JPH11265983A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH11265983A
JPH11265983A JP10066378A JP6637898A JPH11265983A JP H11265983 A JPH11265983 A JP H11265983A JP 10066378 A JP10066378 A JP 10066378A JP 6637898 A JP6637898 A JP 6637898A JP H11265983 A JPH11265983 A JP H11265983A
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直子 小野
Jiyunko Onomura
純子 小野村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】回路のレイアウト設計の自由度が増し、チップ
面積削減、メタル層数の削減が可能な半導体装置を提供
することを課題とする。 【解決手段】本発明の半導体装置によれば、多層の配線
層を持つ半導体基板上の回路に、バイアス機能を持たせ
るためトランジスタ1の接地電極にキャパシタを接続す
る構造において、トランジスタ1近傍の高周波信号用線
路の高周波グラウンド11の直流電位がグラウンド電位
以外のトランジスタの接地電極Sの電位である構造を持
つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係わ
り、特にトランジスタとこれに接続する高周波信号線路
とを具備する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、情報通信分野においては、数GH
z以上の高周波領域が、次々に民生用に開発されてお
り、小形で安価な高性能高周波機器が求められている。
特に、例えば数10GHz以上の電波を送受信する高周
波機器では、波長が数mmと短くなるため、外囲器の共
振、回路の発振等のトラブルを防ぎ、また回路設計を容
易に行う目的から高周波回路部の小形化が重要になって
いる。
【0003】高周波回路部を小形化するためには、可能
な限り必要な回路を一半導体基板上に形成すること、す
なわち、MMIC(Monolithic Microwave Integrated
Circuit )化することが有効である。つまり、一半導体
基板内に、従来の単体能動素子から、所定の回路機能を
果たす一機能回路ブロック、更には、複数の機能回路ブ
ロックまで集積形成するものである。
【0004】図13に、半導体基板上に形成される増幅
器の一例として、バイアス機能付き1段増幅器の回路構
成を示す。トランジスタ1の接地電極であるソースSに
は、容量Csを有するキャパシタ9を接続し、直流的な
バイアス機能を持つ抵抗10を接続している。図13中
で、Gはゲート、Dはドレイン、1aはショ−トスタブ
の役割を果たす高周波信号用配線、Vdはドレイン電圧
源、RFinはゲート入力信号、RFoutは出力信号
を示す。
【0005】また、 図14に、このトランジスタ1近
傍のレイアウト図を示す。トランジスタ1近傍の高周波
線路には高周波信号用配線5、及び高周波グラウンド6
からなるコプレーナ線路を用いている。高周波グラウン
ド6はブリッジ7及びコンタクト(層間接続部)8を介
して、隣接する高周波グラウンド12に接続されてい
る。この高周波グラウンド12はコプレーナ線路から構
成され、MIMキャパシタ9のグラウンド側電極を構成
する。MIMキャパシタ9のソース側電極11はトラン
ジスタ1のソースSにコンタクト8を介して接続する。
また抵抗10は、その一端がソース側電極11とコンタ
クトを介して接続し、他端が高周波グラウンド12にコ
ンタクトを介して接続しているので、MIMキャパシタ
9に並列に付加されている。従来の技術において、高周
波グラウンド6、12(グラウンド側電極)は高周波グ
ラウンドと直流的グラウンドの両方の働きをしている。
【0006】尚、トランジスタ1は図15の拡大平面図
に示すようにソースSが2分割されているので、ソース
Sに接続するMIMキャパシタ9と抵抗10は図14の
レイアウト図のように2つ分割される。
【0007】次に、図14と図16を用いて、半導体基
板上の各配線層の使用方法について説明する。トランジ
スタ1近傍の各層は、第1のメタル層14をMIMキャ
