kΩ.
ところで、特許文献1では、n+層とオーミック電極との間にn+層の抵抗値より大きな電位安定用抵抗を接続する方法が開示されているが、n+層が100kΩとなる場合、電位安定用抵抗はこの値を超えることになる。100kΩを越える抵抗はパターン面積が大きくなり過ぎて素子の小型化が阻害される。一方、電位安定用抵抗の値は、スイッチング素子の高周波動作時に十分に高抵抗が確保できる程度でよく、通常は10kΩ程度である。この場合は、n+層の実効的な抵抗を10kΩより小さくすることになる。しかし、今度は、n+層の幅を5μm以上としなければならず、これではスイッチとしての挿入損失が大きくなってしまう。またトランジスタの占有面積増大の観点からも不利である。
By the way,
ここで、n+層の抵抗は、その上限をn+層に流れる電流による電圧降下が無視しうる値となる抵抗として決めてよい。オフ状態のトランジスタでn+層に流れる電流はゲートリーク電流である。通常、逆方向ゲートリーク電流は1μA/mm程度以下となるように半導体中のドーピング量等が設計されている。今、単位ゲート幅当たりのゲートリーク電流をIg、ゲート幅をWgとし、ゲート幅方向の単位長さあたりのn+層の抵抗をRとする。n+層の長さはゲート幅とほぼ等しいので、ここではゲート幅と等しいとする。n+層の一端に給電する場合、ゲート幅間のIgによる電圧降下Vdropは以下の式で与えられる。 Here, the resistance of the n + layer may decide the upper limit as a resistance which is a value that the voltage drop negligible due to the current flowing through the n + layer. The current flowing through the n + layer in the off-state transistor is a gate leakage current. Usually, the doping amount in the semiconductor is designed so that the reverse gate leakage current is about 1 μA / mm or less. Now, let the gate leakage current per unit gate width be Ig, the gate width be Wg, and the resistance of the n + layer per unit length in the gate width direction be R. Since the length of the n + layer is almost equal to the gate width, it is assumed here that the length is equal to the gate width. When power is supplied to one end of the n + layer, the voltage drop Vdrop due to Ig between the gate widths is given by the following equation.
Vdrop=(1/2)・R・Ig・Wg2
=(R・Wg/2)・(Ig・Wg)
=Reff・Igtotal
Reff=R・WG/2が上でも述べた実効的な抵抗である。
Vdrop = (1/2) · R · Ig · Wg 2
= (R · Wg / 2) · (Ig · Wg)
= Reff / Igtotal
Reff = R · WG / 2 is the effective resistance described above.
ここで、n+層のシート抵抗を50Ω/□、幅を0.5μmに設定すると、ゲート幅方向の単位長さあたりの抵抗Rは10kΩ/mmとなり、Ig=1μA/mmとすると、ゲート幅=2mmではVdropは0.2Vとなる。Wg=1mmではこの1/4で0.05Vとなる。電界効果トランジスタスイッチのオフ状態は、通常Vthより1Vから2V近く深い電圧に設定されるので、Vdropが0.05から0.2V程度であれば、このVthより1Vから2V近い深さの電圧に対して十分許容される。即ち、n+層の長さを1〜2mmとしたときの抵抗10〜20kΩは、電位安定用抵抗の通常の10kΩ程度よりも大きくなっても良いことが示され、n+層の抵抗が大きくても幅0.5μm程度に抑える方が好ましいことが示される。ゲート幅が更に大きくなるなどして電圧降下Vdropが無視できないような場合は本発明のn+層とオーミック電極との電位安定用抵抗の接続を図6に示した第2の実施形態のようにゲート電極の一方だけに設けるのでなく、図19のようにゲート電極の両方に設けることによってVdropを最小に抑えることができる。 Here, when the sheet resistance of the n + layer is set to 50Ω / □ and the width is set to 0.5 μm, the resistance R per unit length in the gate width direction is 10 kΩ / mm, and when Ig = 1 μA / mm, the gate width At = 2 mm, Vdrop is 0.2V. When Wg = 1 mm, this ¼ is 0.05V. Since the off state of the field effect transistor switch is normally set to a voltage 1V to 2V deeper than Vth, if Vdrop is about 0.05 to 0.2V, the voltage is 1V to 2V deeper than Vth. It is well tolerated. That is, it is shown that the resistance of 10 to 20 kΩ when the length of the n + layer is 1 to 2 mm may be larger than the usual 10 kΩ of the potential stabilization resistor, and the resistance of the n + layer is large. However, it is shown that it is preferable to suppress the width to about 0.5 μm. When the voltage drop Vdrop cannot be ignored because the gate width is further increased, the connection of the potential stabilizing resistor between the n + layer and the ohmic electrode of the present invention is as in the second embodiment shown in FIG. Vdrop can be suppressed to the minimum by providing not only on one of the gate electrodes but also on both of the gate electrodes as shown in FIG.
