JP2013157746A - カプラおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積を小さくすること。
【解決手段】信号を分配する分配点または信号を結合する結合点１０と、分配された前記信号または結合される前記信号がそれぞれ伝搬する２つの伝送線路１２と、前記分配点または前記結合点から所定距離において、前記２つの伝送線路間に電気的に接続された抵抗１４と、を具備し、前記２つの伝送線路のそれぞれは、前記抵抗と接続される領域において、それぞれ前記分配点または前記結合点から前記抵抗に至る方向とは反対方向に折り返されているカプラ。
【選択図】図２

Description

本発明は、カプラおよび半導体装置に関し、例えば信号を分配するまたは信号を結合するカプラおよび半導体装置に関する。

高周波信号等の信号を複数に分配するまたは複数の信号を結合するために、分配器または結合器等のカプラが用いられている。カプラとしては、例えばウイルキンソン型カプラが知られている（例えば、特許文献１）。ウイルキンソン型カプラにおいては、分配点または結合点から２つの伝送線路が分割されている。分配点または結合点から信号の波長の１／４の距離において、２つの伝送線路間が抵抗により接続される。これにより、２つの信号が入力または出力する一方のポートから他方のポートへのアイソレーション特性を向上できる。

特開２００１−２６７８６２号公報

しかしながら、カプラとしてウイルキンソン型カプラを用いると、実装面積が大きくなってしまう。または、基本波以外の周波数において、アイソレーション特性が悪化する。本発明は、実装面積を小さくすること、または、基本波以外の周波数においてアイソレーション特性を改善することを目的とする。

本発明は、信号を分配する分配点または信号を結合する結合点と、分配された前記信号または結合される前記信号がそれぞれ伝搬する２つの伝送線路と、前記分配点または前記結合点から所定距離において、前記２つの伝送線路間に電気的に接続された抵抗と、を具備し、前記２つの伝送線路のそれぞれは、前記抵抗と接続される領域において、それぞれ前記分配点または前記結合点から前記抵抗に至る方向とは反対方向に折り返されていることを特徴とするカプラである。本発明によれば、実装面積を小さくすることができる。

上記構成において、前記所定距離は、前記信号の波長の１／４である構成とすることができる。

上記構成において、前記２つの伝送線路のうち、前記分配点または前記結合点から前記抵抗までの間の特性インピーダンスと、前記抵抗から前記分配点または前記結合点とは反対に前記信号の波長の１／４までの間の特性インピーダンスとは等しい構成とすることができる。

本発明は、入力信号を複数に分配する分配器と、複数に分配された入力信号がそれぞれ入力する窒化物半導体を用いた複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのそれぞれの複数の出力信号を結合する結合器と、を具備し、前記分配器および前記結合器の少なくとも一方は、上記カプラを含むことを特徴とする半導体装置である。

本発明は、信号を分配する分配点または信号を結合する結合点と、分配された前記信号または結合される前記信号がそれぞれ伝搬する２つの伝送線路と、前記２つの伝送線路それぞれにおいて、前記分配点または前記結合点からの距離が前記信号の波長の１／６および１／２の少なくとも一方の位置に、その両端が前記２つの伝送線路間に電気的に接続された第１抵抗と、を具備することを特徴とするカプラである。本発明によれば、基本波以外の周波数においてアイソレーション特性を改善することができる。

上記構成において、前記２つの伝送線路は、それぞれ前記分配点または前記結合点から前記第１抵抗に至る方向とは反対方向に折り返されている構成とすることができる。

上記構成において、前記分配点または前記結合点からの距離が前記信号の波長の１／４の位置において、前記２つの伝送線路間にその両端が電気的に接続された第２抵抗を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記第１抵抗は、前記２つの伝送線路の一部と上下で交差している構成とすることができる。

本発明は、入力信号を複数に分配する分配器と、複数に分配された入力信号がそれぞれ入力する窒化物半導体を用いた複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのそれぞれの複数の出力信号を結合する結合器と、を具備し、前記分配器および前記結合器の少なくとも一方は、上記カプラを含むことを特徴とする半導体装置である。

