JP2024082342A - Field-effect transistor - Google Patents
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Abstract
【課題】最大有能電力利得を向上できる電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】電界効果トランジスタ1は、ソース電極S1a,S1bと、ドレイン電極D1と、信号が入力される一端と、他端と、を有するゲートフィンガー10a,10bと、ゲートフィンガー10a,10bの他端に接続されたインピーダンス素子18a,18bと、を備える。ゲートフィンガー10a,10bの他端からインピーダンス素子18a,18bを見たインピーダンスは、容量性または誘導性である。【選択図】図3[Problem] To provide a field effect transistor capable of improving the maximum available power gain. [Solution] A field effect transistor 1 includes source electrodes S1a, S1b, a drain electrode D1, gate fingers 10a, 10b having one end to which a signal is input and the other end, and impedance elements 18a, 18b connected to the other ends of the gate fingers 10a, 10b. The impedance of the impedance elements 18a, 18b as viewed from the other ends of the gate fingers 10a, 10b is capacitive or inductive. [Selected Figure] Figure 3
Description
本開示は、高周波用の電界効果トランジスタ(FET)に関する。 This disclosure relates to high frequency field effect transistors (FETs).
近年、無線通信システムや無線電力伝送システムの開発が進められている。これらのシステムには、高周波用の増幅素子が必要である。例えば、特許文献1は、高周波用のMOSFETを開示する。
In recent years, the development of wireless communication systems and wireless power transmission systems has progressed. These systems require high-frequency amplification elements. For example,
従来の電界効果トランジスタでは、ゲート幅が大きくなるほど最大有能電力利得(MAG:Maximum Available power Gain)が低下する。MAGを向上させることが望まれる。 In conventional field effect transistors, the larger the gate width, the lower the maximum available power gain (MAG). It is desirable to improve the MAG.
本開示はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、最大有能電力利得を向上できる電界効果トランジスタを提供することにある。 The present disclosure has been made in consideration of these problems, and one of its exemplary objectives is to provide a field effect transistor that can improve the maximum available power gain.
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電界効果トランジスタは、ソース電極と、ドレイン電極と、信号が入力される一端と、他端と、を有するゲートフィンガーと、ゲートフィンガーの他端に接続されたインピーダンス素子と、を備える。ゲートフィンガーの他端からインピーダンス素子を見たインピーダンスは、容量性または誘導性である。 In order to solve the above problem, a field effect transistor according to one embodiment of the present disclosure includes a source electrode, a drain electrode, a gate finger having one end to which a signal is input and the other end, and an impedance element connected to the other end of the gate finger. The impedance of the impedance element as viewed from the other end of the gate finger is capacitive or inductive.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本開示の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, or mutual substitution of the components or expressions of this disclosure between methods, systems, etc., are also valid aspects of this disclosure.
本開示によれば、最大有能電力利得を向上できる電界効果トランジスタを提供できる。 The present disclosure provides a field effect transistor that can improve the maximum available power gain.
本発明者らは、マイクロ波帯およびミリ波帯の高周波用の電界効果トランジスタについて研究し、以下の知見を得た。図1は、比較例の電界効果トランジスタ100の構成を示す平面図である。電界効果トランジスタ100は、ゲート電極G1、ソース電極S1a、ソース電極S1b、およびドレイン電極D1を備える。
The inventors have studied field effect transistors for high frequencies in the microwave and millimeter wave bands and have obtained the following findings. FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a
ゲート電極G1は、ゲートフィンガー10aおよびゲートフィンガー10bを有する。以下、適宜、ゲートフィンガー10aおよびゲートフィンガー10bを総称して「ゲートフィンガー10」と呼ぶ。2つのゲートフィンガー10の一端は接続部12に接続される。接続部12は、高周波信号の信号入力端を構成する。信号入力端の反対側のゲートフィンガー10の端部は、開放されている。ゲートフィンガー10の幅をゲートフィンガー幅Wgとする。電界効果トランジスタ100は、公知の構成を有するため、これ以上の詳細な説明は省略する。
The gate electrode G1 has
図2は、図1の電界効果トランジスタ100におけるMAGの周波数依存性を示す。この例では、電界効果トランジスタ100は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である。図2は、ゲート長0.25μm、ゲートフィンガー幅Wg=50μm、100μm、または200μm、ゲートフィンガー数が2であるGaN HEMTの測定値を示す。バイアス条件は、Vds=28V、Ids=100mA/mmである。
Figure 2 shows the frequency dependence of MAG in the
図2に示すように、比較例の電界効果トランジスタ100では、例えば、概ね10GHz以上の高周波帯域において、ゲートフィンガー幅Wgが大きくなるにつれてMAGが低下する。
As shown in FIG. 2, in the comparative
本発明者らは、考察と分析を重ねた結果、ゲートフィンガー幅Wgが大きくなるほどMAGが低下する現象は、ゲートフィンガー10の分布定数線路としての振る舞いが、ゲートフィンガー幅Wgが大きいほど顕在化することが主要因の1つであることを見出した。
After much consideration and analysis, the inventors discovered that one of the main reasons for the phenomenon in which the MAG decreases as the gate finger width Wg increases is that the behavior of the
本発明者らは、これらの知見に基づいてさらに研究を重ね、ゲートフィンガー10における信号入力端の反対側の端部、即ちゲートフィンガー10の先端にインピーダンス素子を接続することで、ゲートフィンガー10の分布定数線路としての振る舞いを有効活用でき、所定の周波数帯域でMAGを改善できることを見出した。実施の形態は、このような思索に基づいて案出されたもので、以下にその具体的な構成を説明する。
Based on these findings, the inventors conducted further research and discovered that by connecting an impedance element to the end of the
以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Below, the embodiments for implementing the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that in the description, the same elements are given the same reference numerals, and duplicate descriptions will be omitted as appropriate.