以上の実施形態ではpHEMTトランジスタ又はmHEMTトランジスタを用い、ゲート電極の両側にn+層(キャップ層)が配置される構造(リセスゲート構造)について説明した。しかし、本発明はキャップ層が配置される場合に限定されるものではない。キャップ層が配置されない場合は、ゲート電極間の給電は、ゲート電極間部分に設けられるチャネル層に対して行なえば良い。ゲート間距離もn+層のシート抵抗の代わりにこの部分のチャネル層のシート抵抗を用いて上記の考え方に従って設計すればよい。 In the above embodiments, a structure (recess gate structure) in which a pHEMT transistor or an mHEMT transistor is used and n + layers (cap layers) are arranged on both sides of the gate electrode has been described. However, the present invention is not limited to the case where the cap layer is disposed. When the cap layer is not disposed, power supply between the gate electrodes may be performed with respect to the channel layer provided in the portion between the gate electrodes. The gate-to-gate distance may be designed according to the above-mentioned concept using the sheet resistance of the channel layer in this portion instead of the sheet resistance of the n + layer.
図15に本発明の第4の実施形態を示す。本実施形態は、本発明のスイッチング素子を用いたアンテナスイッチ回路、及び同アンテナスイッチ回路を搭載した、クアッドバンド対応の携帯電話に用いられる高周波モジュールである。図15において、76はアンテナスイッチ回路、58は高周波モジュールを示す。クアッドバンドとは、欧州のGSM(Global System for Mobile communications)、米国のGSM、PCS(Personal Communication Services)、DCS(Digital Communication System)の4つの携帯電話規格(通信方式)によるバンドを指す。なお、便宜上、欧州のGSMをGSM1、米国のGSMをGSM2とする。高周波モジュール58は、これに対応するためGSMの送信は共通で1系統(GSM1/2)、受信2系統(GSM1及びGSM2)、PCSとDCSの送信は共通で1系統、PCS受信1系統、DCS受信1系統の各端子を具備する。GSMは900MHz帯、PCS及びDCSは1800MHz帯である。
FIG. 15 shows a fourth embodiment of the present invention. The present embodiment is an antenna switch circuit using the switching element of the present invention, and a high-frequency module used in a quad-band compatible mobile phone equipped with the antenna switch circuit. In FIG. 15, 76 is an antenna switch circuit, and 58 is a high-frequency module. The quad band refers to a band based on four mobile phone standards (communication systems) such as GSM (Global System for Mobile communications) in Europe, GSM in the United States, PCS (Personal Communication Services), and DCS (Digital Communication System). For convenience, GSM in Europe is GSM1, and GSM in the United States is GSM2. In order to cope with this, the high-
アンテナスイッチ回路76は、この7系統と1個のアンテナ75を切り替える。図15に示すアンテナスイッチ回路76において、79〜86はスイッチング素子、96〜103は、スイッチング素子79〜86の導通、非導通を制御するための制御信号が入力される制御端子、87は高周波結合用の容量である。更に、88はPCS/DCS送信端子(第1の端子)、89はGSM送信端子(第1の端子)、90はアンテナ端子(第2の端子)、91は接地端子、92はGSM1用受信端子(第3の端子)、93はGSM2受信端子(第3の端子)、94はPCS受信端子(第3の端子)、95はDCS受信端子(第3の端子)である。接地端子91はモジュール58の接地面と接続される。スイッチング素子79,80に第1又は第2の実施形態のスイッチング素子が用いられ、スイッチング素子81に第3の実施形態のスイッチング素子が用いられる。
The
