JP2015080018A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅器を備えた半導体装置においてフィードバック発振を抑制すること。
【解決手段】基板２２と、基板２２の上に設けられ、互いに間隔がおかれた第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙとを備えた接地導体層２５と、接地導体層２５の上に設けられ、高周波信号が入力される入力端子２６と出力端子２７とを備えた増幅器２４とを備え、平面視において、入力端子２６と出力端子２７とを結ぶ第１の仮想線K1が、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの間を通る半導体装置による。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置に関する。

モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）等の半導体装置においては、高周波信号を増幅するための増幅器が設けられることがある。増幅器は入力端子と出力端子とを有しており、入力端子から入力された高周波信号が増幅器内で増幅されて出力端子から出力される。

ここで、出力端子から出力された高周波信号の一部が何らかの経路をたどって入力端子に戻ると、増幅器内で高周波信号が繰り返し増幅されてしまい、増幅器においてフィードバック発振と呼ばれる不要な発振が生じてしまう。

このような発振を防止する方法としては、例えば、アイソレーション抵抗を用いる方法がある。この方法では、複数の増幅器が直列に接続されている場合に各増幅器の間にアイソレーション抵抗を設けることで、前段から後段の増幅器に伝わる高周波信号をアイソレーション抵抗で減衰し、フィードバック発振を低減する。

しかし、これでは各増幅器で増幅された高周波信号がアイソレーション抵抗で減衰されてしまうので、各増幅器の増幅能力を十分に活かすことができない。

特開平１１−６８４２０号公報 特開平１−２０４５０２号公報

増幅器を備えた半導体装置においてフィードバック発振を抑制することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、基板と、前記基板の上に設けられ、互いに間隔がおかれた第１の開口と第２の開口とを備えた接地導体層と、前記接地導体層の上に設けられ、高周波信号が入力される入力端子と出力端子とを備えた増幅器とを備え、平面視において、前記入力端子と前記出力端子とを結ぶ第１の仮想線が、前記第１の開口と前記第２の開口の間を通る半導体装置が提供される。

また、この開示の他の観点によれば、基板と、前記基板の上に設けられ、平面視で凹凸が付された縁部を有する接地導体層と、前記接地導体層の上に設けられ、高周波信号が入力される入力端子と出力端子とを備えた増幅器とを備え、平面視において、前記入力端子と前記出力端子とを結ぶ仮想線が、前記縁部の延在方向に向かって延びる半導体装置が提供される。

以下の開示によれば、接地導体層に第１の開口と第２の開口を設けたことで、入力端子から接地導体層に漏れた高周波信号の経路が、各開口の間を通る経路と各開口を迂回する経路の二つに制限される。よって、各開口の大きさを調節することで、各経路の長さの差を高周波信号の波長の半分にするのが容易となり、出力端子の下で各経路が合流したときに各経路を通った高周波信号の強度を相殺でき、その高周波信号に起因したフィードバック発振を抑制できる。

図１は、本願発明者が検討した半導体装置を模式的に表す斜視図である。 図２は、本願発明者が行った電磁界シミュレーションの結果を示す平面図である。 図３は、第１実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 図４は、第１実施形態に係る半導体装置の模式断面図である。 図５は、第１実施形態に係る半導体装置が備える増幅器の回路図である。 図６は、第１実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図７は、第１実施形態に係る半導体装置の動作について説明するための模式平面図である。 図８は、第１実施形態の他の例に係る半導体装置の平面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置が備える第１の開口と第２の開口の平面形状の他の例について示す平面図である。 図１０は、第２実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 図１１は、第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図１２は、第２実施形態に係る半導体装置の動作について説明するための模式平面図である。 図１３は、第２実施形態に係る半導体装置が備える接地導体層を流れる高周波電流の様子を電磁界シミュレーションにより求めた結果を示す平面図である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態において接地導体層の縁部に付す凹凸の他の例について示す平面図である。 図１５は、第３実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 図１６は、第１〜第３実施形態の効果を確認するために本願発明者が行ったシミュレーションの結果について示す図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、本願発明者が検討した半導体装置を模式的に表す斜視図である。

この半導体装置１は、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)であって、InP等の半導体を材料とする基板２と、その基板２の上に形成された接地導体層５とを有する。

接地導体層５は、接地電位に維持されており、グランドインピーダンスを低減するために基板２の上において矩形状の広範な領域にベタ状に形成される。この例では、接地導体層５の短辺の長さを０．２mm〜２mm程度とし、接地導体層５の長辺の長さを０．５mm〜５mm程度とする。

