JP4446520B2 - ESD protection circuit - Google Patents

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信夫 小林
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置さらにはGaAs系 HEMT(High Electron Mobility Transistor)、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)で構成された半導体集積回路に適用して有効な技術に関し、例えば光通信用の光送受信装置における各種増幅器、ドライバの信頼性の向上に有用な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
静電気放電(Electrostatic Discharge:ESD)は、半導体装置が配置されている機器の他の回路部分や絶縁物、また半導体装置を取り扱う人間の人体などから発生し、半導体装置の破壊や損傷を引き起こす。ESDは、半導体装置の信頼性を左右する重要な要因であり、より安定な動作を確保するためにはESDに対する耐圧を充分に高めることが望ましい。
【0003】
このようなESDにより特に損傷を受けやすいのが、入力部に位置する増幅用のFETである。この損傷は一般的には熱的破壊と考えられ、ESDが加わることにより、電極金属−半導体接合部に電流が流れ、これにより急激に温度が上昇し、接合部の抵抗が低くなって熱暴走が生じ、接合部が溶解して破壊されるものと考えられている。
【0004】
従来、ESDから半導体装置を保護するために、増幅回路の入力側または出力側に所定電圧以上で動作するように設計されたツェナーダイオードなどを設ける方法が知られている。図5は、従来の静電保護回路を示す図であり、一般的な入力保護のための構成を示している。通常の該半導体装置の駆動電圧下では、ダイオードは閉じている。このダイオードは所定電圧以上になると動作し、必要以上の電圧入力により生じる過度の電流を、プラス側電源(Vdd)あるいはマイナス側電源(Vss)にバイパスし、内部回路が保護されるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
GaAsとAlGaAsなどのように種類の異なる半導体の薄膜積層構造や、不純物濃度の異なる半導体の薄膜積層構造は、高速トランジスタや高性能レーザなど、各種デバイスの実現に不可欠の役割を果たしている。特にGaAsに代表される化合物半導体の、高い電子移動度を活かした種々の積層構造FET(HEMTやMESFETなど)は、高速光通信用の増幅器やドライバといった、高周波半導体装置を構成する上での高速半導体素子などとして極めて重要である。
【0006】
このような高周波半導体装置においても、当然のことながら、より安定した動作を確保し、信頼性を向上させるためには、ESDに対する耐圧を高めることが望ましい。そこで、従来の半導体装置では、上述したように入出力側に保護用ダイオードを付加する方法が提案されている。
【0007】
しかしながら、薄膜積層構造を用いたHEMTやMESFET素子と同一のウェハ上に、所定電圧で動作するように設計されたツェナーダイオードなどのような特別なESD保護用ダイオードを製造するのは困難であるばかりでなく、プロセス工程の大幅増につながる。
【0008】
また、何よりもまして、低周波から十数GHzもしくはそれ以上まで、広帯域で動作させるような高速光通信用高周波半導体装置に、このようなダイオードを単純に付加すると、インピーダンス整合などの設計の際の制約条件となると同時に、高周波半導体装置の性能を極端に低下させる要因となる。
【0009】
従って従来は、高周波半導体装置の性能を維持しつつ、外部から流入する静電気を効果的に放電除去する方法がほとんどなく、このような保護ダイオードを設けることは極めて困難であった。
【0010】
また、仮に図5で示したような従来方法をとった場合であっても、半導体装置が機器に配置され電源などとの接続が施された後はESDに対して非常に有効であるものの、従来法ではESDの極性の単一の方向にしか効果がなく、例えば、機器に配置される前の半導体装置を人間が取り扱い、入力とプラス側電源(Vdd)間に、入力がマイナスなるような極性でESDが生じた場合、ESDの放電経路が確保されず、入力FETを破壊するおそれがあり、到底満足できるものではなかった。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願発明では、上記課題を解決するため、高周波半導体装置の入力端子と正の電源端子との間と、高周波半導体装置の入力端子と負の電源端子との間に、それぞれ入力端子にカソードが接続されるようにダイオードを設けるようにしたものである。この静電保護回路によって、高周波素子の特性を劣化させることなく、正負両極性においてESD耐圧の向上が図れるのである。
【0012】
接続するダイオードは、少なくとも1つあれば良く、複数個のダイオードを直列に接続することで、静電保護回路に電流が流れ出す電圧値を設定できる。従って、仮に正と負の電源電圧の絶対値が異なる場合でも、ダイオードの個数を調節することで、それぞれ任意の電圧値を設定できる。
【0013】
