JP2011030110A - 半導体装置およびそれを用いた高周波スイッチ並びに高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、低挿入損失および低歪特性を実現する半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、半導体層１０９と、ソース電極１００およびドレイン電極１０１と、半導体層１０９とショットキー接触する第１のゲート電極１０２と、第１のゲート電極１０２とドレイン電極１０１との間の半導体層１０９の上に設けられ、半導体層１０９とショットキー接触する第２のゲート電極１０３とを有し、高周波信号がソース電極１００に入力されるスイッチＦＥＴ６０８と、一端が第１のゲート電極１０２と電気的に接続され、他端が容量１０６を介してドレイン電極１０１と電気的に接続された抵抗１０５と、抵抗１０５と容量１０６との接続点に電気的に接続された電力検出用端子１０７とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、主に移動体通信機器等に用いられる高周波信号の電力レベルを検出する装置に関する。

携帯電話機等の移動体通信機器は、電波利用効率および消費電力の観点から、基地局との距離等に応じて送信電力を制御している。一般に、送信電力の制御は、高周波フロントエンドモジュール（高周波モジュール）に組み込まれる高周波電力増幅器の増幅利得を調整することでなされる。高周波電力増幅器では、出力整合回路のインピーダンスによって出力電力レベルと効率が変化するが、理論的に単一のインピーダンスでは最大出力電力レベルと最大効率とを同時に得る事は出来ない。通常、出力整合回路のインピーダンスは送信電力レベルが最大の時に最大効率が得られるように設計されるため、送信電力レベルが小さい時には効率が低下する。そこで、出力電力レベルを検出し、その電力レベルに応じて出力整合回路のインピーダンスを制御することで、低出力電力レベル時の効率を改善する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特表２００５−５２８００１号公報

図１０に上述の技術を適用した高周波モジュールの構成例のブロック図を示す。なお図１０では、簡単のため、送受信経路数がそれぞれ１経路の高周波モジュールを例示するが、さらに多くの経路を有する場合であっても、以下に説明する動作原理は同様である。

図１０の高周波モジュールは、送信系ベースバンド部２００、受信系ベースバンド部２０１、高周波電力増幅器２０２、出力整合回路２０３、電力検出回路２０４、高周波スイッチ２０５、アンテナ２０６、および制御回路２０７を備える。

この高周波モジュールでは、送信系ベースバンド部２００で変調された高周波信号は、高周波電力増幅器２０２で電力増幅された後、出力整合回路２０３および高周波スイッチ２０５を介し、アンテナ２０６より放射される。また、前述したように、高周波信号の電力レベルは電力検出回路２０４で検出され、制御回路２０７により電力レベルに応じて出力整合回路２０３のインピーダンスが最適化されるため、広い出力電力範囲で高い効率を得ることができる。なお、制御回路２０７は、高周波信号の電力レベルに応じて出力整合回路２０３のインピーダンスを可変するための制御信号を発生する。また、高周波スイッチ２０５は送信経路と受信経路の切り替えに使用される。

出力電力レベルの検出回路（電力検出回路２０４）には、回路構成が簡単であり、比較的良好な検出感度を実現できることから、ダイオードの整流性を用いた半波整流回路が広く用いられている。図１１は半波整流回路を用いた電力検出回路２０４の回路図を例示したものである。

電力検出回路２０４は、高周波信号経路つまり入力端子３００と出力端子３０１とをつなぐ高周波信号経路３０２に装荷されており、電力検出用端子３０３と、ダイオード３０４と、抵抗３０５と、直流カット容量３０６と、平滑容量３０７と、接地端子３０８とを備える。

上記構造の高周波モジュールでは、高周波電力増幅器２０２で電力増幅された高周波信号が入力端子３００より入力され、高周波スイッチ２０５やアンテナ２０６などが接続される出力端子３０１から出力される。この時、ダイオード３０４は入力された高周波信号の電圧値がダイオード３０４の立ち上がり電圧よりも高い時は導通状態、低い時は遮断状態となる。したがって、図１２Ａに例示するような波形の高周波信号が入力された場合、電力検出用端子３０３には平滑容量３０７の充放電に合わせて入力信号（入力された高周波信号）を半波整流した検出信号（図１２Ｂの波形の検出信号）が出力され、その時間積分から入力信号の電力レベルを反映した信号が検出される。

