CN1992509A

CN1992509A - 功率放大器

Info

Publication number: CN1992509A
Application number: CNA2006101562266A
Authority: CN
Inventors: 杉浦政幸; 栗山保彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: US7595696B2; CN100557950C; US20070159246A1; TW200729697A; TWI334265B

Abstract

本发明提供一种功率放大器，该功率放大器的特征在于，具备：有源元件，该有源元件具有使用了至少1个化合物半导体的异质结双极晶体管；二极管，该二极管以与基极·发射极间二极管反方向的方式被连接在上述双极晶体管的基极和发射极间；电阻，该电阻被串联连接在上述二极管和上述双极晶体管的基极之间；和偏压电路，该偏压电路被连接在上述二极管和上述电阻之间。

Description

功率放大器

对相关专利申请的交叉参考

本专利申请将以前在2005年12月26日申请的日本专利申请No.2005-371513作为基础，并对它要求优先权，通过参照，将该专利申请的全部内容结合进本专利申请中。

技术领域

本发明涉及一种备有ESD保护电路，形成在使用双极晶体管的半导体芯片中的功率放大器。

背景技术

以便携式电话为代表的小型信息设备，近年来，强烈要求小型化，在将附带的周边小型部件(贴片电容和电感等)装入成为基干(日文：基斡)的部件中，进行模块化，并且削减周边部件的数量方面正在进展中。因此，这些模块出现直接暴露在外部环境中的状况，这时，特别成为问题的是针对ESD(静电放电：ElectrostaticDischarge)的耐受性。ESD是在存在于电路外部的设备或人体上积蓄的电荷瞬间对电路放电的现象。不仅需要避免当将电路装入装置时或利用电路时，由于设备和人体移动而产生电荷，而且需要确保在暴露在外界的设备中在电路一侧的ESD耐受性。

我们认为由ESD引起的破坏的主要原因是由积蓄高能量(高电位)的电荷瞬间流入到电路中引起的热破坏。因此，ESD保护电路具有防止该高能量的电荷流入抗热能力弱的半导体元件的功能。

以往，作为具有这种功能的电路，利用串联连接在应该保护的端子和接地端子之间的二极管的电路，以使得在该两个端子之间形成预定以上的电压时该二极管就接通。当将大于等于二极管的接通电压的电压施加到端子上时，二极管导通，从而使电荷不流入到被保护电路中。这时，需要将预定电压设定在比电源电压或工作电压等电路工作所需的电压高的值上。因此，如专利文献1中所揭示的那样可以用多段的二极管。

但是，在这种电路中形成保护电路的二极管本身由于注入大的能量而被破坏将成为问题。为了防止这种情况的发生，如在专利文献2中那样，可以考虑对保护元件(二极管等)串联地插入电阻，从而引起电压下降，抑制流入到保护元件中的电流的方法。这时，因为电阻值越大，就能够得到越大的电压下降，所以提高了耐受性，但是因为阻碍能量流入到保护电路侧，因此将不能够期待作为保护电路进行操作。因此，需要约数Ω到十几Ω的电阻。另外，因为电阻本身也必须能够耐住大能量损耗，所以不能够使用由金属薄膜电阻实现的电流容量小的电阻，而需要使用由半导体实现的高电流容量的电阻。

但是，对于半导体电阻的电阻值而言，即便在高浓度掺杂中，片电阻也只具有约十几Ω/□，为了实现数Ω而需要大的纵横比，这样将使用芯片上的很大面积。因此，产生了由增大芯片面积，从而增大安装面积来引起的对小型化的损害。另外，如化合物半导体那样晶片单价高，在成本方面也会成为问题。