また、高周波半導体装置の入力端子と、第1のダイオードのカソードとを接続し、第1のダイオードのアノードと正の電源端子との間に第2のダイオードを設け、第1のダイオードのアノードと第2のダイオードのカソードを接続するとともに第2のダイオードのアノードと正の電源端子とを接続し、第1のダイオードのアノードと負の電源端子との間に第3のダイオードを設け、第1のダイオードのアノードと第3のダイオードのカソードを接続するとともに第3のダイオードのアノードと負の電源端子とを接続したことによって、不要な容量を入力部に接続することがないため、より高周波素子特性の劣化の度合いが小さく、同時に正負両極性においてESD耐圧の向上が図られるのである。
【0014】
更に、上述した第1乃至第3のダイオードを、1個乃至複数個のダイオードを同一極性の方向に直列に接続したダイオードによって構成することにより、ダイオードの個数によって、電流が流れ出す電圧値を自由に設定することができるのである。従って、仮に正負の電源電圧の絶対値が異なる場合でも、ダイオードの個数を調節することで、それぞれ任意の電圧値を設定できる。
【0015】
また、ダイオードをレベル調整用のショットキーダイオードで構成することにより、高周波素子の製造プロセスに、不要な工程を付加させることなく、簡便に静電保護回路を形成することが可能となる。このレベル調整用ダイオードのショットキー電極の電極幅は、適用する高周波素子にもよるが、50μm以下である必要があり、更に30μm以下であることが望ましい。
【0016】
この静電保護回路は、高周波半導体装置に広く適用可能であるが、電力増幅装置や前置増幅装置に用いて好適である。
【0017】
【実施の形態】
本願発明は、現状の高周波素子製造プロセスの変更なく、更に、高周波半導体装置の性能を維持しつつ、静電気放電に対して充分な耐圧があり、信頼性を向上させた高周波半導体装置を提供することをその目的とする。
【0018】
また、高周波半導体装置を構成するGaAs系HEMT素子などの単一FETの極性をも含めたESD耐圧に着目し、従来の半導体集積回路の構成素子を用いるとともに、現状のプロセスの変更なしに製造できる、バイアス調整用ダイオード(基本的にはHEMT素子のソース・ドレインを短絡配線させた、いわゆるショットキーダイオード)を適切に配置することにより、高周波半導体装置の性能を維持しつつ、半導体装置としてのESD耐圧を向上させるものである。
【0019】
発明者らは、先ず単体のHEMT素子、およびバイアス調整用ダイオード素子のESD耐圧を調べるためにESD試験(EIAJ ED4701準拠)を試みた。用いたHEMT素子はGaAs/AlGaAs系のHEMTで、ゲート幅100μm、ゲート長0.1μmのものである。
【0020】
また、バイアス調整用ダイオードは、ショットキー電極(バイアス調整用ダイオードのアノード電極:HEMTの場合ゲート電極に相当する)が30μmラ2μmで、直列に2段接続させたものを用いた。
【0021】
図3は、ESD試験を行ったHEMT素子とバイアス調整用ダイオードの端子間構成を示す概略図である。試験は▲1▼HEMTのゲート・ソース間(図3、▲1▼の端子1と端子2の間)でESD耐圧試験を行ったもの。▲2▼バイアス調整用ダイオードのカソード・アノード間(図3、▲2▼の端子3と端子4の間)でESD耐圧試験を行ったもの。▲3▼HEMTのゲートとバイアス調整用ダイオードのアノードをショートさせ、HEMTのソースとバイアス調整用ダイオードのカソードをショートさせたもののESD耐圧試験(図3、▲3▼の端子5と端子6の間)を行ったもの。▲4▼HEMTのゲートとバイアス調整用ダイオードのカソードをショートさせ、HEMTのソースとバイアス調整用ダイオードのアノードをショートさせたもののESD耐圧試験(図3、▲4▼の端子7と端子8の間)を行ったもの。
【0022】
以上、計4種類の端子間構成を有するサンプルに、正負の極性を含めた、計8種類のESD耐圧試験を、実際に素子を作製して行った。試験は上述した測定端子間にカーブトレーサを設置して、ESD印加前後のI-V特性に変化が認められたときに、半導体装置が損傷を受けたと判断し、その電圧よりも低く、I-V特性に変化が認められなかったときの電圧を耐圧とした。
【0023】
ESD試験の結果、上述▲1▼のHEMTのゲート・ソース間でESD耐圧試験を行ったものに関しては、ゲートがプラス側の極性のときのESD耐圧は数百V以上あったものの、ゲートがマイナスのときは100V以下と非常に低いものであった。また、▲2▼のバイアス調整用ダイオードのカソード・アノード間でESD耐圧試験を行ったものは順バイアス方向のときは1000V以上の耐圧があったものの、逆バイアスのときは100V以下であった。
【0024】
更に、▲3▼のHEMTとバイアス調整用ダイオードの並列接続の場合は、両極性とも耐圧が100V以下であったのに対し、▲4▼の場合は、バイアス調整用ダイオードの順バイアス方向のときは耐圧1000V以上、逆バイアスのときも数百V以上と非常に良い耐圧特性を示すことがわかった。
【0025】
HEMTの場合もバイアス調整用ダイオードの場合も、ゲート電極およびショットキー電極が半導体薄膜との間でつくるショットキー接合における逆バイアス方向の極性においてESD耐圧が低いものの、順バイアスでは、ある程度のESD耐圧を示すことがわかった。個々の素子に逆バイアスを印加した場合では電流が流れにくく、ESD耐圧試験の電圧により接合が破壊される。順バイアスでは基本的に電流が流れる条件なので過度の電流により破壊される。ESD耐圧の極性の観点からは、順バイアスの方が強く、▲4▼のようなHEMTとバイアス調整用ダイオードの順バイアス方向が逆になるような構成を取ることにより、ESDから生じる過度の電流は、流れやすい方に流れるため、結果として両極性での耐圧が向上することが明らかになった。