本発明によれば、実装面積を小さくすること、または、基本波以外の周波数においてアイソレーション特性を改善することができる。

図１（ａ）は、比較例１に係るカプラの平面図、図１（ｂ）は、比較例２に係るカプラの平面図である。 図２（ａ）は実施例１に係るカプラの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図３は、実施例１の変形例に係るカプラの平面図である。 図４は、実施例２に係る半導体装置の平面図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例３に係るカプラの平面図である。 図６（ａ）から図６（ｄ）はシミュレーションに用いた回路図である。 図７は、周波数に対するポートＰ２とＰ３間のアイソレーション特性を示すシミュレーション結果である。 図８は、実施例４に係るカプラの平面図である。 図９（ａ）は、実施例５に係るカプラの平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１０（ａ）は、実施例６に係るカプラの平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

まず、比較例について説明する。図１（ａ）は、比較例１に係るカプラの平面図、図１（ｂ）は、比較例２に係るカプラの平面図である。図１（ａ）に示すように、誘電体層２０上に金属層１３からなる信号線路が形成されている。誘電体層２０の裏面には不図示のグランド金属層が形成されている。誘電体層２０を挟んだ信号線路とグランド金属層とで伝送線路１２が形成されている。伝送線路１２はマイクロストリップ線路である。

比較例１に係るカプラは、ポートＰ１から入力する信号を分配点１０において２つの信号に分配しポートＰ２およびＰ３に出力する。または、ポート２およびＰ３から入力した２つの信号を結合点１０において結合し、ポート１に出力する。以下の比較例および実施例については、主に、ポートＰ１から入力した信号をポートＰ２およびＰ３に分配する場合を例に説明する。

比較例１においては、２つの伝送線路１２の特性インピーダンスを１００Ωとすることにより、ポートＰ１から分配点１０をみたインピーダンスを５０Ωにできる。例えばポートＰ１から分配点１０までの伝送線路１１の特性インピーダンスを５０Ωとする。これにより、ポートＰ１から入力した入力信号は、分配点１０において分配され、２つの伝送線路１２を伝搬した後、ポートＰ２およびＰ３から出力される。この場合、出力インピーダンスは１００Ωである。

しかしながら、比較例１に係るカプラは、ポートＰ２とＰ３との間のアイソレーション特性が悪い。例えば、ポートＰ３から入力した信号の一部がポートＰ２に出力されてしまう。このような問題を解決するのが比較例２に係るウイルキンソン型カプラである。

図１（ｂ）に示すように、比較例２に係るカプラは、分配点１０から信号の波長λの１／４の距離Ｌ１において２つの伝送線路１２間に抵抗１４を電気的に接続する。これにより、ポートＰ３から入力した信号のうち、抵抗１４を介した信号と、分配点１０を介した信号と、の位相を反転できる。よって、ポートＰ３から入力した信号は、抵抗１４を介した信号と分配点１０を介した信号とで打ち消し合い、ポートＰ２に出力されない。このように、ポートＰ２とＰ３との間のアイソレーション特性を向上できる。さらに、分配点１０と抵抗１４との間の伝送線路１２ａ（λ／４線路）の特性インピーダンスを例えば７０．７Ωとする。これにより、λ／４線路によりインピーダンスを１００Ωから５０Ωに変換できる。抵抗１４からポートＰ２またはＰ３までの伝送線路１２ｄの特性インピーダンスは例えば５０Ωとする。その他の構成は、比較例１と同じであり説明を省略する。

しかしながら、比較例２においては、λ／４線路（伝送線路１２ａ）を設けるため実装面積が大きくなってしまう。

図２（ａ）は実施例１に係るカプラの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）に示すように、２つの伝送線路１２は、抵抗１４と接続される領域において、それぞれ分配点１０から抵抗１４に至る方向とは反対方向に折り返されている。抵抗１４からポートＰ２またはＰ３までの伝送線路１２が伝送線路１２ｂである。伝送線路１２ｂは、分配点１０から抵抗１４までの伝送線路１２ａとは反対の方向に信号が伝搬するように延伸している。２つの伝送線路１２ｂの長さをそれぞれＬ２とする。