図3は、実施の形態の電界効果トランジスタ1の構成を示す。図3(a)は、電界効果トランジスタ1の平面図であり、図3(b)は、図3(a)の電界効果トランジスタ1のA-A’線に沿った縦断面図である。電界効果トランジスタ1は、例えば、パワーアンプや低雑音増幅器などにおける増幅素子として利用できる。
Figure 3 shows the configuration of a
電界効果トランジスタ1は、ゲート電極G1、ソース電極S1a、ソース電極S1b、ドレイン電極D1、インピーダンス素子18a、およびインピーダンス素子18bを備える。以下、適宜、ソース電極S1aおよびソース電極S1bを総称して「ソース電極S1」と呼ぶ。適宜、インピーダンス素子18aおよびインピーダンス素子18bを総称して「インピーダンス素子18」と呼ぶ。インピーダンス素子18以外の構成は、比較例と同様である一例を示すが、他の電界効果トランジスタの構成を有してもよい。
The
図3(b)に示すように、ゲート電極G1、ソース電極S1、ドレイン電極D1は、半導体基板30上に形成される。インピーダンス素子18も半導体基板30上に形成される。半導体基板30は、特に限定されないが、例えば、シリコンなどの半導体基板であってもよいし、化合物半導体基板であってもよいし、化合物半導体層を含む基板であってもよい。化合物半導体は、特に限定されないが、例えば、ガリウムヒ素(GaAs)であってもよいし、窒化ガリウム(GaN)などの窒化物半導体であってもよい。電界効果トランジスタ1は、特に限定されないが、例えば、窒化ガリウムを用いた高電子移動度トランジスタ、即ちGaN HEMTであってもよい。
As shown in FIG. 3B, the gate electrode G1, the source electrode S1, and the drain electrode D1 are formed on the
ドレイン電極D1は、半導体基板30の表面に沿った第1方向d1に延びる。ドレイン電極D1の一端には、ドレイン端子22が接続されている。
The drain electrode D1 extends in a first direction d1 along the surface of the
ソース電極S1aとソース電極S1bは、ドレイン電極D1の第2方向d2の両側に略平行に配置され、第1方向d1に延びる。第2方向d2は、第1方向d1に直交しており、半導体基板30の表面に沿っている。ソース電極S1aはドレイン電極D1から離れて配置され、ソース電極S1bはドレイン電極D1から離れて配置される。
The source electrode S1a and the source electrode S1b are arranged substantially parallel to each other on either side of the drain electrode D1 in the second direction d2 and extend in the first direction d1. The second direction d2 is perpendicular to the first direction d1 and runs along the surface of the
ソース電極S1aは、ビア20aに接続されている。ビア20aは、半導体基板30の裏面に形成された接地導体32に接続されている。ソース電極S1bは、ビア20bに接続されている。ビア20bは、接地導体32に接続されている。つまり、ソース電極S1は接地されている。なお、ソース電極S1は、接地されていなくてもよい。
The source electrode S1a is connected to the
ゲート電極G1は、ゲートフィンガー10a、ゲートフィンガー10b、および接続部12を有する。ゲートフィンガー10aは、ソース電極S1aとドレイン電極D1との間に配置され、第1方向d1に延びる。ゲートフィンガー10bは、ソース電極S1bとドレイン電極D1との間に配置され、第1方向d1に延びる。
The gate electrode G1 has a
ゲートフィンガー10aの一端と、ゲートフィンガー10bの一端とは、接続部12で接続されている。接続部12は、ゲート電極G1の一端であり、高周波の入力信号が入力される。ゲートフィンガー数は、図3の例では「2」であるが、「1」でもよいし、「3」以上でもよい。
One end of
インピーダンス素子18aは、ゲートフィンガー10aの他端に接続されている。インピーダンス素子18bは、ゲートフィンガー10bの他端に接続されている。インピーダンス素子18の数は、ゲートフィンガー数と同数である。インピーダンス素子18は、1対1に対応するゲートフィンガー10の他端に接続されている。複数のインピーダンス素子18は、同等の構成を有し、同等のインピーダンスを有してよい。
ゲートフィンガー10の他端からインピーダンス素子18を見たインピーダンスは、入力信号の周波数帯域において容量性または誘導性である。また、ゲートフィンガー10の他端からインピーダンス素子18を見たインピーダンスは、直流において開放インピーダンス、すなわち実質的に無限大である。