【0026】
先に、従来用いていたような保護用ダイオードを、十数GHzもしくはそれ以上で動作する高周波半導体装置に用いた場合、その性能を大幅に低下させると述べたが、その実証と本願発明の有効性を示すためにシミュレーションを試みた。レベル調整用ダイオードを用いて、従来の方法でESDの両極性に対して耐圧を向上させるためには、図6に示したような構成が要求される。
【0027】
ここで、本願発明の目的、つまり、先に述べたように入力とプラス側電源、マイナス側電源の、両電源間のESD耐圧を向上させるためには、図1のような構成をとればよい。入力部に多くのダイオードが接続されると容量性が多くなり、半導体装置の性能が劣化する場合がある。そこで本発明の発展型として図2のような構成を取ることもできる。
【0028】
入力部に付加したダイオードが半導体装置の性能にどのような影響を及ぼすのかを判断する指針として、実際の電力増幅回路の入力部に図1、図2、図6のような構成のバイアス調整用ダイオードを配置させた回路と、全くバイアス調整用ダイオードを付加しない回路の、計4種類の回路のシミュレーションを行い、その周波数特性をSパラメータ、具体的には入力反射特性(S11)を求めた。図4にそのシミュレーション結果を示す。図4において、(a)が図6に示す構成であり、(b)が図1に示す構成、(c)が図2に示す構成、(d)が全くバイアス調整用ダイオードを付加しない構成に、それぞれ対応している。
【0029】
図4からわかるように、周波数が1GHz以下では、入力反射はほとんどない。しかし、10GHz程度の周波数領域においては、バイアス調整用ダイオードの配置構成により、入力反射特性が大きく異なることがわかる。図中(d)で示したのが、ESD保護用のバイアス調整用ダイオードが無いものである。図6で示した従来の構成では入力の反射が大きく、半導体装置の性能低下を容易に伺い知ることができる。本願発明である図1で示した構成では、10GHzで入力反射が-10dB以下と良好な特性を示すことがわかる。また、図2の構成をとったものについては、バイアス調整用ダイオードが無いものと遜色のない優れた入力反射特性を示すことがわかる。
【0030】
このシミュレーションで用いたバイアス調整用ダイオードのショットキー電極の幅は30μmであり、この幅を増やしていくと入力反射特性が著しく悪化する。
【0031】
従って本発明で用いるバイアス調整用ダイオードは、そのショットキー電極幅を50μm以下とする必要があり、望ましくは30μm以下が好適である。
【0032】
発明者らは、実際に図1及び図2で示した本願発明の入力保護回路を有する高周波増幅装置を製造して、その効果を実証した。以下に、その具体例を挙げて詳細に説明する。
【0033】
<第1の具体例>
まず、図1で示したような構成のバイアス調整用ダイオードを有した高周波電力増幅装置を製造した。その電力増幅装置は+5V単一電源駆動で、入力の中心バイアスが+2Vになるように設計した。バイアス調整用ダイオードは、0.5V程度の電圧で電流が流れ出すことから、このバイアス調整用ダイオードが通常の電源電圧では動作しないように、入力に対してプラス側に7個、マイナス側に5個のダイオードを直列に並べる構成を取った。また、比較のためにこのダイオードを有しない増幅装置も同じプロセス、同じロットで製造した。
【0034】
製造した高周波電力増幅装置はオンウェハ・プロービング装置によりプローブを当て、電力増幅装置を実際に+5Vの単一電源により駆動させた。ネットワークアナライザにより入出力端子のSパラメータを測定し、電力利得および-3dB帯域を測定した。
【0035】
バイアス調整用ダイオードを有しない増幅装置の最大利得は15.7dB、帯域は12.5GHzであった。また、バイアス調整用ダイオードを有したものは、最大利得14.9dB、帯域は12.3GHzで、性能的には大きな差異は認められなかった。しかしながら、ESD耐圧試験の結果は、バイアス調整用ダイオードがない装置が100V以下であったのに対し、バイアス調整用ダイオードを有した装置は、300V以上と、大幅に耐圧が向上した。このように、図1に示した本願発明を高周波増幅装置に適用することにより、その性能は維持しつつ、そのESD耐圧を3倍以上向上させる効果を得ることができる。
【0036】
<第2の具体例>
本具体例では、図1で示したような構成のバイアス調整用ダイオードを有した高周波前置増幅装置を製造した。使用電源は+3.3V、-2.0Vの2電源で、入力に対しプラス側に8個、マイナス側に5個のバイアス調整用ダイオードを設けた。また、実施例3の場合と同様に、比較のためにこのダイオードを有しない前置増幅装置も同じプロセス、同じロットで製造した。
【0037】
製造した高周波前置増幅装置は実際に入力前段にフォトダイオードを実装、光コンポーネント・アナライザによりトランスインピーダンスを測定した。
【0038】
その結果、バイアス調整用ダイオードを有しない増幅装置のトランスインピーダンスは57.5dBΩ、また、バイアス調整用ダイオードを有したものは、55.7dBΩと、本願発明のバイアス調整用ダイオードの有無により、多少の差異は認められるものの、性能が大きく変化することはなかった。一方、ESD耐圧は、バイアス調整用ダイオードがない装置が100V程度であったのに対し、バイアス調整用ダイオードを有した装置は400V以上と、本願発明の高周波前置増幅装置への応用は、その耐圧向上に大きな効果があった。