図２（ｂ）のように、酸化アルミニウム等の誘電体層２０の下面にはＣｕまたはＡｕ等の金属層２２が全面に形成されている。誘電体層２０の上面には、ＣｕまたはＡｕ等の金属層１３が形成されている。誘電体層２０を挟む金属層１３と２２とにより伝送線路１２が形成される。伝送線路１２の金属層１３同士が抵抗１４により接続されている。抵抗１４は、例えば誘電体層２０上に形成されたＴａＮ等の薄膜抵抗である。

実施例１によれば、分配点または結合点１０から所定距離Ｌ１において、２つの伝送線路１２間に電気的に接続された抵抗１４を具備するカプラにおいて、２つの伝送線路１２のそれぞれを、抵抗１４と接続される領域において、それぞれ分配点または結合点１０から抵抗１４に至る方向とは反対方向に折り返す。これにより、比較例２の図１（ｂ）に比べカプラを短くでき、実装面積を削減することができる。

また、分配点または結合点１０から、抵抗１４までの所定距離Ｌ１を、信号の波長の１／４とする。これにより、ポートＰ２とＰ３との間のアイソレーション特性を向上できる。

図３は、実施例１の変形例に係るカプラの平面図である。２つの伝送線路１２ｂとポートＰ２またはＰ３との間にそれぞれ伝送線路１２ｃが電気的に接続されている。伝送線路１２ｃは、伝送線路１２ｂとは反対の方向に信号が伝搬するように延伸している。例えば、伝送線路１２ａと１２ｂとの特性インピーダンスを同じとする（例えば７０．７Ωとする）。伝送線路１２ａと１２ｂとの長さをそれぞれ信号における波長λの１／４とする。すなわち、分配点１０から抵抗１４までの間（伝送線路１２ａ）と、抵抗１４から分配点１０とは反対に信号の波長の１／４までの間（伝送線路ｂ）との特性インピーダンスとを等しくする。これにより、伝送線路１２ａと１２ｂとを合わせた長さはλ／２となる。よって、伝送線路１２ｂと伝送線路１２ｃとの境界から伝送線路１２ｃをみたインピーダンスと、分配点１０から１つの伝送線路１２ａをみたインピーダンスを同じにできる。例えば、伝送線路１２ｃの特性インピーダンスは１００Ωでよい。

実施例１の変形例（図３）の構成にすることで、例えば、比較例１（図１）の伝送線路１２の特性インピーダンスは変更せず（例えば１００Ω）とも、アイソレーション特性の良好なカプラを用いることができる。

実施例２は、実施例１に係るカプラを用いた半導体装置の例である。図４は、実施例２に係るカプラの平面図である。パッケージは、導電性基板５２と絶縁性枠体５０を備えている。絶縁性枠体５０の対向する辺内の導電性基板５２上に２つの絶縁性部材５３が設けられている。２つの絶縁性部材５３上には金属膜からなるそれぞれ入力端子５４と出力端子５５とが形成されている。入力端子５４および出力端子５５は、パーケージ外のリードと電気的に接続されている。

導電性基板５２上に、基板３４、３６、４２および４４並びに半導体チップ４０が搭載されている。半導体チップ４０は、例えば窒化物半導体を用いたトランジスタ（例えば電界効果トランジスタ）である。窒化物半導体とは、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧＡＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮを含む半導体である。半導体チップ４０は複数搭載されている。基板３４と４２には入力整合回路が形成されている。基板３６と４４には例えば出力整合回路が形成されている。基板４２および４４はそれぞれ半導体チップ４０に対応し設けられている。入力整合回路は、トランジスタの入力インピーダンスを整合させる回路である。出力整合回路は、トランジスタの出力インピーダンスを整合させる回路である。