接地導体層５の上には、不図示の絶縁層を介して複数の増幅器４が設けられる。各増幅器４は直列に接続されており、これらのうちの入力段の増幅器４には入力端子６が設けられ、出力段の増幅器４には出力端子７が設けられる。

なお、以下では入力端子６の下方にある接地導体層５の仮想的な点を第１のポート５ａと呼び、出力端子７の下方にある接地導体５の仮想的な点を第２のポート５ｂと呼ぶ。

また、各増幅器４には不図示の接地端子があり、当該接地端子は接地導体層５と電気的に接続される。

入力端子６には、周波数が７０GHzを超える超高周波帯の信号が入力され、当該信号が各増幅器４で増幅された後、出力端子７から出力される。特に、周波数が３００GHzを超える高周波はサブミリ波とも呼ばれる。

ここで、サブミリ波の波長は１mm以下であり、基板２の誘電率を考慮すると１／４波長が接地導体層５の各辺の長さよりも短い。よって、サブミリ波が伝う接地導体層５は場所によって電位が異なるようになるため、接地導体層５の電位が不安定になり、接地導体層５を接地電位に維持することができなくなる。

その結果、出力端子７から漏れた高周波信号Sが基板モードで基板２内を伝搬することが可能となり、その高周波信号が入力端子６に戻って各増幅器４がフィードバック発振を起こしてしまう。

このようなフィードバック発振を防止するために、基板２を薄くしてその中を高周波信号が伝搬し難くなるようにし、上記の基板モードが発生しないようにすることが考えられる。しかし、基板２は過度に薄くすると可撓性を有するようになるため、電子機器を組み立てるときに基板２の取り扱いが不便になる。

よって、サブミリ波を用いる半導体装置１においては、基板２を過度に薄くせずにフィードバック発振を抑制できる構造を採用するのが好ましい。

本願発明者は、どのような構造であればフィードバック発振が抑制できるのかを調べるために、接地導体層５を流れる高周波電流の様子を電磁界シミュレーションにより求めた。

そのシミュレーションの結果を図２の平面図に示す。

なお、このシミュレーションでは、接地導体層５の上に不図示の絶縁層を介して増幅器４を一つだけ設けた場合を想定した。

接地導体層５は、グランドインピーダンスを低減して信号損失を抑制するために無限平面とするのが理想であるが、実際には半導体装置１のサイズに合わせて接地導体層５を有限サイズとしなければならない。これにより、図２に示すように、高周波電流の大部分は接地導体層５の縁部５ｚを流れることが明らかとなった。

よって、出力端子７（図１参照）から放射された高周波信号は、その下の第２のポート５ｂにおいて接地導体層５に移った後、図２の経路Pのように縁部５ｚを経由し、第１のポート５ａに至ることになる。そして、第１のポート５ａからその上方の入力端子６（図１参照）に高周波信号が放射されることで、入力端子６と出力端子７とを巡回するループ状の経路が生じ、これにより前述のようなフィードバック発振が生じることになる。

この結果によれば、経路Pを流れる高周波電流を弱めることでフィードバック発振を抑制できることになる。

以下に、このような知見に鑑みた各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図３は、本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。

この半導体装置２１は、基板２２を備えたMMICであって、基板２２の上に形成された接地導体層２５を有する。

基板２２として絶縁性基板と半導体基板のどちらを用いても、後述の本実施形態の効果を得られる。絶縁性基板としては例えば石英基板があり、半導体基板としては例えばInP基板、GaAs基板、及びSi基板等がある。

基板２２の厚さは、半導体装置２１の取り扱いを容易にするためになるべく厚いのが好ましく、この例では基板２２を１００μm〜６００μm程度の厚さとする。

一方、接地導体層２５は、接地電位に維持されており、互いに間隔がおかれた第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙとを有する。これらの開口２５ｘ、２５ｙの大きさは特に限定されない。本実施形態では、各開口２５ｘ、２５ｙを幅Dが５０μm〜５００μm程度のスリット状とする。

また、グランドインピーダンスを低減するためには、各開口２５ｘ、２５ｙを除いた部分の接地導体層２５を基板２２の広範な領域にベタ状に形成するのが好ましい。この例では、接地導体層２５の外形を平面視で矩形状とし、その短辺の長さを例えば０．２mm〜２mmとし、長辺の長さを例えば０．５mm〜５mmとする。

接地導体層２５の材料も特に限定されず、以下では基板２２の上に接地導体層２５として蒸着法で厚さが０．１μm〜２μm程度の金膜を形成する。なお、銅膜やアルミニウム膜を接地導体層２５として形成してもよい。