The impedance seen from the other end of the
インピーダンス素子18aは、伝送線路14aおよび容量素子16aを有する。伝送線路14aは、ゲートフィンガー10aの他端に接続された一端と、他端と、を有する。
The
容量素子16aは、例えば、MIM(Metal - Insulator - Metal)容量であり、伝送線路14aの他端と、ソース電極S1aとの間に接続されている。例えば、容量素子16aの上部電極が伝送線路14aの他端に接続され、容量素子16aの下部電極がソース電極S1aに接続される。ソース電極S1aは、ビア20aを介して接地導体32に接続されているので、容量素子16aは、伝送線路14aの他端と、接地との間に接続されているとも言える。容量素子16aは、ソース電極S1aとは別の接地された電極に接続されてもよい。
The
インピーダンス素子18bは、伝送線路14bおよび容量素子16bを有する。伝送線路14bは、ゲートフィンガー10bの他端に接続された一端と、他端と、を有する。容量素子16bは、例えば、MIM容量であり、伝送線路14bの他端と、ソース電極S1bとの間に接続されている。以下、適宜、伝送線路14aおよび伝送線路14bを総称して「伝送線路14」と呼ぶ。適宜、容量素子16aおよび容量素子16bを総称して「容量素子16」と呼ぶ。
伝送線路14の幅と長さ、および容量素子16のキャパシタンスは、入力信号の周波数帯域でMAGが所望の値になるように、実験またはシミュレーションにより適宜定めることができる。伝送線路14と容量素子16をビアで接続する場合、当該ビアのインダクタンスを伝送線路14の長さに含めてもよい。
The width and length of the
また、伝送線路14を設けず、容量素子16がゲートフィンガー10の他端とソース電極S1または接地との間に直接的に接続されてもよい。例えば、容量素子16の上部電極がゲートフィンガー10の他端に直接的に接続されてよい。つまり、インピーダンス素子18は、容量素子16であってもよい。
In addition, the
容量素子16がゲートフィンガー10の他端とソース電極S1または接地との間に伝送線路14を介して、または直接的に接続される場合、平面視で細長い形状の容量素子16を採用し、容量素子16の細長い上部電極が伝送線路14としての機能を合わせ持ってもよい。
When the
また、容量素子16を設けず、インピーダンス素子18は、伝送線路14で構成されたオープンスタブであってもよい。
Also, the
インピーダンス素子18のインピーダンスは、特に限定されないが、例えば、入力信号の周波数帯域でインピーダンスの絶対値は0Ω以上、10kΩ以下であってもよい。
The impedance of
図4は、図3の電界効果トランジスタ1の回路モデルを示す。図4(a)は、詳細な回路モデルを示し、図4(b)は、図4(a)の回路モデルを上位概念的に表現した回路モデルを示す。図4(a)、図4(b)に示されているように、電界効果トランジスタは電圧制御電流源型の動作である。
Figure 4 shows a circuit model of the
図4(a)では、ゲートフィンガー10の周辺部分を分布定数線路でモデル化している。ゲートフィンガー10は、ゲートフィンガー幅Wgの方向に微小区間dx内に存在する抵抗成分Rdxとインダクタンス成分Ldxとが分布する分布定数線路で表される。抵抗Rは、ゲートフィンガー10の単位長さ当たりの抵抗値を表す。インダクタンスLは、ゲートフィンガー10の単位長さ当たりのインダクタンスを表す。
In FIG. 4(a), the peripheral portion of the
ゲートフィンガー10の各位置と接地されたソースとの間に、直列接続されたキャパシタンス成分Cdxとコンダクタンス成分Gin・dxとが分布している。キャパシタンスCは、単位長さ当たりのゲートソース間容量を表す。コンダクタンスGinは、ゲート-ソース間にキャパシタンスCと直列に存在する単位長さ当たりのコンダクタンスを表す。
A capacitance component Cdx and a conductance component Gin·dx are connected in series between each position of the
図4(a)では、図面を明確化するため、一部の抵抗成分Rdx、インダクタンス成分Ldx、キャパシタンス成分Cdx、およびコンダクタンス成分Gin・dxを示す。 In FIG. 4(a), in order to clarify the drawing, only a portion of the resistance component Rdx, the inductance component Ldx, the capacitance component Cdx, and the conductance component Gin·dx are shown.