基板３４は、誘電体層からなり、入力した信号を各基板４２に分配するためのパターン３１が形成されている。パターン３１と入力端子５４とはボンディングワイヤ５６により電気的に接続されている。入力端子５４を介し基板３４に入力された信号は分配器３０により２つの分配される。分配器３０は例えば実施例１に係るカプラである。信号はその後さらに半導体チップ４０の数に対応する数に分配される。基板３６は、誘電体層からなり、基板４４から出力された複数の信号を結合するためのパターン３３が形成されている。基板４４から出力された信号は結合され、結合器３２により２つの信号が結合される。パターン３３と出力端子５５とはボンディングワイヤ５６により電気的に接続されている。結合器３２により結合された信号は出力端子５５を介し外部に出力される。基板３４、基板４２、半導体チップ４０、基板４４および基板３６は、ボンディングワイヤ４８により電気的に接続されている。

このように、実施例２によれば、入力信号を複数に分配する分配器３０と、複数に分配された入力信号がそれぞれ入力する窒化物半導体を用いた複数のトランジスタと、複数のトランジスタのそれぞれの複数の出力信号を結合する結合器３２と、を備えている。窒化物半導体を用いた複数のトランジスタにおいては、利得が大きいため、トランジスタ、分配器３０および結合器３２を通過するループが形成されると、発振が生じ易くなる。そこで、分配器３０および結合器３２の少なくとも一方に、実施例１に係るカプラを含ませる。これにより、トランジスタ、分配器３０および結合器３２を通過するループが形成されにくくなる。よって、発振の発生を抑制できる。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例３に係るカプラの平面図である。図５（ａ）に示すように、比較例２の図１（ｂ）に対し、分配点１０から信号の波長の１／６の距離Ｌ３の領域において、２つの伝送線路１２が抵抗１６ａにより接続されている。図５（ｂ）に示すように、分配点１０から信号の波長の１／２の距離Ｌ４の領域において、２つの伝送線路１２が抵抗１６ｂにより接続されている。図５（ｃ）に示すように、分配点１０から信号の波長の１／６の距離Ｌ３および１／２の距離Ｌ４の領域において、２つの伝送線路１２がそれぞれ抵抗１６ａおよび１６ｂにより接続されている。その他の構成は比較例２の図１（ｂ）と同じであり、説明を省略する。

実施例３によれば、２つの伝送線路１２それぞれにおいて、分配点または結合点１０からの距離が信号の波長の１／６および１／２の少なくとも一方の位置に、２つの伝送線路１２間に抵抗１６ａ、１６ｂ（第１抵抗）の両端が電気的に接続されている。これにより、信号の３／２の周波数および１／２の周波数の少なくとも一方の周波数におけるポートＰ２とＰ３との間のアイソレーションを向上できる。例えば実施例２のように窒化物半導体を用いたトランジスタにおいては利得が大きいため、基本波の周波数の３／２および１／２の周波数の非線形成分が発生する。実施例３によれば、このような非線形性分のアイソレレーション特性を向上できる。

分配点１０から入力信号の波長の１／４の距離Ｌ１において、２つの伝送線路１２間に電気的に接続された抵抗１４（第２抵抗）は、設けられていなくともよい。基本波におけるポートＰ２とＰ３との間のアイソレーション特性を向上させるためには、抵抗１４を設けることが好ましい。また、実施例３では、実施例１のように、２つの伝送線路１２は、それぞれ分配点または結合点１０から抵抗１６ａに至る方向とは反対方向に折り返されていてもよい。これにより、カプラの実装面積を削減できる。