如上所述，在已往的二极管连接电路中，为了实现高的ESD耐受性需要大的面积，在晶片尺寸、成本方面都存在着问题。

另外，在专利文献3中，记载了即使镇流电阻值小，在电流分布的均匀性方面也很优异，即便输入数字调制波，畸变的恶化也小的、高效率且低畸变的放大器。这是使用双极晶体管的高频功率放大器，备有至少2个以上的电路块，上述这些电路块中的各个备有产生基极偏压电位的偏压发生电路和高频输入用电容元件。各个偏压发生电路备有阻抗变换用的第2双极晶体管和由电流镜晶体管(カレントミラ一トランジスタ)构成的用于温度检测中被恒定电流偏置的二极管电路。

[专利文献1] 日本特开2003-23084号专利公报

[专利文献2] 日本特开平8-236637号专利公报

[专利文献3] 日本特开2001-274636号专利公报

发明内容

本发明的功率放大器的一个方式其特征是具备：有源元件，该有源元件具有使用了至少1个化合物半导体的异质结双极晶体管；二极管，该二极管以与基极·发射极间二极管反方向的方式被连接在上述双极晶体管的基极和发射极间；电阻，该电阻被串联连接在上述二极管和上述双极晶体管的基极之间；和偏压电路，该偏压电路被连接在上述二极管和上述电阻之间。

附图说明

图1A和图1B是作为本发明的一个实施例的实施例1在半导体基板上形成的功率放大器的电路图。

图2是表示图1的功率放大器中ESD耐受性试验结果(负侧)的特性图。

图3是表示图1的功率放大器中ESD耐受性试验结果(正侧)的特性图。

图4是形成图1中记载的功率放大器的双极晶体管和二极管的半导体芯片的剖面图。

图5是图4所示的半导体芯片的平面图。

图6是作为本发明的一个实施例的实施例2在半导体基板上形成的功率放大器的电路图。

图7是作为本发明的一个实施例的实施例3在半导体基板上形成的功率放大器的电路图。

图8是说明产生基于振荡引起的负电压的特性图。

具体实施方式

下面，我们参照实施例说明本发明的实施方式。

[实施例1]

首先，我们参照图1到图5、图8说明实施例1。

图1是在本实施例的半导体基板上形成的功率放大器的电路图，图2是表示本实施例中ESD耐受性试验结果(负侧)的特性图，图3是表示ESD耐受性试验结果(正侧)的特性图，图4是形成图1中记载的功率放大器的双极晶体管和二极管的半导体芯片的剖面图，图5是图4所记载的半导体芯片的平面图，图8是说明产生基于振荡引起的负电压的特性图。图4是沿图5的A-A′线的部分剖面图。在图5中，为了容易说明起见，不表示图4所示的绝缘膜18和配线层(2nd-metal(第2金属))13a。

如图4和图5所示，形成半导体芯片的半导体基板由GaAs半绝缘性基板构成，在它上面叠层外延生长层，在该叠层构造中设置有异质结双极晶体管(以下，称为HBT)。在GaAs半绝缘性基板1上顺次形成直接形成高浓度集电极区域的n⁺GaAs外延层3和形成低浓度集电极区域的n^-GaAs外延层4。在该外延层4的低浓度集电极区域上顺次地叠层着基极区域(p-GaAs外延层)5和发射极区域(n-InGaP外延层)6。将这些发射极区域6、集电极区域4和基极区域5合在一起构成npn双极晶体管10。在该HBT10中，在构成外延层3的集电极区域中形成集电极电极7，在基极区域5中形成基极电极8，在发射极区域6中形成发射极电极9。

另外，在半导体基板1上形成以与基极·发射极间二极管反方向的方式连接在基极区域5和发射极区域6间的二极管D。二极管D由构成基极区域5的外延层和外延层4构成，在外延层3上和基极区域5上分别形成电极11、11a(请参照图4)。然后，电极16、16a间的外延层3构成电阻R(请参照图5)。另外，在半导体基板上设置着MIM电容器C。MIM电容器C电极使用金属配线层(1st-metal(第1金属))13，电介质使用硅氮化膜等层间绝缘膜(没有图示)。