ゲートへの入力電圧、すなわちゲートフィンガー10の一端への入力電圧をViとする。入力電圧Viによるゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧をVg(x)とする。微小区間のゲート電圧Vg(x)は、キャパシタンス成分Cdxに加わる電圧である。
The input voltage to the gate, i.e., the input voltage to one end of the
まず比較例について述べる。比較例では、ゲートフィンガー10の他端が開放されているので、図4(a)のインピーダンス素子18は存在しない。そのため、ゲートに入力された高周波信号の入力電圧Viは、オープン端であるゲートフィンガー10の他端で全反射され、ゲートフィンガー10内に定在波が立ち、ゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)には、ゲートフィンガー幅Wgの方向、即ちx方向に分布が生じる。
First, a comparative example will be described. In the comparative example, the other end of the
出力電流idは、微小区間のゲート電圧Vg(x)に単位長さ当たりの相互コンダクタンスgmoを乗じて得られる微小区間の電流をゲートフィンガー幅Wgにわたって積分して算出される。実効相互コンダクタンスgmeffは、id/Viで算出される。 The output current id is calculated by multiplying the gate voltage Vg(x) in the small section by the mutual conductance per unit length gmo, and integrating the current in the small section over the gate finger width Wg. The effective mutual conductance gm eff is calculated by id/Vi.
以上から、比較例の実効相互コンダクタンスgmeffは、次の式(1)で表される。 From the above, the effective mutual conductance gm eff of the comparative example is expressed by the following formula (1).
ここで、伝搬定数γ、Zs、Gpは、次の式(2)で表される。 Here, the propagation constants γ, Zs, and Gp are expressed by the following equation (2).
既述のように、実効相互コンダクタンスgmeffは、ゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)の積分値に依存する。そこで、実施の形態では、ゲートフィンガー10の他端を開放するのではなく、所定のインピーダンスZLのインピーダンス素子18で終端することにより、ゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)の分布に変化を生じさせている。これにより、微小区間のゲート電圧Vg(x)の積分値に依存する実効相互コンダクタンスgmeffを、所定の周波数帯域において比較例より増大させることができる。
As described above, the effective mutual conductance gm eff depends on the integral value of the gate voltage Vg(x) in a small section in the
つまり、インピーダンスZLによりゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)の分布が変わることを利用して、適切なインピーダンスZLを接続すれば、比較例に対し、所定の周波数帯域において実効相互コンダクタンスgmeffを増大させることができる。その結果、所定の周波数帯域において比較例よりもMAGを向上することができる。
In other words, by connecting an appropriate impedance ZL by utilizing the fact that the distribution of the gate voltage Vg(x) in a small section in the
実施の形態では、実効相互コンダクタンスgmeffは、次の式(3)で表される。 In the embodiment, the effective mutual conductance gm eff is expressed by the following equation (3).
ここで、図4(a)に示すように、ゲートフィンガー10の他端からインピーダンス素子18を見た反射係数をΓLとする。ゲートフィンガー10の他端からインピーダンス素子18を見たインピーダンスをZLとする。ゲートフィンガー10の伝送線路としての特性インピーダンスをZ0とする。Z0基準での反射係数ΓL、特性インピーダンスZ0は、次の式(4)で表される。
4A, the reflection coefficient of the
実施の形態では、式(3)に示すように、実効相互コンダクタンスgmeffはインピーダンスZLに応じて変化するので、既述のように、適切なインピーダンスZLを設定することで実効相互コンダクタンスgmeffを式(1)に示す比較例の実効相互コンダクタンスgmeffより大きくできる。 In the embodiment, as shown in formula (3), the effective mutual conductance gm eff changes depending on the impedance ZL . Therefore, as described above, by setting an appropriate impedance ZL , the effective mutual conductance gm eff can be made larger than the effective mutual conductance gm eff of the comparative example shown in formula (1).