比較例１、比較例２および実施例３のアイソレーション特性をシミュレーションした。図６（ａ）から図６（ｄ）はシミュレーションに用いた回路図である。図６（ａ）は比較例１に対応する回路図である。伝送線路１２を線路Ｚ０とする。図６（ｂ）は比較例２に対応する回路図である。伝送線路１２ａを線路Ｚ１、伝送線路１２ｄを線路Ｚ０、抵抗１４の抵抗値をＲ１とする。図６（ｃ）は実施例３の図５（ａ）に対応する回路図である。分配点１０と抵抗１６ａ間の伝送線路１２を線路Ｚ２、抵抗１６ａと抵抗１４との間の伝送線路１２を線路Ｚ３、抵抗１４からポートＰ２またはＰ３までの伝送線路１２を線路Ｚ０とする。抵抗Ｒ１６ａの抵抗値をＲ２、抵抗１４の抵抗値をＲ３とする。図６（ｄ）は実施例３の図５（ｃ）に対応する回路図である。分配点１０と抵抗１６ａ間の伝送線路１２を線路Ｚ２、抵抗１６ａと抵抗１４との間の伝送線路１２を線路Ｚ３、抵抗１４から抵抗１６ｂとの間の伝送線路１２を線路Ｚ４、抵抗Ｒ１６ｂとポートＰ２またはＰ３までの伝送線路１２を線路Ｚ０とする。抵抗Ｒ１６ａの抵抗値をＲ４、抵抗１４の抵抗値をＲ５、抵抗１６ｂの抵抗値をＲ６とする。

表１に、シミュレーションに用いた各線路の４ＧＨｚにおける特性インピーダンスおよび電気長、並びに各抵抗の抵抗値を示す。各抵抗値は、アイソレーション特性が向上するように、調整した値である。

図７は、周波数に対するポートＰ２とＰ３間のアイソレーション特性を示すシミュレーション結果である。図７において、比較例１は点線、比較例２は１点鎖線、実施例３の図５（ａ）は実線、実施例３の図５（ｃ）は破線で示している。図７に示すように、比較例１では、アイソレーション特性は悪い。比較例２では、基本波の周波数ｆ０である４ＧＨｚにおいてはアイソレーション特性がよいが、他の周波数（例えば、ｆ０／２、３ｆ０／２）においては、アイソレーション特性が悪い。実施例３の図５（ａ）においては、周波数３ｆ０／２付近のアイソレーション特性を改善できる。実施例３の図５（ｃ）においては、周波数ｆ０／２および３ｆ０／２付近のアイソレーション特性を改善できる。

図８は、実施例４に係るカプラの平面図である。図８に示すように、実施例１の変形例の図４と比較し、抵抗１６ａが設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例４は、実施例１のように、２つの伝送線路１２は、それぞれ分配点または結合点１０から抵抗１６ａに至る方向とは反対方向に折り返されていてもよい。さらに、２つの伝送線路１２は、実施例１の変形例のように、それぞれ分配点または結合点１０から抵抗１６ａに至る方向に延伸していてもよい。これにより、カプラの実装面積を削減できる。

図９（ａ）は、実施例５に係るカプラの平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ａ）に示すように、実施例１の変形例の図３と比較し、抵抗１６ａおよび１６ｂが設けられている。図９（ｂ）のように、抵抗１６ｂと伝送線路１２とは絶縁層２４を介し交差している。交差することで、カプラの実装面積を削減できる。絶縁層２４としては、例えばポリイミドまたは酸化シリコンを用いることができる。また、絶縁層２４を設けず、抵抗１６ｂと伝送線路１２とは空間を介し交差していてもよい。その他の構成は、図４と同じであり説明を省略する。

実施例５のように、抵抗１６ａ、１６ｂおよび１４の少なくとも１つは、２つの伝送線路１２の一部と上下で交差していてもよい。これにより、伝送線路１２を折り返した場合も、２つの伝送線路１２間に抵抗を接続することができる。

図１０（ａ）は、実施例６に係るカプラの平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ａ）に示すように、伝送線路１１がポートＰ１と分配点１０との間に設けられている。伝送線路１２は、伝送線路１１の両側に伝送線路１１の信号の伝搬方向とは逆方向に信号が伝搬するように設けられている。図１０（ｂ）に示すように、２つの伝送線路１２間を接続する抵抗１６ａおよび１４と、伝送線路１１とは、絶縁層２４を介し交差している。絶縁層２４としては、例えばポリイミドまたは酸化シリコンを用いることができる。また、絶縁層２４を設けず、抵抗１６ｂと伝送線路１２とは空間を介し交差していてもよい。