如图4和图5所示，在由元件分离区域划分的元件区域中形成HBT10、二极管D和电阻R。HBT10和二极管D被聚酰亚胺等层间绝缘膜18覆盖，使HBT10的发射极电极9和二极管D的电极11a与在层间绝缘膜18上形成的金属配线层(2nd-metal(第2金属))13a电连接。另外如图5所示，使电阻R的电极16、16a与在层间绝缘膜(没有图示)上形成的金属配线层(1st-metal(第1金属))13电连接。另外，在半导体基板上形成多个HBT10。图1是被保护电路中HBT为1个时的电路图，但是在该实施例中也有使用多个的情形(图5的放大器对应于该电路图)。

下面，我们参照图1(a)说明本实施例的功率用放大器的电路结构。在被保护电路中表示了1个HBT10，并省略了被保护电路的其它结构。被保护电路中的HBT10具有与集电极4连接的集电极端子12和与发射极6连接的接地端子14，偏压电路17与基极5连接。在偏压电路17和基极5之间，插入例如4Ω左右的偏压电路17的镇流电阻R。基极5经由MIM电容器C与外部的RF电路的输入电路连接。而且，在偏压电路17和发射极6之间或者偏压电路17和接地端子14之间插入与基极·发射极结反方向的二极管D。通过这样的构成，电阻R能够防止二极管D受到由ESD引起的破坏。

与具有图1的保护电路(电阻和二极管的串联电路)的功率放大器比较，是以在成为被保护电路的晶体管的集电极端子上施加上负电压的情形来决定没有保护电路时的ESD耐受性。而且，该负电压大小约为-30V。这时，由于基极·发射极间的pn结受到由ESD引起的损伤，从而失去了作为晶体管的功能。

在本实施例中，将作为ESD保护元件的10μm×30μm大小的二极管配置在HBT的基极·发射极之间。在HBT的基极区域和集电极区域中形成二极管，由于形成二极管而不需要新的晶片构造和步骤。另外，作为二极管的保护电阻将电阻串联连接起来。因此，通过图中所示的电流路径对负侧的ESD进行放电，能够防止对元件的损伤。

进一步，当构成电路时，需要将适当的偏置电压提供给晶体管的基极端子。特别是，当处理功率放大器那样的大的功率时，为了确保热的稳定性，具有在偏压电路和基极端子之间插入称为镇流电阻的电阻的方法。当HBT处入热失控状态，大电流流入到晶体管的基极端子时，镇流电阻进行引起电压下降，使晶体管的偏压点降低，抑制处入热失控状态的操作。在本实施例中，形成该镇流电阻兼作二极管保护电阻的电路结构。因此，即便在新附加了ESD保护电路的情形中，不需要附加除了二极管以外的元件，能够抑制芯片面积的增大。另外，通过插入保护电阻，二极管自身也不会受到由ESD引起的破坏，而能够确保必要的ESD耐受性。

图2表示用图1(a)所示的保护电路进行ESD试验的结果。因为在ESD放电路径中使用晶体管，所以耐受量与晶体管的大小有关，但是我们看到耐受量比没有搭载保护电路的情形大。另外，我们也看到因为将镇流电阻用作保护电阻，所以不用新配置保护电阻，作为电路能够实现ESD保护二极管单体的耐受量为-400V以上的耐受量。

另外，因为为了提高HBT晶体管的特性，基极·发射极间二极管由异质结构成，所以能够实现比用同质结形成的基极·发射极间结陡急的pn结的切换。这时，基极·发射极间二极管具有对于比较低的反方向电压的ESD产生陡急的破坏(硬击穿)的倾向。

另一方面，在基极·集电极结中，为了减少基极·集电极间的寄生电容形成在低浓度被掺杂的集电极层。所以，基极·集电极结具有pin二极管型的形式。其结果，基极·集电极结既可为同质结，也可为异质结，具有高的ESD耐受性。