次に、電界効果トランジスタ1のシミュレーション結果を説明する。図5は、シミュレーションのための図3のインピーダンス素子18の回路図である。図6は、実施の形態の電界効果トランジスタ1と比較例の電界効果トランジスタ100における高周波特性を示す。図7は、実施の形態の電界効果トランジスタ1と比較例の電界効果トランジスタ100における高周波特性の別の例を示す。
Next, the results of a simulation of the
図6と図7に示す特性において、図5に示す伝送線路14の長さLaが異なる。図6では、伝送線路14の長さLa=0μmである。つまり、インピーダンス素子18は、容量素子16で構成されている。図7では、伝送線路14の幅Wa=9μmであり、長さLa=120μmである。図6と図7において、容量素子16のキャパシタンスは、0.2pFである。
The characteristics shown in Figures 6 and 7 differ in the length La of the
図6と図7では、実施の形態の特性を実線で示し、比較例の特性を破線で示す。図6と図7では、ゲート長0.15μm、ゲートフィンガー幅Wg=150μm、ゲートフィンガー数が2であるGaN HEMTのシミュレーション結果を示す。バイアス条件は、Vds=28V、Ids=50mA/mmである。 In Figures 6 and 7, the characteristics of the embodiment are shown by solid lines, and the characteristics of the comparative example are shown by dashed lines. Figures 6 and 7 show the simulation results of a GaN HEMT with a gate length of 0.15 μm, a gate finger width Wg = 150 μm, and two gate fingers. The bias conditions are Vds = 28 V, Ids = 50 mA/mm.
図6(a)は、MAGの周波数依存性のシミュレーション結果を示し、図6(b)は、実効相互コンダクタンスの周波数依存性のシミュレーション結果を示す。図6(a)に示すように、MAGは、56GHz付近から160GHz付近の周波数範囲で比較例よりも改善している。70GHz付近から110GHz付近の周波数範囲では、MAGは、比較例よりも10dB程度改善している。MAG=0となる周波数である最大発振周波数fmaxも、比較例より改善している。 Figure 6(a) shows the simulation results of the frequency dependence of the MAG, and Figure 6(b) shows the simulation results of the frequency dependence of the effective mutual conductance. As shown in Figure 6(a), the MAG is improved over the comparative example in the frequency range from about 56 GHz to about 160 GHz. In the frequency range from about 70 GHz to about 110 GHz, the MAG is improved by about 10 dB over the comparative example. The maximum oscillation frequency fmax, which is the frequency at which MAG = 0, is also improved over the comparative example.
図6に破線で示すように、比較例と実施の形態においてMAGの大小関係が逆転する周波数と、比較例と実施の形態において実効相互コンダクタンスgmeffの大小関係が逆転する周波数は、略一致しており、約56GHzである。このことから、実効相互コンダクタンスgmeffの増大がMAGの向上に寄与していることが分かる。 6, the frequency at which the magnitude relationship of MAG is reversed between the comparative example and the embodiment and the frequency at which the magnitude relationship of effective mutual conductance gm eff is reversed between the comparative example and the embodiment are approximately the same, at about 56 GHz. This shows that an increase in effective mutual conductance gm eff contributes to an improvement in MAG.
図7(a)は、MAGの周波数依存性のシミュレーション結果を示し、図7(b)は、実効相互コンダクタンスの周波数依存性のシミュレーション結果を示す。図7(a)に示すように、MAGは、48GHz付近から90GHz付近の周波数範囲で比較例よりも改善している。60GHz付近から70GHz付近の周波数範囲では、MAGは、比較例よりも10dB程度改善している。最大発振周波数fmaxも、比較例より改善している。 Figure 7(a) shows the simulation results of the frequency dependence of the MAG, and Figure 7(b) shows the simulation results of the frequency dependence of the effective transconductance. As shown in Figure 7(a), the MAG is an improvement over the comparative example in the frequency range from about 48 GHz to about 90 GHz. In the frequency range from about 60 GHz to about 70 GHz, the MAG is about 10 dB better than the comparative example. The maximum oscillation frequency fmax is also improved over the comparative example.
図7に破線で示すように、比較例と実施の形態においてMAGの大小関係が逆転する周波数と、比較例と実施の形態において実効相互コンダクタンスgmeffの大小関係が逆転する周波数は、略一致しており、約48GHzである。 As shown by the dashed lines in FIG. 7, the frequency at which the magnitude relationship of MAG is reversed between the comparative example and the embodiment and the frequency at which the magnitude relationship of effective mutual conductance gm eff is reversed between the comparative example and the embodiment are approximately the same, at about 48 GHz.