実施例６のように、抵抗１６ａ、１６ｂおよび１４の少なくとも１つは、伝送線路１１の一部と交差していてもよい。これにより、伝送線路１１の両側に伝送線路１２を設けた場合も場合も、２つの伝送線路１２間に抵抗を接続することができる。

実施例３から実施例６のカプラを、実施例２の半導体装置の分配器３０および結合器３２の少なくとも一方に適用することができる。

実施例１から実施例６において、カプラにより分配または結合する信号は例えば高周波信号とすることができる。信号の波長の１／４、１／６または１／２の距離は、カプラにより分配または結合する信号の周波数を基準の周波数とすることができる。また、各伝送線路の特性インピーダンスは、カプラにより分配または結合する信号の周波数を基準の周波数とすることができる。また、基準の周波数は、実施例１、３〜６に係るカプラが用いられる装置、例えば増幅装置等の帯域内のいずれか周波数とすることができる。さらに、基準の周波数は、上記装置の帯域の中心付近の周波数とすることもできる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 分配点または結合点
１１ 伝送線路
１２ 伝送線路
１３ 金属層
１４ 抵抗
１６ａ、１６ｂ 抵抗
２０ 誘電体層
４０ 半導体チップ

Claims (9)

1. 信号を分配する分配点または信号を結合する結合点と、
   分配された前記信号または結合される前記信号がそれぞれ伝搬する２つの伝送線路と、
   前記分配点または前記結合点から所定距離において、前記２つの伝送線路間に電気的に接続された抵抗と、
   を具備し、
   前記２つの伝送線路のそれぞれは、前記抵抗と接続される領域において、それぞれ前記分配点または前記結合点から前記抵抗に至る方向とは反対方向に折り返されていることを特徴とするカプラ。
2. 前記所定距離は、前記信号の波長の１／４であることを特徴とする請求項１記載のカプラ。
3. 前記２つの伝送線路のうち、前記分配点または前記結合点から前記抵抗までの間の特性インピーダンスと、前記抵抗から前記分配点または前記結合点とは反対に前記信号の波長の１／４までの間の特性インピーダンスとは等しいことを特徴とする請求項２記載のカプラ。
4. 入力信号を複数に分配する分配器と、
   複数に分配された入力信号がそれぞれ入力する窒化物半導体を用いた複数のトランジスタと、
   前記複数のトランジスタのそれぞれの複数の出力信号を結合する結合器と、
   を具備し、
   前記分配器および前記結合器の少なくとも一方は、請求項１から３のいずれか一項記載のカプラを含むことを特徴とする半導体装置。
5. 信号を分配する分配点または信号を結合する結合点と、
   分配された前記信号または結合される前記信号がそれぞれ伝搬する２つの伝送線路と、
   前記２つの伝送線路それぞれにおいて、前記分配点または前記結合点からの距離が前記信号の波長の１／６および１／２の少なくとも一方の位置に、その両端が前記２つの伝送線路間に電気的に接続された第１抵抗と、
   を具備することを特徴とするカプラ。
6. 前記２つの伝送線路は、それぞれ前記分配点または前記結合点から前記第１抵抗に至る方向とは反対方向に折り返されていることを特徴とするカプラ。
7. 前記分配点または前記結合点からの距離が前記信号の波長の１／４の位置において、前記２つの伝送線路間にその両端が電気的に接続された第２抵抗を具備することを特徴とする請求項５または６記載のカプラ。
8. 前記第１抵抗は、前記２つの伝送線路の一部と上下で交差していることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項記載のカプラ。
9. 入力信号を複数に分配する分配器と、
   複数に分配された入力信号がそれぞれ入力する窒化物半導体を用いた複数のトランジスタと、
   前記複数のトランジスタのそれぞれの複数の出力信号を結合する結合器と、
   を具備し、
   前記分配器および前記結合器の少なくとも一方は、請求項５から８のいずれか一項記載のカプラを含むことを特徴とする半導体装置。

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