接地導体層２５の上には、不図示の絶縁層を介して複数の増幅器２４が設けられる。各増幅器２４は直列に接続されており、これらのうちの入力段の増幅器２４には入力端子２６が設けられ、出力段の増幅器２４には出力端子２７が設けられる。

なお、各増幅器２４には不図示の接地端子があり、その接地端子は接地導体層２５と電気的に接続される。

入力端子２６から入力される高周波信号の周波数は特に限定されないが、本実施形態では周波数が７０GHzを超える高周波信号を各増幅器２４で増幅する。

図４は、この半導体装置２１の模式断面図であって、図３のI−I線に沿う断面図に相当する。

図４に示すように、接地導体層２５の上にはベンゾシクロブテン(BCB)層等の絶縁層２９が形成され、その絶縁層２９の上に前述の増幅器２４を含む半導体回路配線層２８が形成される。

そして、前述の入力端子２６と出力端子２７は、それぞれ絶縁層２９を介してその下の接地導体層２５と対向する。

図５は、一つの増幅器２４の回路図である。

増幅器２４は、入力部２４ａと出力部２４ｂとを有し、電源電圧Vddが供給されることで駆動する。そして、入力部２４ａから高周波信号が入力され、その高周波信号がトランジスタTRで増幅されて出力部２４ｂから出力される。

また、増幅器２４には高周波信号における直流成分をカットするための第１〜第３のキャパシタC1〜C3が設けられる。更に、これらのキャパシタC1〜C3とトランジスタTRには第１〜第６の分布定数回路L1〜L6が接続される。

図６は、半導体装置２１の平面図である。

なお、図６においては、図が煩雑になるのを防止するために増幅器２４（図３参照）を省いている。

図６に示すように、入力端子２６と出力端子２７とを結ぶ第１の仮想線K1は、平面視において第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの間を通る。

また、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙは前述のようにスリット状であり、これらの中心同士を結ぶ第２の仮想線K2は、上記の第１の仮想線K1と直交する。

なお、以下では入力端子２６の下方にある接地導体層２５の仮想的な点を第１のポート２５ａと呼び、出力端子２７の下方にある接地導体層２５の仮想的な点を第２のポート２５ｂと呼ぶ。

次に、この半導体装置２１の動作について説明する。

図７は、半導体装置２１の動作について説明するための模式平面図である。なお、図７においても、図６と同様に増幅器２４を省いている。

出力端子２７から放射された高周波信号の一部は、その下の第２のポート２５ｂに移った後、接地導体層２５を伝搬して第１のポート２５ａに至る。

接地導体層２５を伝搬する高周波信号の経路は、前述の第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙによって制限を受け、各開口２５ｘ、２５ｙを迂回する第１の経路P1と、これらの開口２５ｘ、２５ｙの間を通る第２の経路P2とに分けられる。

このうち、第１の経路P1は接地導体層２５の縁部を通って第１のポート２５ａに至り、第２の経路P2は上記の第１の仮想線K1に沿って第１のポート２５ａに至る。

これらの経路P1、P2を通った高周波信号は、第１のポート２５ａにおいて合成される。

ここで、高周波信号の経路を上記の経路P1、P2のみに制限したことで、第１のポート２５ａにおいて合成される各信号の経路差は上記の経路P1、P2の長さの相違に等しくなり、これ以外の経路差を有する高周波信号が低減する。

よって、各開口２５ｘ、２５ｙの大きさを調節することにより、経路P1、P2の各々を経由した高周波信号の位相差でそれらの高周波信号を第１のポート２５ａで相殺させるのが容易となり、増幅器２４におけるフィードバック発振を抑制することが可能となる。

各経路P1、P2を経由して第１のポート２５ａに到達した各高周波信号の位相差が１８０°となるのは、各経路P1、P2の経路長の差が高周波信号の波長λの１／２となる場合である。そのため、第２の仮想線K2に沿った各開口２５ｘ、２５ｙの幅Wをλ／４とすることで、各経路P1、P2の長さの差を高周波信号の波長λの１／２に近づかせ、各経路P1、P2を通った高周波信号を相殺させるのが好ましい。

本実施形態では、幅Wが上記のλ／４に概ね等しくなるように、幅Wを５０μm〜８００μm程度とする。

また、上記した第２の経路P2を通る高周波信号を多くするには、第１の仮想線K1と第２の仮想線K2との交点Qを、平面視で入力端子２６よりも出力端子２７寄りに位置させるのが好ましい。これにより、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙとの間の間口Mが第２のポート２５ｂから見て広がるため、第２の経路P2を通る高周波信号が多くなり、その高周波信号で第１の経路P1を通った大部分の高周波信号を打ち消すことができる。