【0039】
<第3の具体例>
本具体例では、図2で示したような構成のバイアス調整用ダイオードを有した高周波前置増幅装置を製造した。使用電源は具体例2と同様、+3.3V、-2.0Vの2電源で、入力に対し1個のバイアス調整用ダイオードを介し、プラス側に8個、マイナス側に5個のバイアス調整用ダイオードを設けた。
【0040】
製造した高周波前置増幅装置は具体例2と同様に、実際に入力前段にフォトダイオードを実装、光コンポーネント・アナライザによりトランスインピーダンスを測定した。
【0041】
その結果、トランスインピーダンスは57.3dBΩと、バイアス調整用ダイオードがないものに比べ、性能的には全く遜色がなかった。これは、具体例2に比べ、バイアス調整用ダイオードが1個余計に必要となるものの、入力直結のダイオードの数が少なった結果、余分な容量が少なくなったためであると考えられる。
【0042】
また、ESD耐圧は350V以上と、バイアス調整用ダイオードを入力に付加しない高周波前置増幅装置のESD耐圧を3倍以上、向上させる効果があった。
【0043】
さらに、フォトダイオードからの入力電流に換算して1mA程度の大入力に対しても、バイアス調整用ダイオードの有無による性能の差異はほとんどなかった。
【0044】
高周波前置増幅装置の場合、大入力時には、入力バイアスがプラス側に振れるが、図2のような構成を取ることにより、入力直結のバイアス調整用ダイオードが、入力バイアスの振れを吸収する。また、入力のプラス側への振れに対しては、入力−負電源間のバイアス調整用ダイオードが逆バイアス状態であり、通常の駆動電源では、このバイアス調整用ダイオードが動作しない構成になっている。このように、大入力時においても、高周波前置増幅装置の性能を維持しつつ、ESD耐圧を向上させる効果があることがわかる。
【0045】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本願発明によれば高周波素子の特性を劣化させることなくESD耐圧を向上させることができるという効果が期待できる。
【0046】
【利用形態の説明】
以上、発明者らによってなされた発明を、実施形態に基づき具体的に説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0047】
以上の説明では、主として発明をその背景となった利用分野である光通信用送受信装置を構成するGaAs系半導体装置、特に十数GHz帯で動作する装置の入力保護回路として利用することができる。そして、HEMTを用いた高周波素子、特に高周波増幅装置の入力部に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願第1の発明の説明に供する図
【図2】本願第2の発明の説明に供する図
【図3】 ESD試験を行ったHEMT素子とバイアス調整用ダイオードの端子間構成を示す概略図
【図4】各ダイオード構成を用いた増幅回路の入力反射特性
【図5】従来の静電保護回路
【図6】両極性に対してESD耐圧を持たせた従来の静電保護回路
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a technology effective when applied to a semiconductor device, and further to a semiconductor integrated circuit composed of a GaAs HEMT (High Electron Mobility Transistor) and a MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor), for example, an optical transceiver for optical communication. The present invention relates to a technique useful for improving the reliability of various amplifiers and drivers.
[0002]
[Prior art]
Electrostatic discharge (ESD) is generated from other circuit parts and insulators of equipment in which a semiconductor device is arranged, and a human body handling the semiconductor device, and causes destruction and damage of the semiconductor device. ESD is an important factor that affects the reliability of semiconductor devices, and it is desirable to sufficiently increase the breakdown voltage against ESD in order to ensure more stable operation.