根据这种HBT特性，在本实施例中只插入保护基极·发射极间的保护电路。该保护电路，如图1(a)所示，形成只准备好对负侧的ESD的保护路径的结构，但是因为基极·集电极结具有高的ESD耐受性，所以实质上即便对于正侧的ESD也能够提高耐受性。这是因为即便在没有保护电路的情形中，与如前述的那样由于HBT的基极·集电极间的二极管即便对于反方向的所加电压也具有高的ESD耐受量，所以不会引起破坏，与此相对，因为所加的ESD波形通过外部电路(电感成分)产生振荡，即便在施加在正侧上的情形中电压波形也进入负侧(请参照图8)，所以基极·发射极间的二极管由于耐受量不足而被破坏的缘故。结果，尽管是正侧的ESD耐受量试验，但是由负侧的ESD耐受量小的基极·发射极结受到破坏而决定正侧的ESD耐受量。在本实施例中，因为形成在基极·发射极之间附带保护电阻的ESD保护电路，所以即便在振荡的影响下也能够保护基极·发射极间结，结果即便在正侧也能够实现高的耐受量。

图3表示实验上确定尽管只准备好对负侧的ESD的电流路径，但是即便关于正侧的ESD也能够提高耐受量的结果。另外，我们看到关于破坏位置也是基极·发射极间二极管发生破坏，可以考虑根据前述的原理决定ESD耐受量。即便在这种情形中，保护电阻的效果也不发生变化，本实施例的保护电路能够对正负两个方向的ESD都实现高的耐受量。

如以上所述，在HBT中只进行基极·发射极之间的保护，就能够在正负两个方向上很大地提高使用了HBT的电路的ESD耐受性，能够一面解决在已往电路中产生的成本上升、面积增大的问题，一面提供能够实现高ESD耐受性的保护电路。

此外，图1(a)所示的被保护电路的HBT是1个，但是在图5所示的被保护电路中可以用多个HBT。这些HBT具有共同的端子(集电极端子和接地端子)及共同的偏压电路，该偏压电路经由镇流电阻与各个HBT的基极连接。所以，关于本实施例的被保护电路的HBT，可以用1个或1个以上的任意数量。

这里，如下地说明分别设置了镇流电阻和二极管保护电阻的电路结构。图1(b)是它的电路图。镇流电阻R11以抑制双极晶体管的热失控的方式决定它的电阻值。要抑制热失控，R11最好在1Ω以上。另外，为了一面维持对大能量的保护电路的操作，一面改善破坏耐受性，二极管附加电阻R12和镇流电阻R11之和(R11+R12)最好在3Ω以上、7Ω以下。通过这样做，能够分别适当地决定镇流电阻R11和二极管附加电阻R12。例如，通过令R11为4Ω，令R12为2Ω，能够一面抑制热失控，一面相对大能量来保护电路，改善二极管的破坏耐受性。

[实施例2]

下面，我们参照图6说明实施例2。

图6是在本实施例的半导体基板上形成的功率放大器的电路图。本实施例2的保护电路具有与实施例1同样的电路构成，但是其特征是用射随器电路作为偏压电路。

下面，参照图6说明本实施例的功率放大器的电路结构。在被保护电路中表示了1个HBT20，并省略了其它的结构。被保护电路的HBT20具有与集电极连接的集电极端子22和与发射极连接的接地端子23，偏压电路27与基极连接。在偏压电路27和基极之间，例如，插入4Ω左右的偏压电路的镇流电阻R。另外，在偏压电路27和发射极之间或者偏压电路27和接地端子23之间，插入与基极·发射极结反方向的二极管D。通过这样的结构，电阻R能够防止二极管D受到由ESD引起的破坏。晶体管20的基极经由MIM电容器C与外部的RF电路的输入电路连接。使电阻R的一端连接在MIM电容器C·基极5之间，使另一端与偏压电路27连接。

与具有图6的保护电路(电阻和二极管的串联电路)的功率放大器相比较，当没有保护电路时，是以在集电极端子上施加上负电压的情形来决定成为被保护电路的晶体管的ESD耐受性。而且，该负电压大小约为-30V。这时，由于基极·发射极间的pn结受到由ESD引起的损伤，从而失去作为晶体管的功能。