また、この構造によれば、直列に接続された各増幅器２４の間にアイソレーション抵抗を設けなくてもフィードバック発振を抑制できるので、アイソレーション抵抗で高周波信号が低減するのを防止して、各増幅器２４の増幅能力を十分に活かすこともできる。

なお、本実施形態は上記に限定されない。

図８は、本実施形態の他の例に係る半導体装置の平面図である。

図８の例では、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの各々を接地導体層２５に複数設ける。

この場合、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの各々を、第２の経路P2の延在方向に間隔をおいて複数設ける。

これにより、各開口２５ｘ、２５ｙの個数に応じて第１の経路P1の分岐数が増え、各分岐と第２の経路P2との合流地点で高周波信号同士が打ち消し合い、フィードバック発振を抑制することができる。

特に、図８の例のように平面視で各増幅器２４の両脇に第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙとを設けることで、各増幅器２４の入力部と出力部において各経路P1、P2が合流し、個々の増幅器２４で生じるフィードバック発振を抑制することができる。

更に、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの平面形状も上記に限定されない。

図９（ａ）、（ｂ）は、第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙの平面形状の他の例について示す平面図である。

図９（ａ）の例では各開口２５ｘ、２５ｙの平面形状を一辺の長さが５０μm〜８００μm程度の正方形とし、図９（ｂ）の例では各開口２５ｘ、２５ｙの平面形状を直径が５０μm〜８００μm程度の円形とする。

図９（ａ）や図９（ｂ）の例でも、上記と同様にしてフィードバック発振を抑制することができる。

（第２実施形態）
図１０は、本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。

なお、図１０において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

本実施形態に係る半導体装置３０は、第１実施形態と同様に複数の増幅器２４が直列に接続されたMMICであって、周波数が７０GHzを超える高周波信号が各増幅器２４で増幅される。

また、基板２２の上には接地導体層２５が設けられ、その接地導体層２５の縁部２５ｚには、コルゲーションと呼ばれる周期的な凹凸が付される。

なお、第１実施形態の図４におけるのと同様に、本実施形態においても各増幅器２４は半導体回路配線層２８に形成され、その半導体回路配線層２８と接地導体層２５との間には絶縁層２９が設けられる。

図１１は、半導体装置３０の平面図である。

図１１に示すように、入力端子２６と出力端子２７とを結ぶ第１の仮想線K1は、上記のように凹凸が付された縁部２５ｚの延在方向に沿って延びる。

また、縁部２５ｚの凹凸は、第１の仮想線K1の延在方向に間隔をおいて設けられた矩形パターンにより形成される。

図１２は、半導体装置３０の動作について説明するための模式平面図である。なお、図１２において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

第１実施形態と同様に、出力端子２７から放射された高周波信号の一部は、接地導体層２５の第２のポート２５ｂから第１のポート２５ａに伝搬する際、接地導体層２５の縁部２５ｚに沿った第１の経路P1を通る。

ここで、本実施形態では前述のように縁部２５ｚに凹凸を付したため、縁部２５ｚを通る高周波信号が乱されるようになる。その結果、第２のポート２５ｂから第１のポート２５ａに伝搬する高周波信号が減衰し、半導体装置３０のフィードバック発振を抑制することが可能となる。

特に、接地導体層２５の四つの縁部のうち、第１の仮想線K1の延在方向に沿って延びる縁部２５ｚに凹凸を付すことにより、第１の仮想線K1に平行な第１の経路P1を伝搬する高周波信号をその凹凸で乱すことができる。

また、本願発明者の経験によれば、高周波信号の波長をλとするとき、凹凸の凸部の幅Xを０．１λ程度、凸部のピッチYを０．３４λ程度とした場合に効果的にフィードバック発振を抑制できることが明らかとなった。

本願発明者は、接地導体層２５を流れる高周波電流の様子を電磁界シミュレーションにより求めた。

その結果を図１３の平面図に示す。

なお、このシミュレーションでは接地導体層２５の上に不図示の絶縁層を介して増幅器２４を一つだけ設け、その増幅器２４の入力部と出力部にそれぞれ第１のポート２５ａと第２のポート２５ｂが位置している場合を想定している。