パシタ9のソース側電極11に、第2のメタル層15を
コプレーナ線路用信号線5と高周波グラウンド6、グラ
ウンド側電極12、及び第3のメタル層16をコプレー
ナ線路の両側の高周波グラウンドをつなぐためのブリッ
ジ7に用いることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このような高周波回路
では、バイアス回路の一部としてキャパシタ9及びソー
スSの直流電位を決める抵抗10は大面積を必要とす
る。また、トランジスタの潜在性能を発揮させるために
は、2分割される抵抗10のソースSから見たインピー
ダンスは、レイアウト上の制約や製造誤差により困難で
あるものの同一インピーダンスであることが必要であ
る。
【0009】このような要望から、直流電位を調整する
ための抵抗10を分割せずに別層の配線を介して2つの
ソースSと接続して共通化することが望まれる。しか
し、この接続を達成するには、トランジスタ1のゲート
Gへ入力する高周波信号線路5を乗り越える新たな配線
が必要となる。高密度に回路がレイアウトされている上
に、新たな配線層を設けるには、既に設けられているコ
プレーナ線路の両側の高周波グラウンド6や高周波グラ
ウンド(グラウンド側電極)12をつなぐためのブリッ
ジ7に当たらないよう迂回しながら第3メタル層16を
使用して配線を設ける方法、あるいは、第3メタル層1
6上に新たに第4メタル層を設ける方法が考えられる
が、前者の方法をとった場合にはチップ面積が増大し、
また、後者の方法をとった場合にはメタル層数が増え
る、という弊害が存在する。
【0010】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その課題は、小形化と配線層数の削減を両立し、か
つ、トランジスタの潜在能力を発揮させることが可能な
半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第1は、同一層上に形成された高周波信号
線路と高周波グラウンド、接地電極が分割されたトラン
ジスタ、及びトランジスタの接地電極に接続するキャパ
シタ及び抵抗を備える半導体装置において、高周波グラ
ウンドの直流電位は接地電極の直流電位と同等となるこ
とを特徴とする半導体装置を提供する。
【0012】また、本発明の第2は、同一層上に形成さ
れた高周波信号線路と高周波グラウンド、接地電極が分
割されたトランジスタ、及びトランジスタの接地電極に
接続するキャパシタ及び抵抗を備える半導体装置におい
て、トランジスタに隣接する高周波グラウンドは接地電
極に直接接続していることを特徴とする半導体装置を提
供する。
【0013】上記本発明の第1及び第2によれば、回路
のレイアウト設計の自由度が増し、チップ面積の削減、
配線層数の削減が可能となるとともに、トランジスタの
潜在性能を十分に発揮できる半導体装置を提供すること
が可能となる。また、上記本発明の第1及び第2におい
て、高周波信号線路と高周波グラウンドの上層または下
層に高周波信号線路を挟む複数の高周波グラウンドを接
続するブリッジを備えることを特徴とする。
【0014】また、本発明の第1及び第2において、高
周波信号線路と高周波グラウンドの上層または下層に直
流電位がグラウンド電位となる前記キャパシタの電極層
を備えることを特徴とする。
【0015】さらにまた、本発明の第1及び第2におい
て、トランジスタはT型トランジスタであり、高周波信
号線路と高周波グラウンドはコプレーナ線路を構成し、
接地電極はソース電位であることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照しつつ説明する。 (第1の実施の形態)図1は本発明の第1の実施の形態
に係わる半導体装置のレイアウト図である。また、多層
の配線層については図16を参照して説明する。
【0017】本実施の形態では、多層配線を持つ半導体
基板をMMICとして用いており、ソースS、ドレイン
D、及びゲートGを有するT型トランジスタ1の近傍の
高周波信号線路5、MIM(metal-insulator-metal )
キャパシタ9a,9bの2つの電極のうちソース側電極
11となる高周波グラウンド及び高周波グラウンド11
aはコプレーナ線路のグラウンドである。つまり、本実
施の形態における高周波グラウンド11は、従来の技術
の直流的にもグラウンドである図14の高周波グラウン
ド12と異なり、トランジスタ1のソースSと接続し