図15に示す高周波モジュール58において、104はGSM送信信号の入力端子、105はPCS/DCS送信信号の入力端子、106はアンテナ接続端子、107はGSM1受信信号の出力端子、108はGSM2受信信号の出力端子、109はPCS受信信号の出力端子、110はDCS受信信号の出力端子である。また、78は、制御端子96〜103への制御信号を生成する制御回路である。更に、59,61は電力増幅器(第1の増幅器)、60,62はローパスフィルタ、77a〜77fは高周波結合用の容量、65,68,71,74は周波数変換器、64,67,70,73は低雑音増幅器(第2の増幅器)、63,66,69,72はSAW(Surface Acoustic Wave)フィルタである。送信側のフィルタ60,62は、電力増幅器59,60の整合回路の一部として電力増幅器59,60の内部に設けられることもある。
In the high-
送信時、外部のGSM送信回路から出力されたGSM送信信号は、入力端子104に入力され、電力増幅器59で増幅され、ローパスフィルタ60で高調波成分を除去され、スイッチング素子76の送端子89に入力される。このとき、制御回路78により、制御端子97,99に正電圧、制御端子96,98,100〜103には0電圧が印加されることにより、スイッチング素子80,82は導通状態、スイッチング素子79,81,83〜86は非導通状態となる。これにより、増幅後のGSM送信信号は、スイッチング素子80及びアンテナ端子90を介して、アンテナ接続端子106に接続されたアンテナ75から送信される。
At the time of transmission, the GSM transmission signal output from the external GSM transmission circuit is input to the
このとき、スイッチング素子80,82は、本発明の適用によってn+層とオーミック電極が抵抗接続され、かつゲート電極間が狭く設定されているため、導通時の抵抗が抵抗化されている。従って、低い挿入損失が実現されている。スイッチング素子82の低挿入損失は、アンテナスイッチ回路76のアンテナ端子90と受信端子92〜95間のアイソレーションを向上させる。
At this time, in the
次に、外部のPCS/DCS送信回路から出力された信号は、入力端子105に入力され、電力増幅器61で増幅され、ローパスフィルタ62で高調波成分が除去され、送信端子88に入力される。このとき、制御回路78により、スイッチング素子79、82は導通状態、スイッチング素子80,81,83〜86は非導通状態となり、スイッチング素子79及びアンテナ端子90を介してアンテナ端子106に接続されたアンテナ75から送信される。
Next, the signal output from the external PCS / DCS transmission circuit is input to the
このとき、スイッチング素子79,82は、本発明の適用によってn+層とオーミック電極が抵抗接続され、かつゲート電極間が狭く設定されているため、導通時の抵抗が抵抗化されている。従って、低い挿入損失が実現されている。上述のように、スイッチング素子82の低挿入損失は、アンテナスイッチ回路76のアンテナ端子90と受信端子92〜95間のアイソレーションを向上させる。
At this time, in the
特に、PCS送信周波数とDCS受信周波数のうち、1850MHzから1875MHzの周波数帯は動作周波数が重なっているために、高出力のPCS送信信号がDCS受信端子95にリークしたとき、送信側とのアイソレーションが十分に高くないとSAWフィルタ72が破壊されるおそれがある。しかし、本発明では高アイソレーションが実現されるので、SAWフィルタが破壊されるようなことはない。
In particular, of the PCS transmission frequency and the DCS reception frequency, the frequency bands from 1850 MHz to 1875 MHz overlap with each other, so that when a high-power PCS transmission signal leaks to the
受信時の動作は、代表的にDCS受信について説明する。アンテナ75で受信されたDCS受信信号は、アンテナ端子106を経てアンテナ端子90へ入力される。このとき、制御回路78により、スイッチング素子79,80,82〜85は非導通状態、スイッチ81,86が導通状態となる。それにより、受信信号は、SAW72で帯域外のスプリアスが除去されて雑音を低下されてから低雑音増幅回路73で信号増幅され、周波数変換器74でIF信号または復調信号に変換され、出力端子110に出力される。
As an operation at the time of reception, DCS reception will be typically described. A DCS reception signal received by the
以上、本実施形態により、送受信の動作において挿入損失が低く、かつ送受信間で高いアイソレーションが得られるアンテナスイッチ回路及び高周波モジュールを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize an antenna switch circuit and a high-frequency module that have low insertion loss in transmission / reception operations and can provide high isolation between transmission and reception.