[0003]
Amplifying FETs located at the input section are particularly susceptible to damage from such ESD. This damage is generally considered to be a thermal breakdown, and when ESD is applied, a current flows through the electrode metal-semiconductor junction, which causes a sudden rise in temperature and a decrease in junction resistance, resulting in thermal runaway. It is considered that the joint is dissolved and destroyed.
[0004]
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to protect a semiconductor device from ESD, a method is known in which a Zener diode or the like designed to operate at a predetermined voltage or higher is provided on the input side or output side of an amplifier circuit. FIG. 5 is a diagram showing a conventional electrostatic protection circuit, and shows a configuration for general input protection. Under normal driving voltage of the semiconductor device, the diode is closed. This diode operates when the voltage exceeds a predetermined voltage, and an excessive current generated by a voltage input more than necessary is bypassed to the plus side power source (Vdd) or minus side power source (Vss) to protect the internal circuit.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Thin film stack structures of different types of semiconductors such as GaAs and AlGaAs and semiconductor thin film stack structures of different impurity concentrations play an essential role in realizing various devices such as high-speed transistors and high-performance lasers. In particular, various stacked FETs (HEMT, MESFET, etc.) that utilize high electron mobility of compound semiconductors typified by GaAs are high-speed components for configuring high-frequency semiconductor devices such as amplifiers and drivers for high-speed optical communications. This is extremely important as a semiconductor element.
[0006]
Even in such a high-frequency semiconductor device, it is naturally desirable to increase the withstand voltage against ESD in order to ensure more stable operation and improve reliability. Therefore, in the conventional semiconductor device, a method of adding a protective diode to the input / output side as described above has been proposed.
[0007]
However, it is difficult to manufacture a special ESD protection diode such as a Zener diode designed to operate at a predetermined voltage on the same wafer as a HEMT or MESFET device using a thin film laminated structure. Instead, it leads to a significant increase in process steps.
[0008]
Above all, if such a diode is simply added to a high-frequency semiconductor device for high-speed optical communication that operates in a wide band from low frequency to over a dozen GHz or more, it is necessary to design impedance matching and the like. At the same time, it becomes a limiting condition and a factor that extremely deteriorates the performance of the high-frequency semiconductor device.
[0009]
Therefore, conventionally, there is almost no method for effectively discharging and removing static electricity flowing from the outside while maintaining the performance of the high-frequency semiconductor device, and it has been extremely difficult to provide such a protection diode.
[0010]
In addition, even if the conventional method as shown in FIG. 5 is taken, it is very effective against ESD after the semiconductor device is placed in the equipment and connected to a power source or the like. The conventional method is effective only in a single direction of ESD polarity. For example, humans handle semiconductor devices before they are placed in equipment, and the input is negative between the input and the positive power supply (Vdd). When ESD occurs in the polarity, the ESD discharge path is not secured and the input FET may be destroyed, which is not satisfactory.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above problems, a cathode is connected to the input terminal between the input terminal of the high-frequency semiconductor device and the positive power supply terminal, and between the input terminal of the high-frequency semiconductor device and the negative power supply terminal. Thus, a diode is provided. This electrostatic protection circuit can improve the ESD withstand voltage in both positive and negative polarities without degrading the characteristics of the high-frequency element.
[0012]
There may be at least one diode to be connected, and a voltage value at which a current flows to the electrostatic protection circuit can be set by connecting a plurality of diodes in series. Accordingly, even if the absolute values of the positive and negative power supply voltages are different, arbitrary voltage values can be set by adjusting the number of diodes.
[0013]
Further, the input terminal of the high frequency semiconductor device and the cathode of the first diode are connected, a second diode is provided between the anode of the first diode and the positive power supply terminal, and the anode of the first diode A cathode of the second diode is connected, an anode of the second diode and a positive power supply terminal are connected, a third diode is provided between the anode of the first diode and the negative power supply terminal, Since the anode of the third diode and the cathode of the third diode are connected and the anode of the third diode and the negative power supply terminal are connected, an unnecessary capacitance is not connected to the input section. The degree of degradation of the characteristics is small, and at the same time, the ESD withstand voltage is improved in both positive and negative polarities.
[0014]
Further, the first to third diodes described above are configured by diodes in which one or more diodes are connected in series in the same polarity direction, so that the voltage value at which current flows can be freely set depending on the number of diodes. It can be set. Therefore, even if the absolute values of the positive and negative power supply voltages are different, arbitrary voltage values can be set by adjusting the number of diodes.
[0015]
In addition, by configuring the diode with a Schottky diode for level adjustment, it is possible to easily form an electrostatic protection circuit without adding unnecessary steps to the manufacturing process of the high-frequency element. The electrode width of the Schottky electrode of this level adjusting diode needs to be 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, although it depends on the applied high frequency device.
