JP6373779B2 - 高周波半導体装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。

例えば無線通信に使用される受信装置等には、受信した高周波信号を増幅する低雑音増幅素子が使用される。低雑音増幅素子のＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）特性は、動作させる温度を下げるほど向上することが一般に知られている。

低温下において低雑音増幅素子を動作させるための一手段として、低温の冷却体上に低雑音増幅素子を配置するとともに、冷却体上配置された低雑音増幅素子を断熱容器で密閉することが挙げられる。冷却体によって低雑音増幅素子が冷却される。さらに、冷却体上に配置された低雑音増幅素子は断熱容器で覆われるため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。

また、より良好なＮＦ特性を得るために、低雑音増幅素子に対して高周波信号を入力する入力回路等に、超伝導回路を用いることが知られている。

しかしながら、例えば低雑音増幅素子の一例であるＧａＡｓ系ＨＥＭＴや超伝導回路は湿気に弱い。ＨＥＭＴが水分に触れるとその特性が劣化し、超伝導回路が水分に触れると超伝導回路を低温にしても超伝導状態にならない場合がある。したがって、低雑音増幅素子や超伝導回路を湿気から保護するために、断熱容器内を高い真空度に保ち続ける必要がある。高い真空度に保ち続けるには、排気用ポンプを稼働し続けなければならないが、少なくとも経済的な視点において、この方法は現実的な手段ではない。このように、低雑音増幅素子および超伝導回路を含む従来の高周波半導体装置の運用性は悪い、という問題がある。

特開２０１１−２２２６９３号公報

実施形態は、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することを目的とする

実施形態に係る高周波半導体装置は、冷却体上に配置され、前記冷却体とともに断熱容器内に配置して使用される。この高周波半導体装置は、前記冷却体上に配置される金属製の基体と、一部に貫通孔を有する基板と、前記基板上に設けられた枠体と、および前記枠体上に固定される蓋体と、によって気密性パッケージを構成し、前記基体上に設けられた低雑音増幅素子を含む高周波回路を具備する。前記高周波回路の少なくとも一部は、前記基板の前記貫通孔内に配置される超伝導回路によって構成され、前記超伝導回路は、前記基板の前記貫通孔内に露出する前記基体上に固定される。

第１の実施形態に係る高周波半導体装置を含む高周波半導体モジュールを模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る高周波半導体装置を示す分解斜視図である。 第１の実施形態に係る高周波半導体装置のパッケージの要部を示す部分断面図である。 第１の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。 第２の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。 第３の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。 第３の実施形態に係る高周波半導体装置の増幅回路の要部を拡大して示す上面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る高周波半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る高周波半導体装置を含む高周波半導体モジュールを模式的に示す図である。図１に示す高周波半導体モジュール１００は、冷却体１０１と、この冷却体１０１上に配置された高周波半導体装置１０と、冷却体１０１および高周波半導体装置１０を内部に収容する断熱容器１０２と、を具備する。高周波半導体装置１０は冷却体１０１によって例えば８０Ｋ程度に冷却される。そして、冷却体１０１および高周波半導体装置１０が断熱容器１０２で覆われているため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。したがって、高周波半導体装置１０は低温で動作することができ、増幅動作によるＮＦ低下を抑制することができる。以下に、このような高周波半導体モジュール１００に用いられる高周波半導体装置１０について、図面を参照して説明する。

図２は、第１の実施形態に係る高周波半導体装置を示す分解斜視図である。図２に示すように、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０は、基体１１、枠体１３２の内部に高周波回路１２を含む基板１３１、および蓋体１３３、によって、気密性パッケージ１３（以下、パッケージ１３と称する場合がある。）を構成する。

パッケージ１３は、基体１１、基体１１上に配置された薄い板状の基板１３１、基板１３１の表面上に設けられる枠体１３２、および枠体１３２上に配置される板状の蓋体１３３、によって構成されている。

基体１１は、金属製の板体である。基体１１は、例えばモリブデンまたはタングステンに所定量の銅を配合した材料によって形成されている。なお、銅の配合量ついては後述する。

基板１３１と枠体１３２は、例えばアルミナ等の絶縁材料によって形成されている。なお、基板１３１と枠体１３２とは別部品であってもよいが、本実施形態においてはアルミナの焼成時に接合している。