なお、直流カット容量３０６は、高周波信号経路３０２の直流バイアスと、ダイオード３０４の直流バイアスとを遮断するために実装される。また、平滑容量３０７は、必ずしも必要ではないが、電力検出用端子３０３に出力される検出信号を平滑化するために実装される場合がある。

平滑容量３０７を実装しない場合の検出信号の波形を図１２Ｃに示す。検出信号の平滑性は損なわれるが、この場合でも平滑容量３０７が実装された場合と同様に検出信号の時間積分から高周波信号の電力レベルを検出することができる。

ところで、図１０及び図１１に示した高周波モジュールは次のような問題を有する。すなわち、上記のような構成の電力検出回路２０４を高周波信号経路３０２に付加すると、高周波信号の一部が電力検出回路２０４を介して接地端子３０８に漏洩するため、挿入損失が悪化するという問題を有する。さらに、ダイオード３０４の電流−電圧特性の非線形性に起因し、高調波歪が発生するという問題を有する。

そこで本発明は、かかる問題点に鑑み、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、低挿入損失および低歪特性を実現する半導体装置およびそれを用いた高周波スイッチ並びに高周波モジュールを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、半導体層と、前記半導体層の上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第２のゲート電極とを有し、高周波信号が前記ソース電極に入力される第１のＦＥＴと、一端が前記第１のゲート電極と電気的に接続され、他端が容量を介して前記ドレイン電極と電気的に接続された抵抗と、前記抵抗と前記容量との接続点に電気的に接続された電力検出用端子とを備えることを特徴とする。

これにより、入力された高周波信号の一部をフィードバックさせて入力信号の電力レベルを検出するため、接地端子への信号漏洩は殆ど発生せず、挿入損失が改善される。また、ダイオードを用いることなく電力レベルを検出することができるので、歪特性が改善される。その結果、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、低挿入損失および低歪特性の半導体装置を実現することができる。

また本発明は、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、半導体層と、前記半導体層の上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第２のゲート電極とを有し、高周波信号が前記ソース電極に入力される第１のＦＥＴと、一端が前記第２のゲート電極と電気的に接続され、他端が容量を介して前記ソース電極と電気的に接続された抵抗と、前記抵抗と前記容量との接続点に電気的に接続された電力検出用端子とを備えることを特徴とする半導体装置とすることもできる。

これにより、入力された高周波信号の一部をフィードフォワードさせて入力信号の電力レベルを検出するため、接地端子への信号漏洩は殆ど発生せず、挿入損失が改善される。また、ダイオードを用いることなく電力レベルを検出することができるので、歪特性が改善される。その結果、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、低挿入損失および低歪特性の半導体装置を実現することができる。

また本発明は、前記半導体装置と、前記ソース電極と電気的に接続され、高周波信号が入力される第１の端子と、第２のＦＥＴを介して前記ドレイン電極と電気的に接続され、高周波信号が出力される第２の端子と、前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴとの接続点に電気的に接続され、高周波信号が入力され、前記第１の端子に入力された高周波信号が出力される第３の端子とを備えることを特徴とする高周波スイッチとすることもできる。

また本発明は、前記高周波スイッチと、出力整合回路を介して前記第１の端子と電気的に接続され、増幅した高周波信号を前記第１の端子に供給する増幅器と、前記第２の端子と電気的に接続され、高周波信号を送受信するアンテナと、前記電力検出用端子の電位に基づいて前記出力整合回路のインピーダンスを制御する制御回路とを備えることを特徴とする高周波モジュールとすることもできる。

これにより、高周波モジュールにおいて低挿入損失および低歪特性を実現することができる。また、高周波スイッチが入力信号の電力レベルを検出する機能を有するため、高周波モジュールにおいて電力検出回路を別途具備する場合と比べチップの小型化とコストの低減とを実現することができる。