[0016]
This electrostatic protection circuit is widely applicable to high-frequency semiconductor devices, but is suitable for use in power amplifiers and preamplifiers.
[0017]
Embodiment
The present invention provides a high-frequency semiconductor device that has sufficient withstand voltage against electrostatic discharge and has improved reliability while maintaining the performance of the high-frequency semiconductor device without changing the current high-frequency element manufacturing process. Is the purpose.
[0018]
Focusing on the ESD withstand voltage including the polarity of a single FET such as a GaAs HEMT element that constitutes a high-frequency semiconductor device, it can be manufactured without changing the current process while using conventional semiconductor integrated circuit components. By properly arranging the diode for bias adjustment (basically a so-called Schottky diode in which the source and drain of the HEMT element are short-circuited), while maintaining the performance of a high-frequency semiconductor device, ESD as a semiconductor device It improves the breakdown voltage.
[0019]
The inventors first tried an ESD test (based on EIAJ ED4701) to examine the ESD withstand voltage of a single HEMT device and a bias adjusting diode device. The HEMT device used is a GaAs / AlGaAs HEMT having a gate width of 100 μm and a gate length of 0.1 μm.
[0020]
The bias adjusting diode used was a Schottky electrode (anode electrode of the bias adjusting diode: corresponding to the gate electrode in the case of HEMT) having a thickness of 30 μm and 2 μm and connected in two stages in series.
[0021]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration between terminals of a HEMT element and a bias adjustment diode subjected to an ESD test. The test was conducted by performing an ESD withstand voltage test between the gate and source of (1) HEMT (between terminals 1 and 2 in FIG. 3, (1)). (2) An ESD withstand voltage test conducted between the cathode and anode of the bias adjustment diode (between terminals 3 and 4 in FIG. 3, (2)). (3) ESD withstand voltage test with the HEMT gate and the anode of the bias adjustment diode short-circuited and the source of the HEMT and the cathode of the bias adjustment diode short-circuited (between terminals 5 and 6 in FIG. 3, (3)) ). (4) ESD withstand voltage test of the HEMT gate and the bias adjustment diode short-circuited and the HEMT source and bias adjustment diode anode short-circuited (between terminals 7 and 8 in FIG. 3, (4)) ).
[0022]
As described above, a total of eight types of ESD withstand voltage tests including positive and negative polarities were performed on samples having a total of four types of inter-terminal configurations by actually fabricating the elements. In the test, a curve tracer is installed between the measurement terminals described above, and when a change is observed in the IV characteristics before and after ESD application, the semiconductor device is judged to be damaged, and the voltage changes to a lower voltage than that voltage. The voltage when no was observed was taken as the withstand voltage.
[0023]
As a result of the ESD test, the ESD withstand voltage test between the gate and the source of the HEMT in the above (1) was over several hundred volts when the gate had a positive polarity, but the gate was negative. At that time, it was very low, less than 100V. In addition, when the ESD withstand voltage test was performed between the cathode and the anode of the bias adjusting diode (2), the withstand voltage was 1000 V or more in the forward bias direction, but 100 V or less in the reverse bias.
[0024]
Furthermore, in the case of (3) HEMT and bias adjustment diode connected in parallel, the withstand voltage was 100V or less for both polarities, whereas in case of (4), the bias adjustment diode was in the forward bias direction. Was found to exhibit a very good withstand voltage characteristic of 1000 V or more and several hundred V or more even in the case of reverse bias.
[0025]
In both the HEMT and the bias adjustment diode, although the ESD withstand voltage is low in the reverse bias direction polarity in the Schottky junction formed between the gate electrode and the Schottky electrode and the semiconductor thin film, the ESD withstand voltage to some extent with forward bias It was found that When a reverse bias is applied to each element, current does not flow easily, and the junction is broken by the voltage of the ESD withstand voltage test. Since the forward bias is basically a condition for current flow, it is destroyed by excessive current. From the viewpoint of the polarity of the ESD withstand voltage, forward bias is stronger, and excessive current generated from ESD is generated by adopting a configuration in which the forward bias direction of HEMT and bias adjustment diode is reversed as in (4). It has been clarified that the withstand voltage in both polarities improves as a result.
[0026]
Previously, it was stated that the performance of the protective diode, which has been used in the past, when used in a high-frequency semiconductor device that operates at a frequency of more than a dozen GHz or more, greatly reduces its performance. Simulation was tried to show the sex. In order to improve the withstand voltage with respect to both polarities of ESD by the conventional method using the level adjusting diode, the configuration as shown in FIG. 6 is required.