枠体１３２で囲まれた基板１３１の表面上には、高周波回路１２が設けられている。そして、この高周波回路１２は、蓋体１３３の裏面に一様に設けられた金属膜１４によってシールドされている。以下に、図２および図３を参照して金属膜１４によるシールド効果について説明する。なお、図３は、パッケージの要部を示す部分断面図である。

枠体１３２には、枠体１３２および基板１３１を貫通する複数のスルーホール１５が設けられている。これらのスルーホール１５内には導体１５１（図３）が設けられておりは、基体１１と蓋体１３３の裏面の金属膜１４とは、スルーホール１５内の導体１５１によって電気的に接続される。基体１１は通常接地された状態となっているため、スルーホール１５内の導体１５１、および蓋体１３３の金属膜１４、も接地される。したがって、高周波回路１２は、蓋体１３３の金属膜１４、枠体１３２および基板１３１を貫通する複数のスルーホール１５、および基体１１によってシールドされる。

図２を参照する。このような基板１３１は、基体１１の表面上に配置され、銀ナノ粒子を用い、２００℃程度の接合温度で加圧することにより、基体１１に接合されている。または、基板１３１は、常温接合（アルゴンビームエッチングなどにより活性化された金属層の表面同士を真空中で加圧して接合する技術）を用い、３０℃程度の温度で加圧することにより、基体１１に接合されている。

蓋体１３３も同様に、枠体１３２の表面上に配置され、銀ナノ粒子を用い、２００°の接合温度の下で加圧することにより、枠体１３２に接合されている。または、蓋体１３３は、常温接合を用い、３０℃の接合温度で、枠体１３２に接合されている。なお、蓋体１３３は、枠体１３２に、エポキシ系の接着剤によって固定されてもよい。

ここで、上述の基体１１を構成する銅の配合量は、基板１３１と基体１１との接合温度と、高周波半導体装置１０の使用温度と、の中間温度において、基体１１の熱膨張率が基板１３１の熱膨張率に概ね一致するような配合量となっている。例えば接合温度が２００℃、使用温度が−１９６℃（７７Ｋ）である場合、０℃における基体の熱膨張率がパッケージの熱膨張率に概ね一致するような配合量（１５％）となっている。

図４は、第１の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図４は、基板１３１に設けられた高周波回路１２を示している。図４に示すように、パッケージ１３の基板１３１の表面上に設けられる高周波回路１２は、例えばＧａＡｓ系ＨＥＭＴによって構成される低雑音増幅素子１６および整合回路１８ａ、整合回路１８ｂを含む増幅回路１２１、ランゲカプラ１７ａによって構成される分岐回路１２２、およびランゲカプラ１７ｂによって構成される合成回路１２３、によって構成される。

また、高周波回路１２は、分岐回路１２２の入力側に接続される入力線路１２４、および合成回路１２３の出力側に接続される出力線路１２５、を有する。入力線路１２４および出力線路１２５はそれぞれ、枠体１３２の外部まで延出されている。

このような高周波回路１２において、入力線路１２４の一部は、超伝導回路１９によって構成されている。超伝導回路１９は、超伝導基板１９１（酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板等の基板上に、ＹＢＣＯ薄膜（不図示）と保護層となる金（Ａｕ）薄膜（不図示）が一様に設けられた基板）上のＹＢＣＯ薄膜及び金薄膜をドライエッチングすることにより、超伝導基板１９１に配線１９２を設けることによって構成されている。

このような超伝導回路１９は、パッケージ１３の基板１３１に貫通孔２０を設け、この貫通孔２０内の基体１１上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔２０から露出する基体１１に固定される。なお、超伝導回路１９の配線１９２は、この回路１９の周囲の入力線路１２４と、ワイヤー等の接続導体２１によって電気的に接続されている。

超伝導回路１９の配線１９２は、常温の環境下においては例えば金の１０００倍程度の高い抵抗となるが、−２００℃程度の低温の環境下においては実質的に抵抗がゼロとなる。したがって、超伝導回路１９を低温の環境下において使用することにより、この回路１９を通過する高周波信号の損失を抑制し、ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）劣化を抑制することができる。