なお、本実施形態においては、送信時にスイッチング素子に印加する正電圧を大きくすることで非導通状態のスイッチング素子のバイアスが深くなるため耐電力性が向上する他、容量のバイアス依存性が小さい点にバイアスされるため高調波歪みも改善される。そのため、本発明は、WCDMA(Wideband Code Division Multiplex Access)やEDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)、無線LAN(Local Area Network)などの高線形性が要求されるデジタル変調を採用した通信方式に対しても対応が可能である。 In this embodiment, increasing the positive voltage applied to the switching element at the time of transmission increases the bias of the non-conducting switching element, thereby improving the power durability and reducing the bias dependency of the capacitance. Therefore, harmonic distortion is also improved. Therefore, the present invention is applied to a communication method adopting digital modulation that requires high linearity such as WCDMA (Wideband Code Division Multiplex Access), EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), and wireless LAN (Local Area Network). But it is possible.
また、携帯電話がシングルバンド対応である場合は、アンテナスイッチ回路76において、スイッチング素子82〜86は省略され、高周波モジュール58における送受信回路は云うまでもなく1系統になる。
Further, when the mobile phone is compatible with a single band, the switching
39,40…オーミック電極、41,42,47…ゲート電極、43…素子分離領域、44,46…電位安定用抵抗、45,48…n+電極(n+層)、58…高周波モジュール、59,61…電力増幅器、64,67,70,73…低雑音増幅器、60,62…ローパスフィルタ、63,66,69,72…SAWフィルタ、65,68,71,74…周波数変換器、76…アンテナスイッチ回路、78…制御回路、79〜86…スイッチング素子。 39, 40 ... Ohmic electrode, 41, 42, 47 ... Gate electrode, 43 ... Element isolation region, 44, 46 ... Resistance for potential stabilization, 45, 48 ... n + electrode (n + layer), 58 ... High frequency module, 59 , 61 ... power amplifier, 64, 67, 70, 73 ... low noise amplifier, 60, 62 ... low pass filter, 63, 66, 69, 72 ... SAW filter, 65, 68, 71, 74 ... frequency converter, 76 ... Antenna switch circuit, 78... Control circuit, 79 to 86.
Claims (19)
半導体基板上に形成された2個のオーミック電極と、
上記2個のオーミック電極の間に配置された少なくとも2個のゲート電極と、
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの隣り合うゲート電極の間に挟まれて配置された導電領域と
を具備して成り、
上記導電領域は、一端に、上記隣り合うゲート電極に挟まれている上記導電領域よりも幅が広い幅広部分を有し、
上記隣り合うゲート電極の間の距離が上記幅広部分の幅よりも狭く、
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に抵抗が接続されている
ことを特徴とするスイッチング素子。 Like a field effect transistor,
Two ohmic electrodes formed on a semiconductor substrate;
At least two gate electrodes disposed between the two ohmic electrodes;
A conductive region sandwiched between adjacent gate electrodes of the at least two gate electrodes,
The conductive region has, at one end, a wide portion wider than the conductive region sandwiched between the adjacent gate electrodes,
The distance between the adjacent gate electrodes is narrower than the width of the wide portion,
A switching element, wherein a resistor is connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion.
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの上記2個のオーミック電極と隣り合うゲート電極の一端は、挟まれている上記導電領域から離れる方向に延在している
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 1,
One end of the gate electrode adjacent to the two ohmic electrodes of the at least two gate electrodes extends in a direction away from the sandwiched conductive region.