本発明によれば、挿入損失が小さく、かつ歪特性に優れた高周波信号の電力検出回路およびそれを用いた高周波スイッチ並びに高周波モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る高周波モジュールの構成を例示するブロック図である。 実施例１に係る高周波スイッチの構成を例示する回路図である。 実施例１に係る電力検出回路の構成を示す断面図である。 電力検出回路に入力される入力信号の波形を例示する図である。 電力検出回路の電力検出用端子に出力される出力信号の波形を例示する図である。 従来技術に係る高周波モジュールと実施例１に係る高周波スイッチを用いた高周波モジュールの挿入損失を表す図である。 実施例２に係る電力検出回路の構成を示す断面図である。 実施例３に係る電力検出回路の構成を示す断面図である。 従来技術に係る高周波スイッチならびに実施例１および３に係る高周波スイッチの２次高調波歪を表す図である。 従来技術に係る高周波スイッチならびに実施例１および３に係る高周波スイッチの３次高調波歪を表す図である。 実施例４に係る電力検出回路の構成を示す断面図である。 従来の高周波モジュールの構成を例示するブロック図である。 従来の電力検出回路を例示する回路図である。 電力検出回路に入力される入力信号の波形を例示する図である。 電力検出回路の電力検出用端子に出力される検出信号の波形を例示する図である。 平滑容量を実装しない場合に電力検出回路の電力検出用端子に出力される検出信号の波形を例示する図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態に関するいくつかの例について、図面を参照しながら説明する。

なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数値は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数値に制限されない。さらに、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。またさらに、特に限定されるものではないが、本発明はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｃｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）半導体基板や砒化ガリウムを始めとする化合物半導体基板上に形成された高周波信号の電力レベルを検出する装置において、とりわけ好適である。またさらに、本発明を構成するＦＥＴは、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＥＳＦＥＴ（ＭＥｔａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）、およびＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＦＥＴ）など、ゲート電極とソース電極との間あるいはゲート電極とドレイン電極との間に整流性を有するＦＥＴであれば、その種類は特に限定されない。さらにまた、ＦＥＴのソース電極およびドレイン電極は同一の構造および機能である場合が殆どであり、明確に区別されないことも多いが、以下の説明では便宜上、信号が入力される電極をソース電極、出力される電極をドレイン電極と表記する。

一般に、高周波モジュールでは送信時と受信時の別、あるいは通信中の周波数帯域や通信方式に応じて信号経路を選択するための高周波スイッチを備える場合が多い。本実施の形態の高周波モジュールは、高周波スイッチに入力信号の電力レベルを検出する機能を付加することを要旨とする。

図１は本実施の形態に係る高周波モジュールの構成を例示するブロック図である。なお、簡単のため、図１では送受信経路数がそれぞれ１経路の高周波モジュールを例示するが、さらに多くの経路を有するものであっても、その構成図は同様である。

この高周波モジュールは、送信系ベースバンド部２００、受信系ベースバンド部２０１、高周波電力増幅器２０２、出力整合回路２０３、電力検出回路６０６を有する高周波スイッチ６１０、アンテナ２０６、および制御回路２０７を備える。

高周波スイッチ６１０は、出力整合回路２０３からの高周波信号が入力される入力端子６００と、電力検出回路６０６からの検出信号を制御回路２０７に出力するための電力検出用端子６０３と、アンテナ２０６で受信した高周波信号を受信系ベースバンド部２０１に出力するための出力端子６０２と、入力端子６００の高周波信号をアンテナ２０６に出力し、かつアンテナ２０６からの高周波信号を受け取るための入出力端子６０１とを有する。

高周波スイッチ６１０は、高周波信号の送受信を切替えるスイッチの機能を有し、送信時には入力端子６００と入出力端子６０１とを電気的に接続し、受信時には出力端子６０２と入出力端子６０１とを電気的に接続する。

受信系ベースバンド部２０１は、出力端子６０２と電気的に接続される。
高周波電力増幅器２０２は、出力整合回路２０３を介して入力端子６００と電気的に接続され、送信系ベースバンド部２００から出力された高周波信号を増幅し、増幅した高周波信号を入力端子６００に供給する。

アンテナ２０６は、入出力端子６０１と電気的に接続され、高周波信号を送受信する。
制御回路２０７は、電力検出用端子６０３と電気的に接続され、検出信号つまり電力検出用端子６０３の電位に基づいて出力整合回路２０３のインピーダンスを制御する。

電力検出回路６０６は、高周波信号の電力検出機能を有する本発明の半導体装置の一例であり、高周波スイッチ６１０に内包される。電力検出回路６０６は、送信される高周波信号の電力レベルを該高周波信号の一部をフィードバック又はフィードフォワードさせて検出し、電力検出用端子６０３の電位により示す。

以上のように本実施の形態の高周波モジュールでは、高周波スイッチ６１０に内包される電力検出回路６０６は高周波信号の一部をフィードバック又はフィードフォワードさせて電力レベルを検波するため、電力検出回路を介した接地端子への信号漏洩は殆ど発生しない。その結果、挿入損失が小さい高周波モジュールを実現することができる。