図示は省略するが、他の条件は図6と図7と同一で、伝送線路14の長さLa=40μm、80μmの場合にもMAGは比較例に対して改善する。伝送線路14の長さLaを調整することで、MAGを向上させる周波数範囲を調整できる。伝送線路14の長さLaがゼロから長くなるほど、比較例と実施の形態においてMAGの大小関係が逆転する周波数が低くなる。
Although not shown, other conditions are the same as in Figures 6 and 7, and the MAG is improved compared to the comparative example even when the length La of the
また、図示は省略するが、伝送線路14がオープンスタブである場合にも、伝送線路14の長さに応じた周波数範囲でMAGが比較例よりも改善しているシミュレーション結果が得られている。なお、オープンスタブを用いたシミュレーション結果と比較して、容量素子16を用いた図6と図7のシミュレーション結果の方が、MAGの改善量が大きい。これは、比較例の開放されたゲートフィンガー10に対して、オープンスタブを接続するよりも、容量素子16を接続する方が、反射係数の位相回転を大きくすることができ、ゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)の分布を大きく変えることができるためであると考えられる。
Although not shown, even when the
また、図示は省略するが、図6と図7の条件でゲートフィンガー幅Wgを50μmに変更したシミュレーション結果でも、MAGは比較例よりも改善しているが、改善量は、図6と図7の例よりも減少する。この場合、同じ伝送線路14の長さで比較して、比較例よりもMAGが改善する周波数帯域が図6と図7の例よりも高周波側にずれる。このことは、ゲートフィンガー幅Wgが短くなると、ゲートフィンガー10内の分布定数線路的な振る舞いが小さくなるためであると考えられる。すなわち、ゲートフィンガー10内の微小区間のゲート電圧Vg(x)の分布がゲートフィンガー10内で一様に近くなるためであると考えられる。
Although not shown, the simulation results in which the gate finger width Wg is changed to 50 μm under the conditions of Figures 6 and 7 also show that the MAG is improved compared to the comparative example, but the amount of improvement is less than in the examples of Figures 6 and 7. In this case, when compared with the same length of
図8は、実施の形態の電界効果トランジスタ1と比較例の電界効果トランジスタ100におけるMAGの周波数依存性の測定結果を示す。図8では、ゲート長0.25μm、ゲートフィンガー幅Wg=200μm、ゲートフィンガー数が2であるGaN HEMTの測定結果を示す。バイアス条件は、Vds=28V、Ids=100mA/mmである。つまり、図8に示す比較例の測定結果は、図2に示すWg=200μmの測定結果である。
Figure 8 shows the measurement results of the frequency dependence of MAG in the
電界効果トランジスタ1において、伝送線路14の幅Wa=5μmであり、伝送線路14の長さLa=70μmであり、容量素子16のキャパシタンスは0.2pFである。
In the
図8に示すように、約33GHz以上では、MAGは比較例よりも改善している測定結果が得られている。MAGは、最大で10dB以上改善することが実証されている。 As shown in Figure 8, measurements show that at frequencies above 33 GHz, MAG is an improvement over the comparative example. It has been demonstrated that MAG can provide an improvement of up to 10 dB or more.
また、fmaxも比較例よりも改善している測定結果が得られている。fmaxは、比較例では約41GHzであるのに対し、実施の形態では測定上限値である65GHzを超えていることが実証されている。 Furthermore, the measurement results show that fmax is also improved compared to the comparative example. It has been demonstrated that fmax is approximately 41 GHz in the comparative example, whereas in the embodiment, it exceeds the upper measurement limit of 65 GHz.
ここで、図8には示さないが、図2に示すWg=50μmの測定結果と比較しても、実施の形態のWg=200μmの構成のMAGの測定結果は、約40GHz以上で比較例よりも改善している。つまり、電界効果トランジスタ1のゲートフィンガー幅Wgが比較例より大きい場合でも、MAGを比較例よりも大きくできる。
Although not shown in FIG. 8, when compared with the measurement results for Wg = 50 μm shown in FIG. 2, the measurement results for the MAG in the embodiment with Wg = 200 μm are improved over the comparative example at frequencies of about 40 GHz or higher. In other words, even if the gate finger width Wg of the
電界効果トランジスタ1をパワーアンプなどの増幅素子として利用する場合、総Wgを大きくする必要がある。この場合、比較例の構成では、ゲートフィンガー幅Wgを短くしつつゲートフィンガー数を増やすことで、MAGの低下を抑制しつつ総Wgを確保することが一般的である。しかし、ゲートフィンガー数を増やすことによる影響でMAGが低下し得る。
When the
一方、実施の形態では、ゲートフィンガー幅Wgを大きくしてもMAGの低下を抑制できるので、同じ総Wgの条件で、比較例の構成を用いた場合よりもゲートフィンガー数を少なくできる。よって、ゲートフィンガー数を増やすことによる影響でMAGが低下することを抑制できる。 On the other hand, in the embodiment, since the decrease in MAG can be suppressed even if the gate finger width Wg is increased, the number of gate fingers can be reduced compared to the case where the configuration of the comparative example is used under the same total Wg conditions. Therefore, the decrease in MAG caused by the increase in the number of gate fingers can be suppressed.