て、直流的にはソース電位となる。なお、高周波グラウ
ンド11はトランジスタ1の動作周波数帯で高周波グラ
ウンドの役割を果たすものである。また、電極11はブ
リッジ7及びコンタクト8を介して隣接する高周波グラ
ウンドと接続する。キャパシタ9a,9bの他方の電極
12は直流的にもグラウンドである高周波グラウンド1
1a側の電極であり、コンタクト8aを介して高周波グ
ラウンド11aに接続している。高周波グラウンド11
aは直流的にも高周波的にもグラウンドの電位を有す
る。また抵抗10は、その一端が高周波グラウンド11
と接続し、他端がコンタクト8bを介して高周波グラウ
ンド11aと接続する。
【0018】本実施の形態の回路構成では、図2に示す
ように、抵抗Rsはひとつである。また図2では、分割
した2つのキャパシタCsは並列構成であるため回路上
は単一のキャパシタを用いて示した。
【0019】回路をMMIC化したときのトランジスタ
1近傍の各層は次のように用いる。つまり、第2メタル
層15からなるメタルパターンをコプレーナ線路用の信
号線5、キャパシタ9の電極のうちT型トランジスタ1
のソースSに接続されるソース側電極、直流的にはソー
ス電位をもつ高周波グラウンド11、及び直流的にもグ
ラウンドの高周波グラウンド11aに用い、第1メタル
層14からなるメタルパターンをキャパシタ9のソース
側電極に対向するグラウンド側電極12に用い、第3メ
タル層16からなるメタルパターンをソース側電極11
間を繋ぐ為のブリッジ7に用いている。
【0020】このようにすることで、トランジスタ1に
隣接する高周波グラウンド11(ソース側電極)の直流
電位は、コンタクト( 層間接続部) 8にて接続するブリ
ッジ7を介して、ソース電位と同等となる。抵抗11の
層は図15の第1メタル層14と第2メタル層15、あ
るいは第2メタル層15と第3メタル層16との間の所
定箇所に配設した層で構成できる。
【0021】このような本実施の形態によれば、抵抗の
分割による不均等なインピーダンスの発生がなく、キャ
パシタ9a,9bを大面積化でき、レイアウト設計の自
由度の増加が可能となるため、チップ面積の増大やメタ
ル層数の増加という不具合を防止できる。さらに、トラ
ンジスタの接地電極が接続される高周波グラウンドのイ
ンダクタンス成分が増すことを妨ぐことが可能である。
従って、トランジスタ1の潜在性能を劣化させることな
く十分に発揮させることが可能となる。
【0022】以上は、回路装置の内部の構造についてで
あったが、次に、周辺回路と接続するMMICの外周部
について説明する。周辺回路には通常高周波信号線と所
定の直流電位を持ったバイアス線路、及び高周波グラウ
ンド兼直流グラウンドが設けられている。そこで、MM
IC外周部も、周辺回路に併せて、高周波信号線、バイ
アス線路、及び高周波グラウンド兼直流グラウンドが設
けられていることが望ましい。本発明に係わるMMIC
の場合、トランジスタ1近傍の高周波グラウンド11
(キャパシタ9のソース側電極)が直流的にはソース電
位を持っている。従って、半導体基板13上でのレイア
ウトは、トランジスタ1の電極と、周辺部との接続電極
の間で高周波グラウンド11の直流電位をソース電位か
らグラウンド電位に変換することが必要となる。この変
換は、コプレーナ線路の高周波グラウンドに動作周波数
では十分に低インピーダンスのMIMキャパシタを用い
ることで実現できる。例えば、低インピーダンスのキャ
パシタの一方の電極の直流電位をソース電位に、他方の
電極の直流電位をグラウンド電位にすることにより、動
作周波数では連続した高周波グラウンドとして振る舞
い、直流的にはキャパシタの前後でソース電位からグラ
ウンド電位に変換することができる。
【0023】次に、周辺部と接続する第1の実施の形態
に係わる半導体装置の接続電極のレイアウトを説明す
る。図3は、この接続電極の一例として、ボンディング
ワイヤ接続用の電極近傍のレイアウトを示す。図16の
第2メタル層15で構成した図3のボンディングワイヤ
接続用電極18では、ボンディングワイヤを打つ工程の
衝撃により多層のメタル層間が短絡する可能性がある。
従って、高周波グラウンドの直流電位を変換するMIM
キャパシタ(第1メタル層14または第3メタル層16
と対向する高周波グラウンド11aに挟まれた領域)を
設ける位置は電極18に隣接する領域とすることが好ま
しい。
【0024】図4は、接続電極の他の例として、バンプ