また、本実施の形態の高周波モジュールでは、高周波スイッチ６１０に内包される電力検出回路６０６はダイオードを用いることなく電力レベルを検出する。その結果、歪特性に優れた高周波モジュールを実現することができる。

また、本実施の形態に係る高周波モジュールにおいて、高周波スイッチ６１０に内包される電力検出回路６０６は小型である。その結果、電力検出回路６０６を別途付加する場合に比べ、チップの小型化と、それに伴うコスト削減の付帯的効果も得られる。

図２は本実施例に係る高周波スイッチ６１０の構成を例示する回路図である。図３は高周波スイッチ６１０に内含される電力検出回路６０６の構成を示す断面図である。

高周波スイッチ６１０は、電力検出回路６０６と、入力端子６００と、入出力端子６０１と、出力端子６０２と、電力検出用端子６０３と、高周波スイッチ６１０の制御回路（図外）に接続された制御端子６０４と、複数の電位固定用抵抗６０５と、スイッチＦＥＴ６０７とによって構成される。

電力検出回路６０６は、高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、スイッチＦＥＴ６０８、抵抗１０５、容量１０６、電力検出用端子１０７、および高周波スイッチ制御端子１０８を備える。電力検出回路６０６は電力増幅された高周波信号が通過する高周波信号経路、つまり入力端子６００と入出力端子６０１との間の高周波信号経路に装荷される。

スイッチＦＥＴ６０８は、本発明の第１のＦＥＴの一例であり、ソース電極１００、ドレイン電極１０１、第１のゲート電極１０２、第２のゲート電極１０３、および半導体基板１０４を備える。半導体基板１０４は、例えば半導体層１０９および絶縁性半導体層１１０で構成される。

ソース電極１００およびドレイン電極１０１は、半導体層１０９の上に設けられる。
第１のゲート電極１０２は、ソース電極１００とドレイン電極１０１との間の半導体層１０９の上に設けられ、半導体層１０９とショットキー接触する。

第２のゲート電極１０３は、第１のゲート電極１０２とドレイン電極１０１との間の半導体層１０９の上に設けられ、半導体層１０９とショットキー接触する。

抵抗１０５の一端は第１のゲート電極１０２と電気的に接続され、他端は容量１０６を介してドレイン電極１０１と電気的に接続される。

電力検出用端子１０７は、抵抗１０５と容量１０６との接続点に電気的に接続され、さらに電力検出用端子６０３に電気的に接続される。

高周波スイッチ制御端子１０８は、第２のゲート電極１０３に電気的に接続され、さらに電位固定用抵抗６０５を介して制御端子６０４に電気的に接続される。

入力端子６００は本発明の第１の端子の一例であり、ソース電極１００と電気的に接続され、入力端子６００には出力整合回路２０３からの高周波信号が入力される。

出力端子６０２は本発明の第２の端子の一例であり、スイッチＦＥＴ６０７を介してドレイン電極１０１と電気的に接続され、出力端子６０２からは入出力端子６０１に入力された高周波信号が出力される。スイッチＦＥＴ６０７は、本発明の第２のＦＥＴの一例である。

入出力端子６０１は、本発明の第３の端子の一例であり、スイッチＦＥＴ６０７とスイッチＦＥＴ６０８との接続点に電気的に接続され、入力端子６００に入力された高周波信号が出力され、アンテナ２０６により受信した高周波信号が入力される。

図２では、簡単のため入力端子数が１、出力端子数が２の送信側のスイッチＦＥＴ６０８にデュアルゲートのＦＥＴを用い、受信側のスイッチＦＥＴ６０７にシングルゲートのＦＥＴを用いた高周波スイッチ６１０が例示されている。

なお、電位固定用抵抗６０５の結線は一般的な結線方法を例示したものであり、本実施例の結線方法はこれに限定されない。また、特に限定されないが、例えば高周波スイッチ６１０がマルチモード対応の高周波モジュールに用いられ入力端子を複数有する場合、複数の入力端子とアンテナ２０６に接続された入出力端子６０１との間に電力検出回路６０６がそれぞれ装荷されてもよい。複数の入力端子を有する場合であっても、電力レベルを検出する必要が無い高周波信号経路が存在する場合は、電力レベルの検出が必要な高周波信号経路にのみ電力検出回路６０６が設けられればよいことは言うまでも無い。