上記導電領域は、n型キャップ層を含んでいる
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 1,
The switching element, wherein the conductive region includes an n-type cap layer.
上記電界効果型トランジスタが高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 1,
A switching element, wherein the field effect transistor is a high electron mobility transistor.
上記高電子移動度トランジスタが歪チャネル高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 4,
A switching element, wherein the high electron mobility transistor is a strained channel high electron mobility transistor.
上記高電子移動度トランジスタが歪緩和高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 4,
The switching element, wherein the high electron mobility transistor is a strain relaxation high electron mobility transistor.
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に接続された上記抵抗の個々の抵抗値が上記導電領域の実効的な抵抗値より小さい
ことを特徴とするスイッチング素子。 In claim 1,
A switching element characterized in that individual resistance values of the resistors connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion are smaller than an effective resistance value of the conductive region.
アンテナに接続された第2の端子と、
上記アンテナで受信した受信信号を出力するための第3の端子と、
上記第1の端子と上記第2の端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
上記第2の端子と上記第3の端子との間に接続された第2のスイッチング素子と
を具備して成り、
送信時に上記第1のスイッチング素子が導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が非導通状態になり、受信時に上記第1のスイッチング素子が非導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が導通状態になり、
上記第1及び第2のスイッチング素子の各々は、
電界効果型トランジスタを成すように、
半導体基板上に形成された2個のオーミック電極と、
上記2個のオーミック電極の間に配置された少なくとも2個のゲート電極と、
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの隣り合うゲート電極の間に挟まれて配置された導電領域と
を具備して成り、
上記導電領域は、一端に、上記隣り合うゲート電極に挟まれている上記導電領域よりも幅が広い幅広部分を有し、
上記隣り合うゲート電極の間の距離が上記幅広部分の幅よりも狭く、
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に抵抗が接続されている
ことを特徴とするアンテナスイッチ回路。 A first terminal for inputting a transmission signal;
A second terminal connected to the antenna;
A third terminal for outputting a received signal received by the antenna;
A first switching element connected between the first terminal and the second terminal;
Comprising a second switching element connected between the second terminal and the third terminal,
During transmission, the first switching element is turned on and the second switching element is turned off. During reception, the first switching element is turned off and the second switching element is turned on. State
Each of the first and second switching elements is
Like a field effect transistor,
Two ohmic electrodes formed on a semiconductor substrate;
At least two gate electrodes disposed between the two ohmic electrodes;
A conductive region sandwiched between adjacent gate electrodes of the at least two gate electrodes,
The conductive region has, at one end, a wide portion wider than the conductive region sandwiched between the adjacent gate electrodes,
The distance between the adjacent gate electrodes is narrower than the width of the wide portion,
An antenna switch circuit, wherein a resistor is connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion.
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの上記2個のオーミック電極と隣り合うゲート電極の一端は、挟まれている上記導電領域から離れる方向に延在している
ことを特徴とするアンテナスイッチ回路。 In claim 8,
One end of the gate electrode adjacent to the two ohmic electrodes among the at least two gate electrodes extends in a direction away from the sandwiched conductive region.
上記導電領域は、n型キャップ層を含んでいる
ことを特徴とするアンテナスイッチ回路。 In claim 8,
The antenna switch circuit, wherein the conductive region includes an n-type cap layer.
上記電界効果型トランジスタが、高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とするアンテナスイッチ回路。 In claim 8,
An antenna switch circuit, wherein the field effect transistor is a high electron mobility transistor.
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に接続された上記抵抗の個々の抵抗値が上記導電領域の実効的な抵抗値より小さい
ことを特徴とするアンテナスイッチ回路。 In claim 8,
An antenna switch circuit characterized in that individual resistance values of the resistors connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion are smaller than an effective resistance value of the conductive region.