接続用電極19近傍のレイアウトを示す。バンプ接続用
電極19を持つ半導体基板の場合は小形化の観点から電
極19を含む領域にMIMキャパシタ(第1メタル層1
4または第3メタル層16と対向する高周波グラウンド
11aにより挟まれた領域)を設けることが好ましい。
【0025】半導体基板に用いる材料には、Si基板、
Ga As 基板等の半導体基板やその他の基板が使用可能
であり、半導体基板には、能動素子、受動素子、配線お
よび電極等が設けられる。能動素子としては、バイポー
ラトランジスタ、電界効果トランジスタ等が形成され、
本願発明の接地電極は回路構成に応じて種々選択可能で
ある。また、受動素子としては、抵抗、キャパシタ、イ
ンダクタ、方向性結合器、フィルタ、インピーダンス変
換器、アンテナ等が形成されている。配線材料には、A
u、Al、Cu、その他の金属、あるいは、導電性樹脂
等が使用可能である。
【0026】次に、第1の実施の形態におけるトランジ
スタ1と信号配線5、高周波グラウンド11等に接続す
る配線の製造方法について、図5(a)、図5(b)、
図6(a)、図6(b)、図7(a)、及び図7(b)
を用いて説明する。
【0027】図5(a)は本実施の形態に係わるHEM
Tを形成するための積層構造基板を示し、半絶縁性Ga
As等の半導体基板21の主面上に、バッファ層22、
チャネル層23、スペーサ層24、電子供給層25、シ
ョットキーコンタクト層26、及びオーミックコンタク
ト層27をMBE法等により、順次結晶成長させたもの
である。チャネル層23はアンドープ層であって、電子
供給層25から電子が供給されて、2次元電子ガスが形
成される。隣接する素子間の電気的分離には、結晶成長
を行なった後に、素子形成領域以外の部分(図示せず)
をエッチング除去して絶縁物質を埋め込み形成する。
【0028】このように、素子間分離を行なった後、オ
ーミックコンタクト層27の上にSiO2をCVD法等
により堆積し、図5(b)に示すように、フォトリソグ
ラフィー工程及びエッチングによりパターン28を形成
した後、パターン28に囲まれたコンタクトホールにA
l等の金属からなるオーミック電極29をスパッタ法等
により形成する。
【0029】続いて、ゲート予定領域に開口を持つフォ
トレジストパターンを形成する。そして、このフォトレ
ジストパターンを用いてゲート領域のオーミックコンタ
クト層27をエッチングし、ショットキーコンタクト層
26を露出させる。そしてゲート電極材料を蒸着後、リ
フトオフ加工をして、図6(a)に示すように断面形状
がT型のゲート電極30を形成する。
【0030】つぎに、この素子領域上に図示せぬフォト
レジストをコーティングし、このフォトレジストを伝送
線路や各端子の引き出し配線となる領域を囲む形状にパ
ターニングする。そして、フォトレジストパターンを形
成した素子領域上にメタル材料を蒸着し、リフトオフ法
により、図6(b)に示すような第1メタル層31(図
16では14)を形成する。このあと、CVD法によ
り、図6(b)に示すように、全面にパッシベーション
膜となるSiN膜32を堆積させる。
【0031】さらに、 SiN膜32の表面のうち、図
7(a)に示すように、オーミック電極29、およびゲ
ート引き出し電極(図示せず)上をはじめとする部分領
域に、第1メタル層と第2メタル層とを接続するコンタ
クトホール33を開ける。そして、コンタクトホール3
3を開けた素子領域上に、BCB等の樹脂34を塗布し
た後、これを硬化させる。
【0032】次に、素子領域上にフォトレジスト35を
塗布し、図7(a)に示すように、オーミック電極29
上およびゲート引き出し電極(図示せず)上をはじめと
する部分領域36におけるフォトレジスト35に開口3
6を形成して、第1メタル層31と第2メタル層とを接
続するヴィアホール用のパターンを形成する。
【0033】続いて、図7(b)に示すように、RIE
法によりヴィアホール用のパターンにより露出した部分
領域36の樹脂34をエッチングする。このエッチング
により開口したヴィアホールに、図7(b)に示すよう
な、メタル配線37を形成した後、フォトレジスト35
を剥離し、再度コーティングし直してフォトレジストパ
ターン(図示せず)を形成する。そして、このフォトレ
ジストパターンを用いたリフトオフ法により、図6
(b)に示すような第2メタル層38(図16では1
5)を形成する。
【0034】さらには、任意の多層配線構造を持つ半導
