JPH09246812A - 高周波半導体装置 - Google Patents

高周波半導体装置

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Publication number
JPH09246812A
JPH09246812A JP8053402A JP5340296A JPH09246812A JP H09246812 A JPH09246812 A JP H09246812A JP 8053402 A JP8053402 A JP 8053402A JP 5340296 A JP5340296 A JP 5340296A JP H09246812 A JPH09246812 A JP H09246812A
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JP
Japan
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line
ground conductor
conductor layer
impedance
circuit
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Application number
JP8053402A
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English (en)
Inventor
Jiyunko Onomura
純子 小野村
Yoshio Konno
舜夫 昆野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域で使用可能な小型の高周波半導体装置
を提供する。 【解決手段】 線路(43, 45)と接地導体層(41)とを有す
る逆マイクロストリップ線路構造の高周波半導体装置(2
7)であって、該接地導体層に該線路の少なくとも一部分
に沿った孔部(47, 49)を穿設することによって該線路の
インピーダンスが高まる。孔部周囲の接地導体層縁部に
は高抵抗体(47)が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波半導体装置
に関し、特に、マイクロ波帯又はミリ波帯で使用される
電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】今日、ミリ波通信システムの実用化が急
ピッチで進められており、ミリ波帯用の集積回路の小型
化は欠くことのできない技術である。特に電力増幅器に
おいては、高出力化、小型化が求められ、小型化のため
の技術の一つに逆マイクロストリップ線路構造が挙げら
れる。この構造は、伝送線路で構成された整合回路部等
を小型化するもので、図1(a)に示すように、マイク
ロストリップ線路1の上方に薄い誘電体膜3を介して接
地導体層5が設けられる。接地導体層7上に厚い半絶縁
製半導体基板9を介してマイクロストリップ線路11が
設けられる図1(b)のマイクロストリップ線路構造と
比べて、図1(a)の構造では低インピーダンス線路を
細い線路幅で実現し易く、更に、線路のアイソレーショ
ンも良好であるため線路間隔を狭めることができる。
【0003】図2は、逆マイクロストリップ線路構造を
用いた従来の半導体装置の例を示す。この半導体装置
は、FET(オーミック電極13、ゲート電極15)及
び伝送線路17を有する回路上に保護膜として熱伝導率
のよい絶縁体(ダイアモンドあるいは窒化アルミニウ
ム)19を配し、絶縁体19を介して半導体基板21上
に形成した金属配線23とパッケージ25とをはんだ2
7で接合したものである。伝送線路は基板よりも誘電率
の低い誘電体に囲まれているため、伝送線路間の間隔を
狭くすることができ、又、逆マイクロストリップ線路構
造であるため、線幅の細い低インピーダンス線路を形成
することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、逆マイクロス
トリップ線路構造においては、反面において、高インピ
ーダンス線路を形成しようとすると非常に細くなり、伝
送損失が増大する。更に、高出力の電力増幅器を形成す
