JP2010057025A

JP2010057025A - 高周波低雑音増幅器

Info

Publication number: JP2010057025A
Application number: JP2008221431A
Authority: JP
Inventors: Bunichiro Abe; 文一朗安部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】低雑音で過入力による耐電力特性に強く高利得特性を得ると共に、低消費電力で小型な高周波低雑音増幅器を提供する。
【解決手段】高周波低雑音増幅器10において、初段の増幅回路12は、低雑音で過入力による耐電力特性に強く高利得が得られるGaNをベースとしたＨＥＭＴを用い、次段以降には低消費電力で小型にできるGaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路13を採用した。これらを多段カスケード接続した構成を採用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波集積回路等で構成された高周波モジュールに用いられる高周波増幅器に関する。

レーダ装置等においては、例えば１ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの高い周波数帯域で作動する高周波モジュールが使用されている。係る高周波モジュールの概略構成は、例えば図３に示したブロック図に示されるものである。図３に示すように、高周波モジュール100は、アンテナ101、サーキュレータ102、バンドパスフィルタ103、高周波低雑音増幅器104、高周波電力増幅器105、送受信切換スイッチ106から構成されている。

送信信号は、送受信切換スイッチ106で選択された後、高周波電力増幅器105で所望の出力電力まで増幅され、サーキュレータ102を経てアンテナ101から放出される。一方、アンテナ101で受信された受信信号は、サーキュレータ102、バンドパスフィルタ103、高周波低雑音増幅器104を経て、送受信切換スイッチ106で選択され出力される。

図３に示すように、高周波モジュール100の受信側には、微弱な高周波受信信号を増幅するために高周波低雑音増幅器104が設けられている。高周波低雑音増幅器104としては、例えば図４に示す構成のものが提案されている（例えば、特許文献1参照。）。図４に示すように、高周波低雑音増幅器104は、入力端子111、リミタ回路112、増幅回路113、出力端子114から構成されている。

リミタ回路112としてはPINダイオード等が用いられる。また、増幅回路113としては、信号処理モジュールを小型化し、あるいは、製造コストの削減という観点から、GaAsをベースとした高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor ：以下、ＨＥＭＴという)が用いられる。

係る高周波低雑音増幅器104において、入力端子111に入力された微弱な高周波受信信号は、リミタ回路112を経て、増幅回路113により低雑音で複数段増幅され出力端子114へ出力される。一方、大電力の高周波信号（過入力信号）が入力端子111に入力された時には、リミタ回路112の働きにより、過入力信号が所望の信号レベル以下に制限される。そのため、増幅回路113を保護すると共に、高周波低雑音増幅器104の破損も防止し安定動作を実現している。
特開２０００−３０７３５８号公報

上述したGaAsをベースとした高電子移動度トランジスタを用いた高周波低雑音増幅器では、低雑音、高利得且つ低消費電力という特徴を有している。しかし、その反面、過入力による耐電力特性はきわめて弱く、低雑音特性と高利得及び過入力による耐電力特性の全てが要求される高周波モジュール等の低雑音増幅器には適していない。そのため、PINダイオード等を用いたリミタ回路を付加して低雑音増幅回路を保護することが必要であった。この結果、高周波回路が複雑になると共に、高周波低雑音増幅器自体が大型化するという大きな問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、低雑音で過入力による耐電力特性に強く高利得特性を得ると共に、低消費電力で小型な高周波低雑音増幅器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、入力端子と出力端子との間に、ゲートおよびドレイン、ソースの各電極を有する複数の増幅素子を多段に接続した高周波低雑音増幅器であって、初段の増幅素子はGaNをベースとした高電子移動度トランジスタで形成され、次段以降の増幅素子についてはGaAsをベースとした高電子移動度トランジスタで形成されたことを特徴とする高周波低雑音増幅器が提供される。

本発明によれば、高周波低雑音増幅器にあって、低雑音で過入力による耐電力特性に強く高利得特性を得ると共に、低消費電力で小型な高周波低雑音増幅器が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る高周波低雑音増幅器10の回路構成を示すブロック図である。図１に示すように、高周波低雑音増幅器10は、入力端子11、多段の増幅回路12，13、出力端子14から構成されている。この高周波低雑音増幅器10は、信号処理モジュールを小型化し、あるいは、製造コストの削減の観点から、ＨＥＭＴなどの能動素子、および、キャパシタや抵抗などの受動素子をそれぞれ共通の半導体基板上に集積化した、いわゆるＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit ）チップを用いるのが好適である。さらに、雑音指数（ＮＦ：Noise Figure)を低く抑え、高い利得を得るために、複数の増幅回路を多段、すなわちここでは４段に接続している。尚、図示していないが、増幅素子のソース端子にインダクタンスを挿入して、ソース端子の間に負帰還回路を形成することにより、雑音指数を低く制御することも可能である。

初段、ここでは１段目の増幅回路12は、GaNをベースとしたＨＥＭＴを用いている。ＨＥＭＴは、半導体ヘテロ接合に誘起された二次元電子ガスをチャネルとした電界効果トランジスタであり、GaNをベースとしたＨＥＭＴは、低雑音、高利得かつ低消費電力という特徴に加えて、耐電力特性に対して十分に強い特性を有している。GaNをベースとしたＨＥＭＴは、例えば、SiC基板を用い、GaNあるいはIn_xGa_1-xNをチャネルに用いたＨＥＭＴである。