体装置を製造可能である。つまり、上記工程に引き続い
て、第2メタル層38上にBCB、第2メタル層38と
第3メタル層(図16では16)を接続するヴィアホー
ル、第3メタル層等を順次形成することにより多層にす
る工程は、第1のメタル層上にBCB、第1のメタル層
31と第2メタル層38を接続するヴィアホール、第2
メタル層38を形成する工程と同様である。
【0035】その後、必要な場合には電極を形成し、ウ
エハをダイシングし、個々の半導体装置に切り分ける。
次に、この第1の実施の形態の応用例を図8のレイアウ
ト図を用いて説明する。この応用例では、トランジスタ
等の半導体素子を形成する基板にはGaAs基板を使用
しており、半導体素子を形成する領域以外にはアルミナ
基板を使用している、いわゆるHMIC(Hybrid Microw
ave IC) の構成をとっている。GaAs基板とアルミナ
基板の電気的接続にはボンディング・ワイヤ41を用い
る。アルミナ基板上の配線の層構成は、図16において
半導体基板13をアルミナ基板とみなした場合と同様で
ある。少量生産品等の場合には、本実施例の構成を採用
することにより、低コスト化できる。
【0036】(第2の実施の形態)図9は本発明の第2
の実施の形態に係わる半導体装置のレイアウト図であ
り、具体的には、2つのトランジスタとその近傍まで含
むレイアウト図である。図10は、この実施の形態の半
導体装置の回路図である。本実施の形態では、半導体基
板上に2段のトランジスタ1を設けたMMICの形態を
とっている。半導体基板内に複数のトランジスタ1が設
けられている場合には、各トランジスタ毎に異なったソ
ース電位を与えることが必要な場合がある。本実施の形
態では、図9に示すように、隣接するトランジスタ1の
異なるソース電位を各電極にもつキャパシタ9c、9d
を高周波グラウンド部に設けることで異なるソース電位
の付与を可能にした。各段のソース電位をキャパシタ9
eにより分離することにより、半導体基板内の直流的に
ソース電位をもつ高周波グラウンドパターンの発振を抑
制する効果も発揮できる。
【0037】(第3の実施の形態)図11は本発明の第
3の実施の形態に係わる半導体装置のレイアウト図であ
る。図12は同実施例に係わる半導体装置の回路図であ
る。第4の実施の形態の半導体装置の配線は図16の断
面図に示す層構成と同様である。本実施の形態では、ト
ランジスタ1にゲートG接地タイプのものを使用してい
る。このように、トランジスタの接地電極は、ソースS
接地のみでなくドレインD接地、ゲートG接地等のよう
に回路の用途に応じて適宜選ぶことができる。特に、ゲ
ートG接地にした場合には、高周波帯での良好な特性が
期待できる。
【0038】なお、本発明は上述した各実施の形態に限
定されるものではない。例えば、上述の実施の形態では
トランジスタの形状にT型トランジスタを用いている
が、本発明はπ型、くし形トランジスタにも適用でき
る。また、上述実施例では配線にコプレーナ線路を用い
たが、本発明はマイクロストリップ線路、トリプレート
線路、その他の線路にも適用できる。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【0039】
【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、回路のレ
イアウト設計の自由度が増し、チップ面積削減及びメタ
ル層数の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置
のレイアウト図である。
【図2】第1の実施の形態に係わる半導体装置の回路図
である。
【図3】第1の実施の形態におけるボンディングワイヤ
接続用電極近傍のレイアウト図である。
【図4】第1の実施の形態に係わる半導体装置における
バンプ接続用電極近傍のレイアウト図である。
【図5】第1の実施の形態に係わるトランジスタの製造
方法を説明するための、工程順断面図である。
【図6】図5に続く、第1の実施の形態に係わるトラン
ジスタの製造方法を説明するための工程順断面図であ
る。
【図7】図6に続く、第1の実施の形態に係わるトラン
ジスタの製造方法を説明するための工程順断面図であ
る。
【図8】第1の実施の形態の応用例を説明する為の、レ
イアウト図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体装置
のレイアウト図である。