[0027]
Here, in order to improve the ESD withstand voltage between the power source of the present invention, that is, the input, the positive power source, and the negative power source as described above, the configuration shown in FIG. . When many diodes are connected to the input portion, the capacitance increases, and the performance of the semiconductor device may deteriorate. Therefore, a configuration as shown in FIG. 2 can be adopted as an advanced version of the present invention.
[0028]
As a guideline for determining how the diode added to the input unit affects the performance of the semiconductor device, the input unit of the actual power amplifier circuit is used for bias adjustment of the configuration as shown in FIGS. A total of four types of simulations were performed: a circuit in which a diode is arranged and a circuit to which no bias adjusting diode is added, and the S-parameter, specifically, the input reflection characteristic (S11), was obtained for its frequency characteristics. FIG. 4 shows the simulation result. 4, (a) is the configuration shown in FIG. 6, (b) is the configuration shown in FIG. 1, (c) is the configuration shown in FIG. 2, and (d) is a configuration in which no bias adjustment diode is added. , Respectively.
[0029]
As can be seen from FIG. 4, there is almost no input reflection when the frequency is 1 GHz or less. However, it can be seen that in the frequency region of about 10 GHz, the input reflection characteristics vary greatly depending on the arrangement of the bias adjustment diodes. In the figure, (d) shows that there is no bias adjustment diode for ESD protection. In the conventional configuration shown in FIG. 6, the reflection of the input is large, and it is possible to easily know the performance degradation of the semiconductor device. It can be seen that the configuration shown in FIG. 1, which is the invention of the present application, exhibits an excellent characteristic with input reflection of −10 dB or less at 10 GHz. In addition, it can be seen that the configuration shown in FIG. 2 shows excellent input reflection characteristics comparable to those without the bias adjustment diode.
[0030]
The width of the Schottky electrode of the bias adjusting diode used in this simulation is 30 μm, and the input reflection characteristic is significantly deteriorated as the width is increased.
[0031]
Therefore, the bias adjusting diode used in the present invention needs to have a Schottky electrode width of 50 μm or less, preferably 30 μm or less.
[0032]
The inventors actually manufactured a high-frequency amplifier having the input protection circuit of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 and demonstrated its effect. Below, the specific example is given and demonstrated in detail.
[0033]
<First specific example>
First, a high frequency power amplifying apparatus having a bias adjusting diode having a configuration as shown in FIG. 1 was manufactured. The power amplifier was designed to be driven by a single + 5V power supply and to have a center bias of + 2V. Since the bias adjustment diode starts to flow at a voltage of about 0.5 V, the bias adjustment diode has seven positive and five negative inputs so that it does not operate at a normal power supply voltage. The diodes were arranged in series. For comparison, an amplifying device having no diode was also manufactured in the same process and the same lot.
[0034]
The manufactured high frequency power amplifying device was probed by an on-wafer probing device, and the power amplifying device was actually driven by a single + 5V power source. The S parameter of the input / output terminal was measured with a network analyzer, and the power gain and the -3 dB band were measured.
[0035]
The maximum gain of the amplifier without the bias adjusting diode was 15.7 dB, and the bandwidth was 12.5 GHz. In addition, a device having a bias adjustment diode had a maximum gain of 14.9 dB and a bandwidth of 12.3 GHz, and no significant difference was observed in performance. However, as a result of the ESD withstand voltage test, the device without the bias adjustment diode was 100 V or less, whereas the device with the bias adjustment diode was greatly improved to 300 V or more. As described above, by applying the present invention shown in FIG. 1 to the high-frequency amplifier, it is possible to obtain an effect of improving the ESD withstand voltage by three times or more while maintaining the performance.
[0036]
<Second specific example>
In this specific example, a high-frequency preamplifier having a bias adjusting diode having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured. The power supply used was + 3.3V and -2.0V, and 8 bias adjustment diodes were provided on the positive side and 5 on the negative side. As in the case of Example 3, for comparison, a preamplifier without this diode was manufactured in the same process and the same lot.
[0037]
The manufactured high-frequency preamplifier was actually mounted with a photodiode in front of the input, and the transimpedance was measured with an optical component analyzer.
[0038]
As a result, the transimpedance of the amplifier without the bias adjustment diode is 57.5 dBΩ, and the one with the bias adjustment diode is 55.7 dBΩ, and there are some differences depending on the presence or absence of the bias adjustment diode of the present invention. Although recognized, the performance did not change significantly. On the other hand, the ESD withstand voltage was about 100V in the device without the bias adjustment diode, whereas the device with the bias adjustment diode was 400V or more, and the application to the high frequency preamplifier of the present invention was There was a great effect on the breakdown voltage improvement.
[0039]
<Third specific example>
In this specific example, a high-frequency preamplifier having a bias adjusting diode having a configuration as shown in FIG. 2 was manufactured. The power supply used is the same as in Example 2, 2 power supplies of + 3.3V and -2.0V, and 8 bias adjustment diodes on the positive side and 5 bias adjustment diodes via one bias adjustment diode for the input. Was provided.