図１３に示すように、縁部２５ｚに凹凸を付与したことにより、縁部２５ｚを流れる高周波電流の向きが乱されているのが分かる。

なお、縁部２５ｚに付す凹凸の形状は上記に限定されない
図１４（ａ）、（ｂ）は、縁部２５ｚに付す凹凸の他の例について示す平面図である。

図１４（ａ）は台形状の凸部を縁部２５ｚに設けた例であり、図１４（ｂ）は凸部の形状を逆台形状にした例である。

図１４（ａ）や図１４（ｂ）の例でも、上記と同様にして縁部２５ｚを流れる高周波電流が乱れ、フィードバック発振を抑制することが可能となる。

（第３実施形態）
図１５は、本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。

なお、図１５において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

本実施形態に係る半導体装置４０においては、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせることにより、接地導体層２５に第１の開口２５ｘと第２の開口２５ｙを設け、かつ、接地導体層２５の縁部２５ｚに凹凸を付与する。

これにより、第１実施形態で説明したように、各開口２５ｘ、２５ｙの作用で接地導体層２５を流れる高周波信号を第１のポート２５ａにおいて相殺できる。更に、第２実施形態と同様に、凹凸のある縁部２５ｚを流れる高周波信号が低減する。これにより、本実施形態では、第１実施形態や第２実施形態よりも更に効果的にフィードバック発振を抑制することができる。

（シミュレーション結果）
次に、第１〜第３実施形態の効果を確認するために本願発明者が行ったシミュレーションについて、図１６を参照しながら説明する。

このシミュレーションでは、第１〜第３実施形態と比較例の各々について、接地導体層２５を流れる高周波電流の周波数と、前述の第１のポート２５ａと第２のポート２５ｂとの間でのフィードバック量とを調査した。

なお、比較例においては、接地導体層２５に開口２５ｘ、２５ｙや縁部２５ｚに凹凸を設けておらず、ベタ状の接地導体層２５を用いた。

また、第１〜第３実施形態と比較例のいずれにおいても、基板２２として誘電率が１１．９で厚さが２００μmのInP基板を用い、各ポート２５ａ、２５ｂ間の間隔を約５００μmとした。また、基板２２の裏面は完全導体であると想定した。

図１６に示すように、開口２５ｘ、２５ｙを設けた第１実施形態では、比較例よりもフィードバック量が３dB程度低減している。

また、縁部２５ｚに凹凸を設けた第２実施形態では、第１実施形態よりも更にフィードバックが抑制されている。

そして、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせた第３実施形態では、３１１GHz程度の周波数においてフィードバック量を大きく低減できることも明らかとなった。

１、２１、３０、４０…半導体装置、２、２２…基板、４、２４…増幅器、５、２５…接地導体層、５ａ、２５ａ…第１のポート、５ｂ、２５ｂ…第２のポート、５ｚ…縁部、６、２６…入力端子、７、２７…出力端子、２５ｘ…第１の開口、２５ｙ…第２の開口、２５ｚ…縁部、２８…半導体回路配線層、２９…絶縁層、C1〜C3…第１〜第３のキャパシタ、L1〜L6…第１〜第６の分布定数回路、TR…トランジスタ、K1…第１の仮想線、K2…第２の仮想線、Q…交点、P…経路、P1…第１の経路、P2…第２の経路。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられ、互いに間隔がおかれた第１の開口と第２の開口とを備えた接地導体層と、
   前記接地導体層の上に設けられ、高周波信号が入力される入力端子と出力端子とを備えた増幅器とを備え、
   平面視において、前記入力端子と前記出力端子とを結ぶ第１の仮想線が、前記第１の開口と前記第２の開口の間を通ることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の仮想線に垂直な方向に沿った前記第１の開口と前記第２の開口の各々の幅が、前記高周波信号の波長の１／４であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の開口と前記第２の開口とを結ぶ第２の仮想線と前記第１の仮想線との交点が、前記入力端子よりも前記出力端子寄りに位置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の開口が、前記第１の仮想線の延在方向に間隔をおいて複数設けられ、
   前記第２の開口が、前記第１の仮想線の延在方向に間隔をおいて複数設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記接地導体層は、前記第１の仮想線に平行な縁部を有し、
   平面視で前記縁部に凹凸が付されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 基板と、
   前記基板の上に設けられ、平面視で凹凸が付された縁部を有する接地導体層と、
   前記接地導体層の上に設けられ、高周波信号が入力される入力端子と出力端子とを備えた増幅器とを備え、
   平面視において、前記入力端子と前記出力端子とを結ぶ仮想線が、前記縁部の延在方向に向かって延びることを特徴とする半導体装置。

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