【図10】第2の実施の形態に係わる半導体装置の回路
図である。
【図11】本発明の第3の実施の形態に係わる半導体装
置のレイアウト図である。
【図12】第3の実施の形態に係わる半導体装置の回路
図である。
【図13】本発明の従来の技術を説明するための半導体
装置の回路図である。
【図14】本発明の従来の技術に係わる半導体装置のレ
イアウト図である。
【図15】T型トランジスタの平面図である
【図16】多層配線構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1…T型トランジスタ G…ゲート S…ソース D…ドレイン 5…コプレーナ信号線路 7…ブリッジ 8…コンタクト 9…キャパシタ 10…抵抗 11…ソース側電極 11a…直流的にもグラウンドの高周波グラウンド 12…グラウンド側電極 13、21…半導体基板 14…第1のメタル層 15…第2のメタル層 16…第3のメタル層 18…ボンディングワイヤ接続用電極 19…バンプ接続用電極 22…バッファ層 23…チャネル層 24…スペーサ層 25…電子供給層 26…ショットキーコンタクト層 27…オーミックコンタクト層 29…オーミック電極 30…ゲート電極 31…第1メタル層 37、38…メタル配線 41…ボンディングワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H03F 3/60

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同一層上に形成された高周波信号線路と高
    周波グラウンド、接地電極が分割されたトランジスタ、
    及び前記トランジスタの接地電極に接続するキャパシタ
    と抵抗を備える半導体装置において、前記高周波グラウ
    ンドの直流電位は前記接地電極の直流電位と同等となる
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】同一層上に形成された高周波信号線路と高
    周波グラウンド、接地電極が分割されたトランジスタ、
    及び前記トランジスタの接地電極に接続するキャパシタ
    と抵抗を備える半導体装置において、前記トランジスタ
    に隣接する高周波グラウンドは前記接地電極に直接接続
    していることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】前記高周波信号線路と前記高周波グラウン
    ドの上層または下層に形成されたブリッジであって、前
    記高周波信号線路を挟む複数の前記高周波グラウンドを
    接続するブリッジをさらに備えることを特徴とする請求
    項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記高周波信号線路と前記高周波グラウン
    ドの上層または下層に直流電位がグラウンド電位となる
    前記キャパシタの電極層を備えることを特徴とする請求
    項1または請求項2に記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】前記トランジスタはT型トランジスタであ
    り、前記高周波信号線路と前記高周波グラウンドはコプ
    レーナ線路を構成し、前記接地電極はソース電位である
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導
    体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003257988A (ja) * 2002-03-05 2003-09-12 Sharp Corp トランジスタ回路および通信装置
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JP2010003859A (ja) * 2008-06-20 2010-01-07 New Japan Radio Co Ltd 集積回路
JP2011171622A (ja) * 2010-02-22 2011-09-01 Oki Electric Industry Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
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