る場合に広帯域に対応可能なバイアス線路を形成するた
めには高インピーダンスの線路が必要となるが、逆マイ
クロストリップ線路構造における高インピーダンス線路
は許容電流値が高出力を得るのに満足なものではない。
例えば、誘電体として窒化アルミニウムが用いられ誘電
体薄膜の厚さが5μmであるとすると比誘電率は8とな
り、この場合にインピーダンスが50Ωの伝送線路を形
成すると、線路幅は2〜3μmとなる。誘電体として比
誘電率の低いポリイミド等を用い膜厚を厚くした場合で
あっても、高インピーダンスの線路を形成するためには
伝送線路の線幅を数μm程度にする必要がある。ところ
が、配線幅が数μm程度のバイアス線路にエレクトロマ
イグレーションを起こすことなく流せる電流は、許容電
流密度などを考慮すると数mA〜数十mA程度となる。
2W以上の出力電力を得ようとするならば、AB級で動
作しても流れる電流は200mA以上となるので、上述
の数μm幅の高インピーダンス線路は破壊される危険性
がある。
【0005】つまり、逆マイクロストリップ線路構造の
高周波半導体装置においては、バイアス回路などに用い
られる高インピーダンス線路の形成が難しく、形成され
た高インピーダンス線路の線幅が細すぎるために許容電
流値が小さく、線路が破壊され易いという問題点があ
る。
【0006】本発明は、上述の問題点を解消するために
なされたもので、小型で高出力の電力増幅器を実現可能
にする高周波半導体装置の構成を提供することを目的と
する。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、半導体装置の構造について研究した結果、接地導体
層の構造を工夫することにより、線路のインピーダンス
の制御が可能であることを見出し、本発明を成すに至っ
た。
【0008】本発明の高周波半導体装置は、線路と接地
導体層とを有する逆マイクロストリップ線路構造の高周
波半導体装置であって、該接地導体層に前記線路の少な
くとも一部分に沿った孔部を穿設することによって該線
路のインピーダンスが高まるものである。
【0009】上記孔部周囲の接地導体層縁部には高抵抗
体が設けられる。
【0010】上記構成に従って、接地導体層に孔部が穿
設されて線路に沿った部分の接地導体層が除去されるこ
とによって、該線路は、接地導体層の除去がなされない
線路より高インピーダンスとなり、孔部の形成によって
インピーダンスの異なる線路を同様の線幅で形成するこ
とが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】伝送線路の断面寸法が回路の動作
波長に対して十分小さい時、伝送線路の特性インピーダ
ンスZ0 は式(1)で表される。
【0012】 Z0 = 1/[V0 (C×C0 1/2 ] (1) 上式(1)において、V0 は光速、Cは伝送線路周りに
生じる単位長さ当りの静電容量、C0 は誘電体を除去し
た場合の伝送線路周りに生じる単位長さ当りの静電容量
である。
【0013】逆マイクロストリップ線路構造において
は、伝送線路と接地導体との間にエネルギが集中し易
く、単位長さ当りの静電容量が増加し易いために線路の
インピーダンス(本願においては、特に言及のない限
り、用語「インピーダンス」は「特性インピーダンス」
を意味するものとする)は低くなる。
【0014】例えば、電力増幅器の場合、高出力電力増
幅器に用いられるマルチフィンガー素子はフィンガーを
多数有する半導体素子であり、素子のインピーダンスは
数Ωと低い。マイクロストリップ線路構造において低イ
ンピーダンス線路を得る場合、線路幅は100μm以上
にしなければならないが、逆マイクロストリップ線路構
造では数十μmの線路幅で作成することができる。とこ
ろが、バイアス回路には広帯域に対応できるようにイン
ピーダンスの高い線路が必要となり、バイアス回路の線
路は極めて細く形成せざるを得ない。
【0015】しかし、式(1)から理解されるように、
逆マイクロストリップ線路構造における接地導体層の伝
送線路に沿った部分、つまり、伝送線路に最も近い直上
方の部分(図1における部分5’)を除去すると、伝送
線路のインピーダンスは大きくなる。従って、インピー
ダンスを高くする必要のある伝送線路上方の接地導体を
除去すれば、低インピーダンス線路と高インピーダンス