図３の電力検出回路６０６において、高周波電力増幅器２０２で増幅された高周波信号はスイッチＦＥＴ６０８のソース電極１００から入力され、半導体層１０９を通過し、ドレイン電極１０１より出力される。ドレイン電極１０１から出力された高周波信号は大部分が後段に接続されたアンテナ２０６から放射されるが、一部は容量１０６を介し、第１のゲート電極１０２へとフィードバックされる。フィードバックされる高周波信号（フィードバック信号）の電力レベルおよび位相は、抵抗１０５の抵抗値、容量１０６の容量値およびそれらを接続する信号経路の経路長によって調整可能である。

また、第１のゲート電極１０２の直下の半導体層１０９を通過する高周波信号とフィードバック信号との電圧振幅差および位相差に応じ、第１のゲート電極１０２および半導体層１０９により形成されるショットキーダイオードに電位差が生じ、半波整流によるダイオード検波が可能となる。

さらに、抵抗１０５は半導体層１０９からの信号漏洩の防止、容量１０６は半導体層１０９と電力検出用端子１０７との間の直流電圧および直流電流の遮断のために具備されるが、上述の通り、フィードバック信号の電力レベルおよび位相の調整機能も兼ねる。

さらにまた、高周波スイッチ制御端子１０８に制御信号を印加することで、第２のゲート電極１０３直下の空乏層幅が制御され、通常の高周波スイッチと同様にソース電極１００とドレイン電極１０１との間の導通と遮断を制御することが出来る。

なお、電力検出用端子１０７の直流電位はソース電極１００の直流電位よりも高くされてもよい。つまり第１のゲート電極１０２には、半波整流に適した直流電圧が適宜印加されてもよく、特に限定されないが、例えば第１のゲート電極１０２により形成されるショットキーダイオードの立ち上がり電圧以下の正電圧が印加されてもよい。

以下に、本実施例に係る高周波スイッチ６１０により得られる効果をシミュレーションにより検証した結果を例示する。なお、シミュレーションに用いた回路は図２に例示した回路であり、スイッチＦＥＴ６０７及び６０８のゲート幅は３ｍｍ、入力電力は２０ｄＢｍ、入力周波数は２ＧＨｚである。

初めに、半波整流動作の検証結果を示す。図４Ａ及び図４Ｂは本実施例に係る高周波スイッチ６１０における半波整流動作のシミュレーション結果を例示する図であり、図４Ａは入力端子６００への入力信号の波形を示し、図４Ｂは電力検出用端子６０３からの出力信号の波形を示している。

第１のゲート電極１０２により形成されるショットキーダイオードは、印加電圧に応じて導通状態および遮断状態のいずれかとなり、図４Ｂに例示するように、電力検出用端子１０７には半波整流された電圧波形の信号が検出信号として出力される。この検出信号の時間積分より電力レベルを反映した信号の検出が可能となる。

次に、従来技術に係る高周波モジュール（図１０の高周波モジュール）と本実施例に係る高周波スイッチ６１０を用いた高周波モジュール（図１の高周波モジュール）の挿入損失を比較した結果を図５に例示する。

本実施例に係る高周波スイッチ６１０を用いた高周波モジュールでは、図５に例示するように、従来技術に係る高周波モジュールに比べ、挿入損失が改善している。本実施例に係る電力検出回路６０６では、高周波信号の一部をフィードバックさせて電力レベルを検波するため、電力検出回路を介した接地端子への信号漏洩は殆ど発生せず、従来技術に係る高周波モジュールに比べ、挿入損失が改善される。

本実施例では、実施例１と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施例１と同等であるので、説明を省略する。

図６は本実施例に係る高周波スイッチ６１０に内含される電力検出回路６０６の別の構成を示す断面図である。

本実施例に係る電力検出回路６０６は、スイッチＦＥＴ６０８、抵抗１０５、容量１０６、電力検出用端子１０７、および高周波スイッチ制御端子１０８を備える。スイッチＦＥＴ６０８は、ソース電極１００、ドレイン電極１０１、第１のゲート電極１０２、第２のゲート電極１０３、および半導体基板１０４を備える。半導体基板１０４は、例えば半導体層１０９と、絶縁性半導体層１１０で構成される。

抵抗１０５の一端は第２のゲート電極１０３と電気的に接続され、他端は容量１０６を介してソース電極１００と電気的に接続される。

実施例１に係る電力検出回路では高周波信号の一部がフィードバックされ、その信号により電力レベルが検出されるのに対し、本実施例に係る電力検出回路６０６では入力信号がフィードフォワードされて電力レベルの検出が行われる。