アンテナで受信した受信信号を増幅する第2の増幅器と、
送信時に上記第1の増幅器が出力する上記送信信号を上記アンテナに送り、受信時に上記アンテナで受信した上記受信信号を上記第2の増幅器に送るアンテナスイッチ回路と
を具備して成り、
上記アンテナスイッチ回路は、
上記第1の増幅器が出力する上記送信信号を入力するための第1の端子と、
上記アンテナに接続された第2の端子と、
上記アンテナで受信した上記受信信号を出力するための第3の端子と、
上記第1の端子と上記第2の端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
上記第2の端子と上記第3の端子との間に接続された第2のスイッチング素子と
を具備して成り、
送信時に上記第1のスイッチング素子が導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が非導通状態になり、受信時に上記第1のスイッチング素子が非導通状態になりかつ上記第2のスイッチング素子が導通状態になり、
上記第1及び第2のスイッチング素子の各々は、
電界効果型トランジスタを成すように、
半導体基板上に形成された2個のオーミック電極と、
上記2個のオーミック電極の間に配置された少なくとも2個のゲート電極と、
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの隣り合うゲート電極の間に挟まれて配置された導電領域と
を具備して成り、
上記導電領域は、一端に、上記隣り合うゲート電極に挟まれている上記導電領域よりも幅が広い幅広部分を有し、
上記隣り合うゲート電極の間の距離が上記幅広部分の幅よりも狭く、
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に抵抗が接続されている
ことを特徴とする高周波モジュール。 A first amplifier for amplifying the transmission signal;
A second amplifier for amplifying the received signal received by the antenna;
An antenna switch circuit that transmits the transmission signal output from the first amplifier during transmission to the antenna and transmits the reception signal received by the antenna to the second amplifier during reception;
The antenna switch circuit is
A first terminal for inputting the transmission signal output from the first amplifier;
A second terminal connected to the antenna;
A third terminal for outputting the received signal received by the antenna;
A first switching element connected between the first terminal and the second terminal;
Comprising a second switching element connected between the second terminal and the third terminal,
During transmission, the first switching element is turned on and the second switching element is turned off. During reception, the first switching element is turned off and the second switching element is turned on. State
Each of the first and second switching elements is
Like a field effect transistor,
Two ohmic electrodes formed on a semiconductor substrate;
At least two gate electrodes disposed between the two ohmic electrodes;
A conductive region sandwiched between adjacent gate electrodes of the at least two gate electrodes,
The conductive region has, at one end, a wide portion wider than the conductive region sandwiched between the adjacent gate electrodes,
The distance between the adjacent gate electrodes is narrower than the width of the wide portion,
A high-frequency module, wherein a resistor is connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion.
上記少なくとも2個のゲート電極のうちの上記2個のオーミック電極と隣り合うゲート電極の一端は、挟まれている上記導電領域から離れる方向に延在している
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 13,
One end of the gate electrode adjacent to the two ohmic electrodes of the at least two gate electrodes extends in a direction away from the sandwiched conductive region.
上記導電領域は、n型キャップ層を含んでいる
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 13,
The high-frequency module, wherein the conductive region includes an n-type cap layer.
上記電界効果型トランジスタが、高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 13,
A high-frequency module, wherein the field effect transistor is a high electron mobility transistor.
上記高電子移動度トランジスタが歪チャネル高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 16,
A high-frequency module, wherein the high electron mobility transistor is a strained channel high electron mobility transistor.
上記高電子移動度トランジスタが歪緩和高電子移動度トランジスタである
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 16,
The high-frequency module, wherein the high electron mobility transistor is a strain relaxation high electron mobility transistor.
上記幅広部分を介して上記2個のオーミック電極の間に直列に接続された上記抵抗の個々の抵抗値が上記導電領域の実効的な抵抗値より小さい
ことを特徴とする高周波モジュール。 In claim 15,
A high-frequency module, wherein individual resistance values of the resistors connected in series between the two ohmic electrodes through the wide portion are smaller than an effective resistance value of the conductive region.
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JP2009010867A JP2009081474A (en) | 2009-01-21 | 2009-01-21 | Switching element and antenna switch circuit using the same, and high frequency module |
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JP2000183362A (en) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Murata Mfg Co Ltd | Semiconductor device |
-
2009
- 2009-01-21 JP JP2009010867A patent/JP2009081474A/en active Pending
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JP2000183362A (en) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Murata Mfg Co Ltd | Semiconductor device |
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