以上に説明した第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、低雑音増幅素子１６および超伝導回路１９がパッケージ１３内に密閉されている。そして、このように低雑音増幅素子１６および超伝導回路１９を密閉した高周波半導体装置１０を、図１に示すように、断熱容器１０２内に配置している。したがって、断熱容器１０２内の真空度が低下しても、低雑音増幅素子１６および超伝導回路１９は気密性が高いパッケージ１３空間内に配置されるため、湿気から保護することができる。この結果、低雑音増幅素子１６および超伝導回路１９の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置１０を提供することができる。

また、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、基体１１とパッケージ１３との接合温度、およびパッケージ１３の枠体１３２と蓋体１３３との接合温度が、銀銅ロウなどの従来技術と比較して低くなっている。したがって、高周波半導体装置１０を例えば−２００℃程度の低温にしても、高周波半導体装置１０が破損することを回避することができる。

すなわち、金属製基体およびセラミック製枠体を備える従来の高周波半導体装置は、銀銅ロウによる８００℃程度の高温の接合温度で両者をすることによって製造される。このような高周波半導体装置を構成する各種材料は、例えば８００℃程度の高い接合温度から室温までの温度変化に対して、各部分にかかる応力が最低になるように設計されている。このような高周波半導体装置をさらに−２００℃程度の低温にすると、接合温度との温度差は１０００℃程度となり、各部分にかかる応力は極めて大きくなる。したがって、このような従来の高周波半導体装置を低温にすると、高周波半導体装置が破損する可能性がある。

これに対して第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、接合温度が低いため、−２００℃程度の低温にした場合でも、接合温度との温度差は４００℃程度であり、各部分にかかる応力は小さくなる。したがって、高周波半導体装置１０を例えば−２００℃程度の低温にしても、装置１０が破損することを回避することができる。

さらに、従来の高周波半導体装置においては、基体を構成する銅の配合量は、室温における枠体の熱膨張率に一致するように定められていた。これに対して、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０において、基体１１を構成する銅の配合量は、接合温度と使用温度との中間温度におけるパッケージ１３の熱膨張率に一致するように定められている。したがって、高周波半導体装置１０を−２００℃程度の低温にした場合に、基体１１とパッケージ１３との間に発生する応力をより小さくすることができる。その結果、高周波半導体装置１０を例えば−２００℃程度の低温にした場合に、装置１０が破損することをより回避することができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図５も、図４と同様に、パッケージ１３に設けられた高周波回路２２を示している。図５に示す高周波回路２２も、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０の高周波回路１２と同様に、例えばＧａＡｓ系ＨＥＭＴによって構成される低雑音増幅素子１６および整合回路１８ａ、整合回路１８ｂを含む増幅回路１２１、ランゲカプラ２３によって構成される分岐回路２４、およびランゲカプラ１７ｂによって構成される合成回路１２３、によって構成される。

また、高周波回路２２は、分岐回路２４の入力側に接続される入力線路１２４、および合成回路１２３の出力側に接続される出力線路１２５、を有する。入力線路１２４および出力線路１２５はそれぞれ、枠体１３２の外部まで延出されている。

ここで、第２の実施形態に係る高周波半導体装置の高周波回路２２においては、分岐回路２４のランゲカプラ２３が、超伝導回路によって構成されている。超伝導回路の構成についてはすでに説明されているため、ここでは説明を省略するが、ランゲカプラ２３を構成する超伝導回路は、パッケージ１３の基板１３１の所定部分に貫通孔２５を設け、この貫通孔２５内の基体１１上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔２５から露出する基体１１に固定される。そして、超伝導回路の配線は、この回路の周囲の配線と、ワイヤー等の接続導体２６によって電気的に接続されている。

以上に説明した第２の実施形態に係る高周波半導体装置においても、低雑音増幅素子１６およびランゲカプラ２３を構成する超伝導回路がパッケージ１３内に密閉されている。したがって、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０と同様の理由により、低雑音増幅素子１６および超伝導回路の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することができる。

また、第２の実施形態に係る高周波半導体装置においても、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０と同様の理由により、高周波半導体装置を例えば−２００℃程度の低温にした場合における装置の破損を回避することができる。