図６の電力検出回路６０６において、高周波電力増幅器２０２で増幅された高周波信号は大部分がソース電極１００から入力され、半導体層１０９を通過し、ドレイン電極１０１より出力される。一方、高周波電力増幅器２０２で増幅された高周波信号の一部は容量１０６を介し、第２のゲート電極１０３へとフィードフォワードされる。フィードフォワードされる高周波信号（フィードフォワード信号）の電力レベルおよび位相は、抵抗１０５の抵抗値、容量１０６の容量値およびそれらを接続する信号経路の経路長によって調整可能である。第２のゲート電極１０３の直下の半導体層１０９を通過する高周波信号と、フィードフォワード信号との電圧振幅差および位相差に応じ、第２のゲート電極１０３および半導体層１０９により形成されるショットキーダイオードに電位差が生じ、半波整流によるダイオード検波が可能となる。

また、高周波スイッチ制御端子１０８に制御信号を印加することで、第２のゲート電極１０３直下の空乏層幅が制御され、通常の高周波スイッチと同様にソース電極１００とドレイン電極１０１との間の導通と遮断を制御することが出来る。

本実施例に係る高周波スイッチ６１０を用いた高周波モジュールでは、実施例１に係る高周波スイッチを用いた高周波モジュールと同様に、接地端子への信号漏洩は抑えられるため、挿入損失が改善される。

本実施例に係る高周波スイッチ６１０を用いた高周波モジュールにより得られる効果は実施例１に係る高周波スイッチを用いた高周波モジュールと同様であるが、実施例１と実施例２の構成を適宜選択することで、素子レイアウトや信号の位相調整などの回路設計自由度を高めることができる。

実施例３では、実施例１と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施例１と同等であるので、説明を省略する。

図７は本実施例に係る高周波スイッチ６１０に内包される電力検出回路６０６の別の構成を示す断面図である。

本実施例に係る電力検出回路６０６は、スイッチＦＥＴ６０８、抵抗１０５、容量１０６、電力検出用端子１０７、高周波スイッチ制御端子１０８および位相器１０００を備える。スイッチＦＥＴ６０８は、ソース電極１００、ドレイン電極１０１、第１のゲート電極１０２、第２のゲート電極１０３、および半導体基板１０４を備える。半導体基板１０４は、例えば半導体層１０９と、絶縁性半導体層１１０で構成される。

位相器１０００は、第１のゲート電極１０２とドレイン電極１０１との間に挿入され、抵抗１０５および容量１０６と直列に接続される。

図７の電力検出回路６０６では、フィードバック信号の位相が制御される。すなわち、図７の電力検出回路６０６では、実施例１に係る電力検出回路と同様に、ドレイン電極１０１から出力された高周波信号の一部は、第１のゲート電極１０２にフィードバックされる。この時、第１のゲート電極１０２および半導体層１０９により形成されるショットキーダイオードの電流−電圧特性の非線形性に起因し、フィードバック信号の高調波が発生する。図７の電力検出回路６０６では、フィードバック信号の位相を適当に制御し、上述の高調波成分の位相を、第１のゲート電極１０２直下の半導体層１０９を透過する高周波信号成分と概ね逆相にすることで、高調波信号成分を互いに補償する。すなわち、図７の電力検出回路６０６はフィードバック補償による歪特性改善の機能を付加する構成を持つ。

以下に本実施例に係る高周波スイッチ６１０により得られる効果をシミュレーションにより検証した結果を例示する。なお、シミュレーションに用いた回路は図２に例示した回路であり、スイッチＦＥＴ６０７および６０８のゲート幅は３ｍｍ、入力電力は２０ｄＢｍ、入力周波数は２ＧＨｚである。

図８Ａ及び図８Ｂは本実施例に係る高周波スイッチ６１０における半波整流動作のシミュレーション結果を例示する図である。図８Ａは従来技術に係る高周波スイッチならびに実施例１および３に係る高周波スイッチの２次高調波歪を表す図であり、図８Ｂは従来技術に係る高周波スイッチならびに実施例１および３に係る高周波スイッチの３次高調波歪を表す図である。

図８Ｂに例示するように、本実施例に係る高周波スイッチ６１０では、従来技術および実施例１に係る高周波スイッチに比べ、位相器１０００によりフィードバック信号の位相を最適化することで、２次高調波歪が改善している。