在本实施例中，将作为ESD保护元件的10μm×30μm大小的二极管D配置在HBT的基极·发射极之间。在半导体基板上形成的HBT的基极区域和集电极区域中形成二极管D，不再需要用于形成二极管的新的晶片构造和步骤。另外，作为二极管D的保护电阻将电阻R串联连接起来。因此，通过集电极端子对负侧的ESD进行放电，能够防止针对元件的损伤。

当处理功率放大器那样的大的功率时，为了确保热的稳定性，在偏压电路和基极端子之间插入镇流电阻，但是在本实施例中，该镇流电阻兼作二极管的保护电阻。由此，即便在新附加了ESD保护电路的情形中，也不需要附加除了二极管以外的元件，能够抑制芯片面积的增大。另外，通过插入保护电阻，二极管自身也不会受到由ESD引起的破坏，而能够确保必要的ESD耐受性。

进一步，我们参照图6说明偏压电路。

图6的偏压电路27备有双极晶体管21。双极晶体管21具有与集电极连接的集电极端子24、与发射极连接的接地端子25和与基极连接的控制端子26。在双极晶体管21的基极·发射极之间插入与基极·发射极结反方向的二极管D1。另外，在双极晶体管21的发射极和接地端子25之间插入二极管D4。在双极晶体管21的基极和接地端子25之间插入二极管D2、D3，使二极管D1连接在二极管D2和双极晶体管21的基极之间。

控制端子26经由电阻R1被连接在二极管D1、D2之间。另外，被连接在双极晶体管21的发射极和二极管D4之间的线圈L被连接在与双极晶体管20的基极·发射极之间连接的电阻R及二极管D之间。

因为在构成该偏压电路27的射随器电路中针对集电极端子24的ESD耐受量最弱，所以需要针对该集电极端子24的保护电路。在本实施例中作为保护电路在射随器电路的基极·发射极之间连接二极管D1，同时，用虚线箭头表示当在射随器电路的集电极端子24上施加上负侧的ESD时的放电路径。

因为在该放电路径中包含着多个二极管(二极管D、D1)，所以存在着寄生电阻成分。因为该成分能够起到保护电阻的作用，所以不需要重新插入保护电阻。相反地通过使保护二极管直接与电路连接，能够得到改善耐受量的效果。同样也能够实现去往控制端子26的负侧的ESD保护。

如以上那样，在本实施例中，因为除了在实施例1中说明了的作用效果外，还能够得到针对偏压电路的保护效果，所以作为整个电路可以实现更高的ESD耐受性。

[实施例3]

下面，我们参照图7说明实施例3。

图7是在本实施例的半导体基板上形成的功率放大器的电路图。在被保护电路中表示出HBT30，并省略其它的构成。HBT30由多个HBTQ1、Q2、Q3、.....构成。HBT30具有与各HBTQ1、Q2、Q3、.....的集电极连接的共同的集电极端子32和与各HBTQ1、Q2、Q3、.....的发射极连接的共同的接地端子33，各HBTQ1、Q2、Q3、.....的基极与偏压电路31连接。

在本实施例中，将偏压电路31的镇流电阻R1、R2、R3......插入在偏压电路31和各HBTQ1、Q2、Q3、.....的基极之间。而且，镇流电阻R1、R2、R3......被用作保护电阻。镇流电阻R1、R2、R3......的一端被连接在各HBTQ1、Q2、Q3、.....的基极上，而另一端上连接有与基极·发射极结反方向的二极管D。通过这样的构成，镇流电阻R1、R2、R3......能够防止二极管D受到由ESD引起的破坏。在实施例1中说明了的图5的半导体基板的平面图中，对多个HBT形成1个镇流电阻R，但是在本实施例中，虽然没有图示，但是以分别与半导体基板上的各HBT的各基极连接的方式形成镇流电阻R。

在本实施例中，与实施例1、2同样，在HBT的基极区域和集电极区域中形成二极管，由于形成二极管而不需要新的晶片构造和步骤。另外，作为二极管的保护电阻将电阻串联连接起来。因此，通过对负侧的ESD进行放电，能够防止针对元件的损伤。