以上のように、実施の形態によれば、ゲートフィンガー10の他端が開放されている比較例に対して、インピーダンス素子18により、ゲートフィンガー10の他端における反射係数の位相をずらすことができ、その結果、ゲートフィンガー10内の電圧の分布を異ならせることができる。これにより、比較例に対して、所定の周波数帯域で実効相互コンダクタンスgmeffを増大させることができるので、所定の周波数帯域でMAGを増加させることができる。
As described above, according to the embodiment, compared to the comparative example in which the other end of the
インピーダンス素子18として、直列接続された伝送線路14と容量素子16とを用いることで、MAGを効果的に増加させることができる。伝送線路14の長さをゼロとすれば、インピーダンス素子18の面積を小さくできる。インピーダンス素子18としてオープンスタブを用いることで、容量素子16を用いることなく、簡素な構成でインピーダンス素子18を実現できる。
By using a
また、ゲートフィンガー10の他端からインピーダンス素子18を見たインピーダンスは、直流において開放インピーダンスであるので、インピーダンス素子18に直流電流が流れることを抑制できる。よって、消費電力の増加を抑制できる。
In addition, the impedance of the
また、インピーダンス素子18のインピーダンスの絶対値が入力信号の周波数帯域で0Ω以上、10kΩ以下であることで、より効果的にMAGを増加させることができる。
In addition, by having the absolute impedance value of
本発明者らは、ゲート長を短くするなどの半導体プロセス技術の改良によりMAGを例えば10dB程度向上することは、非常に困難であると考える。半導体プロセス技術の改良のための多大な費用と長い時間も要する。これに対して、実施の形態では、既存の半導体プロセス技術を利用して、既存の電界効果トランジスタにインピーダンス素子18を追加するだけでMAGを例えば10dB程度向上できるので、コストの増加を抑制でき、長い開発期間も必要ない。
The inventors believe that it is extremely difficult to improve the MAG by, for example, about 10 dB by improving semiconductor process technology, such as by shortening the gate length. Improving the semiconductor process technology also requires a great deal of cost and time. In contrast, in the embodiment, by utilizing existing semiconductor process technology, the MAG can be improved by, for example, about 10 dB simply by adding an
次に、電界効果トランジスタ1の別の構成例を説明する。図9は、実施の形態の電界効果トランジスタ1の別の構成例を示す平面図である。図9は、半導体基板の表面に接地導体34を備えたコプレーナ線路の構成例を示す。ソース電極S1aと、容量素子16aの下部電極とは、それぞれ、ソース電極S1aに隣接して第1方向d1に延びる接地導体34に接続されている。ソース電極S1bと、容量素子16bの下部電極とは、それぞれ、ソース電極S1bに隣接して第1方向d1に延びる接地導体34に接続されている。他の構成は、図3と同様である。このような構成でも、既述の効果を得ることができる。また、接地導体34が第1方向d1に延在していることにより、ソース電極S1から第1方向d1に離れた位置で容量素子16の下部電極を接地導体34に接続できる。よって、レイアウトの自由度が向上する。
Next, another configuration example of the
図10は、実施の形態の電界効果トランジスタ1のさらに別の構成例を示す平面図である。図10の構成例では、容量素子16aの一端は伝送線路14を介さずにゲートフィンガー10aの他端に接続され、容量素子16bの一端は伝送線路14を介さずにゲートフィンガー10bの他端に接続されていることが図9と異なる。
Figure 10 is a plan view showing yet another configuration example of the
そのため、容量素子16aは、ゲートフィンガー10aの他端と、ソース電極S1aの容量素子16a側の端部に隣接して配置されている。容量素子16aの下部電極は、ソース電極S1aと接地導体34に接続されている。
Therefore, the
同様に、容量素子16bは、ゲートフィンガー10bの他端と、ソース電極S1bの容量素子16b側の端部に隣接して配置されている。容量素子16bの下部電極は、ソース電極S1bと接地導体34に接続されている。
Similarly, the
図10のような構成でも、既述の効果を得ることができる。また、伝送線路14を備えないので、図9の構成よりも電界効果トランジスタ1を小型化できる可能性がある。
The above-mentioned effects can be obtained with the configuration shown in FIG. 10. In addition, since the
以上、本開示を実施の形態にもとづいて説明した。本開示は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that the present disclosure is not limited to the above embodiments, that various design changes are possible, that various modifications are possible, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure.