なお、図８Ａ及び図８Ｂの例では２次高調波歪の改善量が最大となるように位相に調整した結果を例示しているが、位相によっては３次高調波歪を改善することも可能である。

また、図７ではドレイン電極１０１と容量１０６との間に位相器１０００を設けているが、容量１０６と抵抗１０５との間や抵抗１０５と第１のゲート電極１０２との間に位相器１０００が設けられても良い。

また、本実施例に係る高周波スイッチ６１０ではフィードバック信号の位相調整を行うことが可能であれば位相器１０００の種類は特に限定されない。例えば、位相制御用の煩雑な回路を設けずに、信号線路の線路長により位相が調整されてもよい。

さらに、本実施例に係る高周波スイッチ６１０は実施例２に係る高周波スイッチと組み合わせられてもよい。その場合、位相器１０００は図６において、第２のゲート電極１０３とソース電極１００との間に挿入され、抵抗１０５および容量１０６と直列に接続されれば良い。具体的には、位相器１０００は図６において、ソース電極１００と容量１０６との間、容量１０６と抵抗１０５との間または抵抗１０５と第２のゲート電極１０３との間に挿入されれば良い。

本実施例では、実施例１と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施例１と同等であるので、説明を省略する。

図９は本実施例に係る高周波スイッチ６１０に内包される電力検出回路６０６の別の構成を示す断面図である。

本実施例に係る電力検出回路６０６は、スイッチＦＥＴ６０８、抵抗１０５、容量１０６、電力検出用端子１０７、および高周波スイッチ制御端子１０８を備える。スイッチＦＥＴ６０８は、ソース電極１００、ドレイン電極１０１、第１のゲート電極１０２、第２のゲート電極１０３、半導体基板１０４および第３のゲート電極１２００を備える。半導体基板１０４は、例えば半導体層１０９と、絶縁性半導体層１１０で構成される。

第３のゲート電極１２００は、ソース電極１００と第１のゲート電極１０２との間の半導体層１０９の上に設けられ、半導体層１０９とショットキー接触する。第３のゲート電極１２００および第２のゲート電極１０３は、共通の高周波スイッチ制御端子１０８に電気的に接続される。

高周波スイッチ６１０を構成するＦＥＴには、挿入損失、歪特性、アイソレーション、およびチップサイズの観点から、ソース電極とドレイン電極との間に複数のゲート電極を有するマルチゲートＦＥＴが用いられる場合も多い。本実施例に係る電力検出回路６０６は、このようなマルチゲートＦＥＴが適用された構成である。

本実施例に係る電力検出回路６０６の基本的な動作原理および効果は実施例１に係る電力検出回路と同様であるが、ソース電極１００とドレイン電極１０１との間の導通・遮断は、第２のゲート電極１０３および第３のゲート電極１２００に制御信号を入力することにより制御される。

なお、第２のゲート電極１０３には、実施例１に係る電力検出回路と同様に、半波整流に適した直流電圧が適宜印加されてもよく、特に限定されないが、例えば第１のゲート電極１０２により形成されるショットキーダイオードの立ち上がり電圧以下の正電圧が印加されてもよい。一般に、マルチゲートＦＥＴではそのゲート電極間の電位が不定となるが、この電位の不安定性は動作安定性の低下や歪特性の劣化を招く場合がある。一方、本実施例に係る電力検出回路６０６においては、第２のゲート電極１０３に直流電圧を印加することで、前述の電位不安定性を改善する付帯的効果も期待できる。

また、図９に例示した構成では第２のゲート電極１０３と第３のゲート電極１２００とは直接結線されているが、電位固定用抵抗を介して結線されてもよい。

また、電位不安定性改善の付帯的効果は得られないが、第３のゲート電極１２００および第１のゲート電極１０２でソース電極１００とドレイン電極１０１との間の導通・遮断を制御し、第２のゲート電極１０３にフィードバック信号が印加されてもよい。

さらに、本実施例に係る電力検出回路６０６は、高周波スイッチ６１０を構成するＦＥＴとしてゲート電極の本数が３本のマルチゲートＦＥＴを有するとしたが、ゲート電極の本数は特に３本に限定されない。例えば、ドレイン電極１０１と第２のゲート電極１０３との間の半導体層１０９の上に、半導体層１０９とショットキー接触する第４のゲート電極がさらに設けられてもよい。