線路とを同様の線路幅の伝送線路を用いて形成すること
ができ、高インピーダンス線路におけるエレクトロマイ
グレーションを防止することができる。更に、回路設計
の自由度が増し、半導体チップの小型化が促進される。
【0016】更に、電力増幅器の入力バイアス回路の高
インピーダンス線路の形成に上述の本発明に係る構造を
適用した場合に、高インピーダンス線路直上方で切断除
去された接地導体層の縁部をそれ以外の部分より薄く形
成すると、薄く形成された縁部は他の部分より高抵抗に
なる。つまり、この部分において交流成分に対し抵抗を
直列接続したのと同じ働きをする。従って、電力増幅器
は、入力側のバイアス回路に交流成分に対する抵抗を直
結した構成となる。この様に構成することによって、直
流バイアスに影響を及ぼすことなく、且つ、回路領域を
広げることなく、素子の安定化を図ることができる。こ
のような抵抗形成は、上述の本発明に係る高インピーダ
ンス線路を使用した半導体装置において素子の安定化に
寄与する領域であればどの部分に適用してもよく、入力
側のバイアス回路に限定されるものではない。
【0017】接地導体層は厚い金属層であり、その熱伝
導率は半導体基板より十分大きい。従って、逆マイクロ
ストリップ線路構造の最上層に位置する接地導体層は、
発熱源である半導体素子の電極に接続されることにより
放熱板として働き、熱抵抗が大幅に低減できる。例え
ば、半導体素子がバイポーラトランジスタの場合に、接
地導体層が5μm以上の厚さの金メッキ層であると仮定
すると、GaAs基板上に形成された縦形構造のバイポ
ーラトランジスタのエミッタ電極が接地導体層に接続さ
れた時の熱抵抗は、接続されない時の熱抵抗の1/5以
下に減少する。この結果、出力電力を10倍近く迄増加
させることが可能となる。
【0018】図3は、逆マイクロストリップ線路構造に
おける接地導体層の厚さdと熱抵抗比Rthd /Rth0 と
の関係を示すグラフであり、Rthd は接地導体層の厚さ
がdの時の熱抵抗値、Rth0 は接地導体層の厚さが0の
時の熱抵抗値である。このグラフから上述の接地導体層
による放熱効果が明らかである。接地導体層による放熱
は、発熱部の直近から放熱できるため、バイアホールあ
るいはバンプ電極を設ける場合と比べて放熱効果が大き
い。接地導体層は、半導体素子の接地電極に接続され
た、回路の接地面であり、回路の接地インダクタンスは
極めて小さくなる。
【0019】逆マイクロストリップ線路構造において、
素子と接地導体層との間にはポリイミド等による層間絶
縁膜が介在するが、寄生容量の増加は素子自身の容量に
比べて無視できるほど小さい。従って、素子の高速動作
は阻害されない。図4は、GaAs基板上に形成されエ
ミッタサイズが2μm×20μmのHBTであって、厚
さ10μmの金属層を有する逆マイクロストリップ線路
構造の半導体装置における、ポリイミド(εr =3)製
層間絶縁膜の厚さと素子の入力容量に対する寄生容量の
割合との関係を示すグラフである。グラフからわかるよ
うに、層間絶縁膜の厚さが4μm以上であると、金属層
と素子との間における寄生容量が素子自身の入力容量の
1%以下になる。
【0020】上述のように、逆マイクロストリップ線路
構造は、放熱効果や接地インダクタンスの低減など多く
の利点を有し、本発明に係る構成に従えば、逆マイクロ
ストリップ線路構造の利点を保持しつつ、低インピーダ
ンス線路及び高インピーダンス線路の両方が混載容易に
なる。又、回路領域の増大や直流バイアスへの影響を抑
えながら素子の安定化を図ることができる。従って、小
型で広帯域に対応可能なバイアス回路を形成することが
でき、高性能且つ小型の高周波回路(MMIC)が得ら
れる。
【0021】以下、本発明に係る半導体装置の実施例を
図面を参照して以下に説明する。
【0022】図5及び図6は本発明に係る高周波半導体
装置の第1の実施例を示す。この実施例はエミッタ接地
のバイポーラトランジスタを用いた電力増幅器(MMI
C)27で、GaAs等の半絶縁性材料で形成した基板
29上に、入力側整合回路31、出力側整合回路33、
バイポーラトランジスタ素子35、入力側バイアス回路
37及び出力側バイアス回路39が形成されている。こ
れらの回路及び素子の上方には接地導体層41が設けら