尚、このGaNをベースとしたＨＥＭＴのエピタキシャル構造が、高周波低雑音増幅器における重要な特性である雑音指数に与える影響については、IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol.No.2,Febuary 2005に詳しい。
本発明の実施形態に係る高周波低雑音増幅器10においては、初段をGaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路12の構成とすることで、高周波低雑音増幅器としての高耐電力化を実現している。また、後段、例えば２段目以降の増幅回路13は、GaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いている。これは、例えば、GaAsの半絶縁性基板上に、電子走行層であるアンドープのGaAs層（i-GaAs層）と、電子供給層であるｎ型のn-AlGaAs層をエピタキシャル成長により積み重ねた構成となっている。ＨＥＭＴのデバイス構造として、ソース、ゲート、ドレインの三つの金属電極を持っている。ゲート電極は電子供給層であるn-AlGaAs層の表面に接触し、ショットキー接合を形成する。n-AlGaAs電子供給層には、二つの空乏層が形成される。ひとつはショットキー接合の空乏層、もうひとつは二次元電子ガスの形成に伴うヘテロ界面側から伸びる空乏層である。尚、図1に示すように４段構成の増幅回路であって、１段目と２段目を初段のGaNをベースとしたＨＥＭＴとし、３段目と４段目を後段のGaAsをベースとしたＨＥＭＴとしてもよい。

次に、上記した高周波低雑音増幅器10を構成するＭＭＩＣチップの製造方法について説明する。図２において、増幅素子のＨＥＭＴについては、説明の都合上、ソースやドレイン、ゲートの各電極のみを示し、他の構成は省略している。まず、図２（ａ）に示すように、通常のＨＥＭＴの製造プロセスを用いて、ＧａＡｓ基板２０上にＨＥＭＴ２１および回路部品に必要な電極２２などを形成する。ＨＥＭＴ２１についてはＴゲート２１Ｇおよびソ−ス２１Ｓ、ドレイン２１Ｄが示されている。

次に、ＣＶＤ法などを用いて、パッシベーション膜として、厚さ約８０ｎｍのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２３を基板２０上に形成する。その後、フォトリソグラフィ工程を用いてシリコン窒化膜２３をパターニングし、電極などの取り出しに必要な箇所の開口部を形成する。さらに、スパッタ法などを用いてＣｒ等の薄膜を基板上に形成し、パターニングを行って薄膜抵抗２４を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、スパッタ法などを用いて、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）等の積層導電体を形成し、パターニングにより配線２５を形成する。先の工程で形成したシリコン窒化膜２３の一部は、それよりも先に形成した電極２２を下部電極とし、配線２５を上部電極とするＭＩＭキャパシタの容量部分となる。

次に、図２（ｃ）に示すように、１層目で形成された配線２５のうち、離れた配線どうしを接続するためのエアブリッジ２６を形成する。エアブリッジ２６は、たとえばレジストをスピンコートにより塗布し、必要な部分のパターニングを行った後、スパッタ法等で配線を形成し、レジストを剥離して形成する。上記のようにして、高周波低雑音増幅器10に必要とされる集中定数回路等の部品を基板表面に形成できる。

次に、このように構成された高周波低雑音増幅器10の動作について説明する。入力端子11に入力された微弱な高周波受信信号は、初段に構成されたGaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路12により低雑音で増幅される。増幅回路12で増幅された信号は、GaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路13で低雑音の状態で複数段増幅され、出力端子14へ出力される。

一方、大電力の高周波信号（過入力信号）が入力端子11に入力された時には、初段をGaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路12としているので、耐電力特性に対して十分に強いものとなっている。さらに、次段以降にはGaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路13を採用しているので、前段の増幅回路12の出力電力が後段の増幅回路13を破損させないように配列されている。

GaNをベースとしたＨＥＭＴは、GaAsをベースとしたＨＥＭＴに比べ、動作電圧が5〜10倍程度高い。このため、同じ動作電流の場合でもGaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた回路では、GaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いた回路に比べ、消費電力が大幅に大きくなる。そこで、本実施形態に係る高周波低雑音増幅器10においては、初段のみをGaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路12の構成としている。この結果、低雑音で過入力による耐電力特性に強く高利得特性を得ると共に、低消費電力で小型な高周波低雑音増幅器を実現できる。

なお、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の高周波低雑音増幅器の回路構成を示すブロック図である。ＭＭＩＣチップの製造方法を説明するための断面図である。高周波モジュールの概略構成を示したブロック図である。従来の高周波低雑音増幅器の回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

10・・・高周波低雑音増幅器、11・・・入力端子、
12・・・GaNをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路
13・・・ GaAsをベースとしたＨＥＭＴを用いた増幅回路
14・・・.出力端子
100・・・高周波モジュール、101・・・アンテナ、102・・・サーキュレータ、
103・・・バンドパスフィルタ、104・・・高周波低雑音増幅器、
105・・・高周波電力増幅器、106・・・送受信切換スイッチ

Claims

入力端子と出力端子との間に、ゲートおよびドレイン、ソースの各電極を有する複数の増幅素子を多段に接続した高周波低雑音増幅器であって、
初段の増幅素子はGaNをベースとした高電子移動度トランジスタで形成され、次段以降の増幅素子についてはGaAsをベースとした高電子移動度トランジスタで形成されたことを特徴とする高周波低雑音増幅器。
前記初段の増幅素子は、１段目の増幅素子であり、前記次段以降の増幅素子は、２段目以降の増幅素子であることを特徴とする請求項１記載の高周波低雑音増幅器。
前記初段の増幅素子は、１段目と２段目の増幅素子であり、前記次段以降の増幅素子は、３段目以降の増幅素子であることを特徴とする請求項１記載の高周波低雑音増幅器。
前記増幅素子のソース端子にインダクタンスが挿入され、ソース端子間に負帰還回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波低雑音増幅器。