本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の電界効果トランジスタは、ソース電極と、ドレイン電極と、信号が入力される一端と、他端と、を有するゲートフィンガーと、前記ゲートフィンガーの他端に接続されたインピーダンス素子と、を備え、前記ゲートフィンガーの他端から前記インピーダンス素子を見たインピーダンスは、容量性または誘導性である。 An overview of one aspect of the present disclosure is as follows: A field effect transistor of one aspect of the present disclosure includes a gate finger having a source electrode, a drain electrode, one end to which a signal is input, and the other end, and an impedance element connected to the other end of the gate finger, and the impedance of the impedance element as viewed from the other end of the gate finger is capacitive or inductive.
この態様によると、最大有能電力利得を向上できる。 This aspect allows the maximum available power gain to be improved.
前記インピーダンス素子は、前記ゲートフィンガーの他端に接続された一端と、他端と、を有する伝送線路と、前記伝送線路の他端と、接地または前記ソース電極との間に接続された容量素子と、を有してもよい。この場合、所定の周波数帯域で最大有能電力利得を効果的に増加させることができる。 The impedance element may include a transmission line having one end connected to the other end of the gate finger and the other end, and a capacitive element connected between the other end of the transmission line and ground or the source electrode. In this case, the maximum available power gain can be effectively increased in a predetermined frequency band.
前記インピーダンス素子は、前記ゲートフィンガーの他端と、接地または前記ソース電極との間に接続された容量素子であってもよい。この場合、インピーダンス素子の面積を小さくできる。 The impedance element may be a capacitive element connected between the other end of the gate finger and ground or the source electrode. In this case, the area of the impedance element can be reduced.
前記インピーダンス素子は、オープンスタブであってもよい。この場合、簡素な構成でインピーダンス素子を実現できる。 The impedance element may be an open stub. In this case, the impedance element can be realized with a simple configuration.
前記ゲートフィンガーの他端から前記インピーダンス素子を見たインピーダンスは、直流において開放インピーダンスであってもよい。この場合、インピーダンス素子に直流電流が流れることを抑制できる。 The impedance of the impedance element as viewed from the other end of the gate finger may be an open impedance in direct current. In this case, it is possible to suppress the flow of direct current through the impedance element.
1…電界効果トランジスタ、10,10a,10b…ゲートフィンガー、14,14a,14b…伝送線路、16,16a,16b…容量素子、18,18a,18b…インピーダンス素子、D1…ドレイン電極、G1…ゲート電極、S1,S1a,S1b…ソース電極。 1...field effect transistor, 10, 10a, 10b...gate fingers, 14, 14a, 14b...transmission line, 16, 16a, 16b...capacitive element, 18, 18a, 18b...impedance element, D1...drain electrode, G1...gate electrode, S1, S1a, S1b...source electrode.
Claims (5)
ドレイン電極と、
信号が入力される一端と、他端と、を有するゲートフィンガーと、
前記ゲートフィンガーの他端に接続されたインピーダンス素子と、を備え、
前記ゲートフィンガーの他端から前記インピーダンス素子を見たインピーダンスは、容量性または誘導性である、
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A source electrode;
A drain electrode;
a gate finger having one end to which a signal is input and the other end;
an impedance element connected to the other end of the gate finger;
The impedance of the impedance element viewed from the other end of the gate finger is capacitive or inductive.
1. A field effect transistor comprising:
前記ゲートフィンガーの他端に接続された一端と、他端と、を有する伝送線路と、
前記伝送線路の他端と、接地または前記ソース電極との間に接続された容量素子と、
を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The impedance element is
a transmission line having one end connected to the other end of the gate finger, and the other end;
a capacitance element connected between the other end of the transmission line and a ground or the source electrode;
2. The field effect transistor of claim 1, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 the impedance element is a capacitive element connected between the other end of the gate finger and ground or the source electrode;
2. The field effect transistor according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The impedance element is an open stub.
2. The field effect transistor according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。 The impedance of the impedance element as viewed from the other end of the gate finger is an open circuit impedance in DC.
5. A field effect transistor according to claim 1, wherein the first and second electrodes are electrically connected to each other.
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