れ、逆マイクロストリップ線路構造で形成されている。
入力側バイアス回路37及び出力側バイアス回路39の
線路43及び45は高インピーダンスを要するため、こ
れらの線路43、45の上方において接地導体層41に
孔部47、49を設けることによって接地導体が除去さ
れ、孔部47、49下方の線路のインピーダンスを高く
している。更に、入力側バイアス回路37側の孔部47
の縁部に沿って線路43と平行に段差が形成されること
により接地導体の薄層部分51が設けられ、薄層部分5
1は他の厚い部分よりも抵抗が高くなっている。これに
より、回路領域を増大することなく素子が安定化され
る。段差は、出力側バイアス回路39側の孔部49の縁
部に形成してもよく、あるいは、両孔部において形成し
てもよい。又、段差を形成する代わりに高抵抗の別材料
による抵抗体を接着してもよい。
【0023】接地導体層41は、窒化アルミニウム等で
形成されたパッケージ53に接着剤55を介して接地さ
れる。バイポーラトランジスタ素子35のエミッタ電極
57は接地導体層41と接続され、基板29と接地導体
層41との間には、ポリイミド樹脂、ビスベンゾシクロ
ブテン(BCB)ポリマー等の低誘電率の樹脂で形成さ
れた保護膜59、61が設けられる。
【0024】図7及び図8は、本発明に係る高周波半導
体装置の第2の実施例を示し、同じ符号を付した部材及
び部分は第1の実施例におけるものと同様の機能を有す
る。この実施例は、第1の実施例を変形した電力増幅器
63で、孔部47及び49内に接地導体による複数の架
橋部65及び67が設けられている。これらの架橋部6
5、67によって、下方の線路43、45は部分的に接
地導体に覆われ、インピーダンスを高化する領域が複数
の小部分に分割される。このため、線路43、45のイ
ンピーダンスの上昇量は第1の実施例より少なくなる。
つまり、架橋部の形成によってインピーダンスの高化の
制御が可能となる。ここで示した架橋部65及び67の
接地導体の厚さは、抵抗として使用したい領域以外は接
地導体層41と同程度の厚さとする。
【0025】図9〜14は、本発明に係る高周波半導体
装置の第3の実施例及びその製造プロセスを説明する図
である。この実施例はnpn型エミッタトップHBTを
用いた電力増幅器69であり、以下のように製造され
る。
【0026】まず、図9に示すように、半絶縁性GaA
s基板71上に、MBE法に従って、n+型GaAs(S
iドーピング濃度:5×1018cm-3)で厚さ500nmの
サブコレクタ層73を、n型GaAs(Siドーピング
濃度:5×1016cm-3)で厚さ600nmのコレクタ層7
5を形成する。この上に、p+型GaAs(Cドーピング
濃度:1×1019cm-3)で厚さ50nmのベース層77
を、n型Alx Ga1-xAs(Siドーピング濃度:1
×1018cm-3、x:0→0.3→0)で厚さ70nmのエ
ミッタ層79を、InGaAs(Siドーピング濃度:
3×1019cm-3)で厚さ100nmのエミッタコンタクト
層81を順次積層する。
【0027】次に、図10に示すように、上述の積層物
上にSiO2 層83を積層し、その上にフォトレジスト
をコーティングして、素子分離パターンをパターニング
する。続いて、プロトン及びボロニオンを用いたイオン
インプランテーションによって素子分離を行う。更に、
フォトレジストをコーティングしてベース電極のパター
ニングを行い、リアクティブイオンエッチング(RI
E)によりSiO2 層83をエッチングする。続いて、
燐酸と過酸化水素水の混合液を用いてエミッタコンタク
ト層81及びエミッタ層79をエッチングして、ベース
層77を露出する。この後、Ti/Pt/Au合金を真
空蒸着しリフトオフによって、図10のようにベース電
極85を形成する。
【0028】更に、図11に示すように、積層物の上面
全体にポリイミドをスピンコートにより塗布し、エッチ
バックした後に熱硬化させることによりエミッタ−ベー
ス間の絶縁膜87を形成する。次に、フォトレジストを
コーティングしてコレクタ電極用パターンをパターニン
グする。続いて、RIEによりSiO2 層83をエッチ
ングし、燐酸と過酸化水素水の混合液を用いてエミッタ
層79、ベース層77及びコレクタ層75を順次エッチ