进一步，当构成电路时，需要将适当的偏置电压提供给晶体管的基极端子。特别是，当处理功率放大器那样的大的功率时，为了确保热的稳定性，具有在偏压电路和基极端子之间插入称为镇流电阻的电阻的方法。当HBT处于热混乱状态，大电流流入到晶体管的基极端子时，镇流电阻进行引起电压下降，使晶体管的偏压点降低，抑制处于热混乱状态的操作。在本实施例中，形成该镇流电阻兼作二极管保护电阻的电路结构。

Claims

1.一种功率放大器，其特征在于，具备：

有源元件，该有源元件具有使用了至少1个化合物半导体的异质结双极晶体管；

二极管，该二极管以与基极·发射极间二极管反方向的方式连接在上述双极晶体管的基极和发射极间；

电阻，该电阻被串联连接在上述二极管和上述双极晶体管的基极之间；和

偏压电路，该偏压电路被连接在上述二极管和上述电阻之间。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：上述双极晶体管包括多个晶体管，各晶体管经由分别被连接到各基极的各电阻与上述偏压电路连接。

3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：上述偏压电路包括具有双极晶体管的射随器电路。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于：在上述射随器电路的上述双极晶体管的基极·发射极之间连接与基极·发射极间二极管反方向的二极管。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：上述电阻为3Ω以上、7Ω以下。

6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：上述化合物半导体包含GaAs。

7.一种功率放大器，其特征在于，具备：

两个电阻，该两个电阻被串联连接在上述二极管和上述双极晶体管的基极之间；和

偏压电路，该偏压电路被连接在上述两个电阻之间。

8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于：上述双极晶体管包括多个晶体管，各晶体管经由分别被连接到各基极的各电阻与上述偏压电路连接。

9.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于：上述偏压电路包括具有双极晶体管的射随器电路。

10.根据权利要求9所述的功率放大器，其特征在于：在上述射随器电路的上述双极晶体管的基极·发射极之间连接与基极·发射极间二极管反方向的二极管。

11.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于：上述化合物半导体包含GaAs。

12.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于：上述两个电阻之和为3Ω以上、7Ω以下。

13.一种功率放大器，其特征在于，具备：

基板；

有源元件区域，该有源元件区域被设置在上述基板上，具有使用了至少1个化合物半导体的异质结双极晶体管；

二极管区域，该二极管区域被设置在上述基板上，包含以与基极·发射极间二极管反方向的方式连接在上述双极晶体管的基极和发射极间的二极管；

电阻区域，该电阻区域被设置在上述基板上，包含串联连接在上述二极管的一个电极和上述双极晶体管的基极之间的电阻；

元件分离区域，该元件分离区域被设置在上述基板上，分离上述有源元件区域、上述二极管区域和上述电阻区域；和

电源端子，该电源端子被设置在上述基板上，与上述电阻相连接。

14.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于：上述双极晶体管包括多个晶体管，各晶体管经由分别被连接到各基极的各电阻与上述电源端子连接。

15.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，还具备：

信号输入端子；和

电容器，

其中，上述电容器的一个电极被连接到上述基极和上述电阻的一个端部上，上述电容的另一个电极被连接到上述信号输入端子上。

16.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于：上述电源端子被连接在上述电阻和上述二极管之间。

17.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于：上述电阻包括2个电阻，将上述电源端子连接在上述2个电阻之间。

18.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于：上述基板由GaAs构成。

19.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于：上述异质结双极晶体管包含由GaAs构成的集电极、由GaAs构成的基极、和由InGaP构成的发射极。

20.根据权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，还具备：

有机绝缘膜，该有机绝缘膜具有至少露出上述二极管的另一电极和上述发射极的电极的开口单元；和

金属层，该金属层以覆盖上述开口单元和上述有机绝缘膜的方式来被设置，

其中，用上述金属层将上述发射极的上述电极和上述二极管的上述另一电极连接起来。