[0040]
The manufactured high-frequency preamplifier was actually mounted with a photodiode before input in the same manner as in Example 2, and the transimpedance was measured with an optical component analyzer.
[0041]
As a result, the transimpedance was 57.3 dBΩ, which was not inferior in terms of performance compared to the one without the bias adjustment diode. This is considered to be due to the fact that an extra capacitance is reduced as a result of the reduction in the number of diodes directly connected to the input, although one more bias adjustment diode is required as compared with the specific example 2.
[0042]
In addition, the ESD withstand voltage is 350 V or more, which has the effect of improving the ESD withstand voltage of the high frequency preamplifier without adding a bias adjusting diode to the input by three times or more.
[0043]
Furthermore, there was almost no difference in performance due to the presence or absence of a bias adjustment diode even for a large input of about 1 mA in terms of input current from a photodiode.
[0044]
In the case of a high-frequency preamplifier, the input bias swings to the plus side at the time of large input, but by adopting the configuration as shown in FIG. 2, the bias adjusting diode connected directly to the input absorbs the swing of the input bias. In addition, the bias adjustment diode between the input and the negative power supply is in a reverse bias state with respect to the positive side of the input, and the bias adjustment diode does not operate with a normal drive power supply. . Thus, it can be seen that there is an effect of improving the ESD withstand voltage while maintaining the performance of the high-frequency preamplifier even at the time of large input.
[0045]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it can be expected that the ESD withstand voltage can be improved without deteriorating the characteristics of the high frequency device.
[0046]
[Explanation of usage]
The invention made by the inventors has been specifically described based on the embodiment. However, the invention of the present application is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0047]
In the above description, the invention can be used mainly as an input protection circuit for a GaAs-based semiconductor device that constitutes a transmission / reception device for optical communication, which is the field of use behind which the invention is based, in particular, a device operating in the tens of GHz band. And it is suitable for the high frequency element which used HEMT, especially for the input part of a high frequency amplifier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the first invention of the present application. FIG. 2 is a diagram for explaining the second invention of the present application. FIG. 3 shows a configuration between terminals of a HEMT element subjected to an ESD test and a bias adjusting diode. Schematic diagram [Fig. 4] Input reflection characteristics of amplifier circuit using each diode configuration [Fig. 5] Conventional electrostatic protection circuit [Fig. 6] Conventional electrostatic protection circuit with ESD resistance against both polarities

Claims (6)

高周波半導体装置の入力端子と、第1のダイオードのカソードとを接続し、前記第1のダイオードのアノードと正の電源端子との間に第2のダイオードを設け、前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードを接続するとともに前記第2のダイオードのアノードと前記正の電源端子とを接続し、前記第1のダイオードのアノードと負の電源端子との間に第3のダイオードを設け、前記第1のダイオードのアノードと前記第3のダイオードのカソードを接続するとともに前記第3のダイオードのアノードと前記負の電源端子とを接続したことを特徴とする静電保護回路。 An input terminal of the high-frequency semiconductor device and a cathode of the first diode are connected, a second diode is provided between the anode of the first diode and a positive power supply terminal, and the anode of the first diode The cathode of the second diode is connected, the anode of the second diode and the positive power supply terminal are connected, and a third diode is connected between the anode of the first diode and the negative power supply terminal. An electrostatic protection circuit comprising: an anode of the first diode and a cathode of the third diode; and an anode of the third diode and the negative power supply terminal connected to each other. 請求項における前記第2及び第3のダイオードが、1個乃至複数個のダイオードを同一極性の方向に直列に接続したダイオードから構成されることを特徴とする静電保護回路。 2. The electrostatic protection circuit according to claim 1 , wherein the second and third diodes are constituted by diodes in which one or a plurality of diodes are connected in series in the same polarity direction. 請求項1乃至請求項における前記ダイオードが、レベル調整用のショットキーダイオードであることを特徴とする静電保護回路。 3. The electrostatic protection circuit according to claim 1, wherein the diode is a Schottky diode for level adjustment. 請求項における前記レベル調整用ダイオードのショットキー電極の電極幅が50μm以下であることを特徴とする静電保護回路。4. The electrostatic protection circuit according to claim 3 , wherein an electrode width of the Schottky electrode of the level adjusting diode is 50 μm or less. 請求項1乃至請求項における前記高周波半導体装置が電力増幅装置であることを特徴とする静電保護回路。ESD protection circuit in which the high-frequency semiconductor device according claims 1 to 4, characterized in that a power amplifier. 請求項1乃至請求項における前記高周波半導体装置が前置増幅装置であることを特徴とする静電保護回路。ESD protection circuit, wherein the high-frequency semiconductor device according claims 1 to 4 is preamplifier device.
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