ングして、コレクタコンタクト層73を露出する。この
後、Au/Ge/Ni/Ti/Pt/Au合金の真空蒸
着とリフトオフとによってコレクタ電極89を形成す
る。
【0029】この後、フォトレジストをコーティングし
て、エミッタ電極用のパターンと、ベース引出し電極、
コレクタ引出し電極及びバイアス回路を含む回路の伝送
線路用のパターンとをパターニングする。そして、RI
EによりSiO2 層83をエッチングし、Ti/Pt/
Au合金の真空蒸着及びリフトオフによって、図12に
示すように、エミッタ電極91及び伝送線路93を形成
する。
【0030】更に、図13に示すように、BCBモノマ
ーをエミッタコンタクト81層上方での厚さが1μmと
なるようにスピンコートにより積層物の上面に塗布して
250℃で硬化させて第1のBCB層95を形成する。
そして、フォトレジストをコーティングしてエミッタ電
極上の接続用の穴(コンタクトホール)のパターンをパ
ターニングし、RIEによりBCB層95をエッチング
し、さらにメッキ用Ti/Au合金を積層物のウエハ上
面全体に真空蒸着し、基盤メタル層97を形成する。更
に、フォトレジストをコーティングして第1の接地導体
層用のパターンを形成し、5μmの厚さにAuメッキを
行い第1の接地導体層99を形成する。次に接地導体層
99の直下以外の領域の基盤メタル97をエッチングす
る。
【0031】次に、図14に示すように、BCBモノマ
ーを厚さ10μmとなるようにスピンコートにより積層
物の上面に塗布して250℃で硬化させて第2のBCB
層101を形成する。この上に、フォトレジストをコー
ティングして第2の接地導体層のパターンと、高インピ
ーダンス線路形成のために接地導体を施さない領域のパ
ターンとをパターニングする。そして、RIEにより第
2のBCB層101をエッチングし、メッキ用のTi/
Au合金を積層物の上面全体に真空蒸着し、基盤メタル
層103を形成する。更に、フォトレジストをコーティ
ングして接地導体を施さない領域のパターンを形成す
る。このパターンは、高インピーダンス線路となる線路
上方の領域に接地導体層が形成されないようにこの領域
を被覆する。この後、第2のBCB層101の上での厚
さが30μmになるようにAuメッキで接地導体層10
5を形成する。ここで、レジストを除去し、更に接地導
体層105のの下以外の領域の基盤メタル103をエッ
チングする。接地導体層105は、窒化アルミニウムパ
ッケージ107に接着剤109を用いて接着される。
【0032】上記第3の実施例の構成において、伝送線
路93上方におけるパッケージ107と第1のBCB層
95との間には空間111が形成され、接地導体はない
ので、伝送線路93のインピーダンスは高くなる。又、
前述の実施例と同様に接地導体層に段差を形成して高抵
抗の薄層部分113が設けられている。この薄層部分1
13の形成方法の1つとしてはエッチングによる方法が
あげられる。これは、基盤メタル103をエッチングす
る際に、エッチングする領域を接地導体層105の段差
を作成する領域(図14の端R、R’)まで広げてエッ
チングを行うことにより接地導体層105の端R、R’
までがエッチングされて段差を形成するというものであ
る。又、別の方法としては、2段階に分けて接地導体層
105を形成することで薄層領域113を形成するとい
うものもある。これは、図14のE−E’線までを第2
の薄い接地導体層として形成し、更に第1の接地導体層
99から第2の接地導体層105’を形成する工程と同
様の工程により図14のE−E’線上の第3の接地導体
層105”を形成することで段差を形成するものであ
る。
【0033】上述の接地導体層99、105は、放熱層
も兼ねており、エミッタトップHBT素子が発する熱が
効率よく接地導体層99、105からパッケージ120
の外部へ放出される。
【0034】上記第3の実施例は、npn型エミッタト
ップのHBT素子を用いた電力増幅器であるが、本発明
は上述の実施例に限定されず、高周波回路、集積回路等
についても適用できる。又、素子に関しても、バイポー
ラトランジスタ全般に適用可能であり、横型構造の素子
であってもよい。例えば、横型のバイポーラトランジス
タ、電解効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ
等の場合に対しても、同様に適用できる。又、これらの
素子や、発光素子、受光素子等を組み込んだ集積回路に
対しても利用できる。
【0035】上述の実施例では、半絶縁性半導体基板と
してGaAsを使用しているが、これより熱抵抗が低く
安価なシリコン基板等を用いてもよい。又、接地導体層
を金メッキで形成しているが、他の金属を用いてもよ
く、例えば、銅は金と同様に熱伝導率が高いので、接地
導体層に好適である。
【0036】上述から明らかなように、本発明によれ
ば、インピーダンスの低い線路と高い線路とを1つの回
路チップに混載することが可能となるため、小型で広帯
域に適用できるバイアス回路を得ることができる。又、
回路領域の増大や直流バイアスにおける損失を生じるこ
となく、素子を安定化することができる。更に、接地導
体層による放熱効果を有効に利用することができ、接地
インダクタンスも低減できる。
【0037】
【発明の効果】低インピーダンス線路と高インピーダン
ス線路を同様の線幅で回路に混載できるため、高周波回
路の高性能化及び小型化が可能となり、産業における利
用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体装置の構造を示す概略構成図であり、
(a)は逆マイクロストリップ構造を示す図、(b)は
マイクロストリップ構造を示す図。
【図2】逆マイクロストリップ構造の従来の半導体装置
の例を示す垂直断面図。
【図3】接地導体層の厚さと熱抵抗比との関係を示すグ
ラフ。
【図4】層間絶縁膜の厚さと寄生容量の割合との関係を
示すグラフ。
【図5】本発明に係る高周波半導体装置の第1の実施例
を示す概略構成図で、図6のB−B’線矢視断面図。
【図6】図5の高周波半導体装置の概略構成図で、図5
のA−A’線矢視断面図。
【図7】本発明に係る高周波半導体装置の第2の実施例
を示す概略構成図で、図8のD−D’線矢視断面図。
【図8】図7の高周波半導体装置の概略構成図で、図7
のC−C’線矢視断面図。
【図9】本発明に係る高周波半導体装置の第3の実施例
の製造プロセスの初期工程を説明するため示す断面図。
【図10】図9に続く工程を説明するための断面図。
【図11】図10に続く工程を説明するための断面図。
【図12】図11に続く工程を説明するための断面図。
【図13】図12に続く工程を説明するための断面図。
【図14】図13に続く工程を説明するための断面図。
【符号の説明】 27、63、69 電力増幅器 29、71 基板 31 入力側整合回路 33 出力側整合回路 35 バイポーラトランジスタ素子 37 入力側バイアス回路 39 出力側バイアス回路 41 接地導体層 43、45 線路 47、49 孔部 51 薄層部分 57 エミッタ電極 59、61 保護膜 65、67 架橋部 75 コレクタ層 77 ベース層 79 エミッタ層 85 ベース電極 87 絶縁膜 89 コレクタ電極 91 エミッタ電極 93 伝送線路 95、101 BCB層 99、105 接地導体層 111 空間 113 薄層部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01P 11/00 H03F 3/60

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 線路と接地導体層とを有する逆マイクロ
    ストリップ線路構造の高周波半導体装置であって、該接
    地導体層に前記線路の少なくとも一部分に沿った孔部を
    穿設することによって該線路のインピーダンスが高まる
    ことを特徴とする高周波半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記孔部周囲の接地導体層縁部に高抵抗
    体が設けられることを特徴とする請求項1記載の高周波
    半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101148231B1 (ko) * 2003-06-13 2012-05-25 텔레폰악티에볼라겟엘엠에릭슨(펍) 전송 라인

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