＜第３の実施形態＞
図６Ａは、第３の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図６Ａも、図４と同様に、パッケージ１３に設けられた高周波回路２７を示している。図６Ａに示す高周波回路２７も、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０の高周波回路１２と同様に、例えばＧａＡｓ系ＨＥＭＴによって構成される低雑音増幅素子１６および整合回路１８ａ、整合回路１８ａを含む増幅回路２８、ランゲカプラ１７ａによって構成される分岐回路１２２、およびランゲカプラ１７ｂによって構成される合成回路１２３、によって構成される。

また、高周波回路２７は、分岐回路１２２の入力側に接続される入力線路１２４、および合成回路１２３の出力側に接続される出力線路１２５、を有する。入力線路１２４および出力線路１２５はそれぞれ、枠体１３２の外部まで延出されている。

図６Ｂは、増幅回路の要部を拡大して示す上面図である。図６Ｂに示すように、第３の実施形態に係る高周波半導体装置の高周波回路２７においては、増幅回路２８の一部であり、分岐回路１２２と低雑音増幅素子１６とを接続する配線２９の一部が、超伝導回路３０によって構成されている。超伝導回路３０の構成についてはすでに説明されているため、ここでは説明を省略するが、このような超伝導回路３０は、パッケージ１３の基板１３１の所定部分に貫通孔３１を設け、この貫通孔３１内の基体１１上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔３１から露出する基体１１に固定される。そして、超伝導回路３０において、超伝導基板３０１上の配線３０２は、この回路３０の周囲の配線２９と、ワイヤー等の接続導体３２によって電気的に接続されている。

以上に説明した第３の実施形態に係る高周波半導体装置においても、低雑音増幅素子１６および超伝導回路３０がパッケージ１３内に密閉されている。したがって、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０と同様の理由により、低雑音増幅素子１６および超伝導回路３０の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することができる。

また、第３の実施形態に係る高周波半導体装置においても、第１の実施形態に係る高周波半導体装置１０と同様の理由により、高周波半導体装置を例えば−２００℃程度の低温にした場合における装置の破損を回避することができる。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０・・・高周波半導体装置
１１・・・基体
１２、２２、２７・・・高周波回路
１２１、２８・・・増幅回路
１２２、２４・・・分岐回路
１２３・・・合成回路
１２４・・・入力線路
１２５・・・出力線路
１３・・・気密性パッケージ
１３１・・・基板
１３２・・・枠体
１３３・・・蓋体
１４・・・金属膜
１５・・・スルーホール
１５１・・・導体
１６・・・低雑音増幅素子
１７ａ、１７ｂ・・・ランゲカプラ
１８ａ、１８ｂ・・・整合回路
１９、３０・・・超伝導回路
１９１、３０１・・・超伝導基板
１９２、３０２・・・配線
２０、２５、３１・・・貫通孔
２１、２６、３２・・・接続導体
２３・・・ランゲカプラ（超伝導回路）
２９・・・配線
１００・・・高周波半導体モジュール
１０１・・・冷却体
１０２・・・断熱容器

Claims (4)

1. 冷却体上に配置され、前記冷却体とともに断熱容器内に配置して使用される高周波半導体装置であって、
   前記冷却体上に配置される金属製の基体と、前記基体上に設けられた、一部に貫通孔を有する基板と、前記基板上に設けられた枠体と、および前記枠体上に固定される蓋体と、によって構成される気密性パッケージと、
   前記気密性パッケージの前記基板に設けられた、低雑音増幅素子を含む高周波回路と、
   を具備し、
   前記高周波回路の少なくとも一部は、前記基板の前記貫通孔内に配置される超伝導回路によって構成され、
   前記超伝導回路は、前記基板の前記貫通孔内に露出する前記基体上に固定されることを特徴とする高周波半導体装置。
2. 前記超伝導回路は、前記貫通孔から露出する前記基体に、銀ナノ粒子によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の高周波半導体装置。
3. 前記基体と前記基板とは、銀ナノ粒子または常温接合によって接合されており、
   前記枠体と前記蓋体とは、前記銀ナノ粒子または前記常温接合によって接合されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
4. 前記蓋体の裏面に一様に設けられた金属膜と、
   前記枠体および前記基板を貫通する複数のスルーホールと、
   前記複数のスルーホール内にそれぞれ設けられた導体と、
   を有し、
   前記金属膜と前記基体とは前記スルーホール内の前記導体によって電気的に接続されることを特徴とする請求項３に記載の高周波半導体装置。

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