さらにまた、本実施例に係る高周波スイッチ６１０は実施例２に係る高周波スイッチと組み合わせられてもよい。その場合、第３のゲート電極１２００は図６において、ドレイン電極１０１と第２のゲート電極１０３との間の半導体層１０９の上に設けられ、半導体層１０９とショットキー接触する。このとき、ソース電極１００と第１のゲート電極１０２との間の半導体層１０９の上に、半導体層１０９とショットキー接触する第４のゲート電極がさらに設けられてもよい。

以上、本発明の半導体装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施例における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、半導体装置およびそれを用いた高周波スイッチ並びに高周波モジュールに適応でき、特に移動体通信機器等に適応できる。

１００ ソース電極
１０１ ドレイン電極
１０２ 第１のゲート電極
１０３ 第２のゲート電極
１０４ 半導体基板
１０５、３０５ 抵抗
１０６ 容量
１０７、３０３、６０３ 電力検出用端子
１０８ 高周波スイッチ制御端子
１０９ 半導体層
１１０ 絶縁性半導体層
２００ 送信系ベースバンド部
２０１ 受信系ベースバンド部
２０２ 高周波電力増幅器
２０３ 出力整合回路
２０４ 電力検出回路
２０５ 高周波スイッチ
２０６ アンテナ
２０７ 制御回路
３００、６００ 入力端子
３０１ 出力端子
３０２ 高周波信号経路
３０４ ダイオード
３０６ 直流カット容量
３０７ 平滑容量
３０８ 接地端子
６０１ 入出力端子
６０２ 出力端子
６０４ 制御端子
６０５ 電位固定用抵抗
６０６ 電力検出回路
６０７ スイッチＦＥＴ
６０８ スイッチＦＥＴ
６１０ 高周波スイッチ
１０００ 位相器
１２００ 第３のゲート電極

Claims (11)

1. 高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、
   半導体層と、前記半導体層の上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第２のゲート電極とを有し、高周波信号が前記ソース電極に入力される第１のＦＥＴと、
   一端が前記第１のゲート電極と電気的に接続され、他端が容量を介して前記ドレイン電極と電気的に接続された抵抗と、
   前記抵抗と前記容量との接続点に電気的に接続された電力検出用端子とを備える
   半導体装置。
2. 前記半導体装置は、さらに、
   前記第１のゲート電極と前記ドレイン電極との間に挿入され、前記抵抗および前記容量と直列に接続された位相器を備える
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体装置は、さらに、
   前記ソース電極と前記第１のゲート電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第３のゲート電極を備える
   請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体装置は、さらに、
   前記ドレイン電極と前記第２のゲート電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第４のゲート電極を備える
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 高周波信号の電力レベルを検出する半導体装置であって、
   半導体層と、前記半導体層の上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第２のゲート電極とを有し、高周波信号が前記ソース電極に入力される第１のＦＥＴと、
   一端が前記第２のゲート電極と電気的に接続され、他端が容量を介して前記ソース電極と電気的に接続された抵抗と、
   前記抵抗と前記容量との接続点に電気的に接続された電力検出用端子とを備える
   半導体装置。
6. 前記半導体装置は、さらに、
   前記第２のゲート電極と前記ソース電極との間に挿入され、前記抵抗および前記容量と直列に接続された位相器を備える
   請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記半導体装置は、さらに、
   前記ドレイン電極と前記第２のゲート電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第３のゲート電極を備える
   請求項５又は６に記載の半導体装置。
8. 前記半導体装置は、さらに、
   前記ソース電極と前記第１のゲート電極との間の前記半導体層の上に設けられ、前記半導体層とショットキー接触する第４のゲート電極を備える
   請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記電力検出用端子の直流電位が前記ソース電極の直流電位よりも高い
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置と、
    前記ソース電極と電気的に接続され、高周波信号が入力される第１の端子と、
    第２のＦＥＴを介して前記ドレイン電極と電気的に接続され、高周波信号が出力される第２の端子と、
    前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴとの接続点に電気的に接続され、高周波信号が入力され、前記第１の端子に入力された高周波信号が出力される第３の端子とを備える
    高周波スイッチ。
11. 請求項１０に記載の高周波スイッチと、
    出力整合回路を介して前記第１の端子と電気的に接続され、増幅した高周波信号を前記第１の端子に供給する増幅器と、
    前記第２の端子と電気的に接続され、高周波信号を送受信するアンテナと、
    前記電力検出用端子の電位に基づいて前記出力整合回路のインピーダンスを制御する制御回路とを備える
    高周波モジュール。

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