半导体装置的制作方法

1.本公开涉及半导体装置。


背景技术：

2.一种半导体装置在被使用，该半导体装置具备：放大器，对高频信号进行放大；以及失真补偿电路，对放大器的非线性的失真进行补偿。作为该失真补偿电路，在微米波段、毫米波段等频率比较高的区域，大多使用利用了模拟元件的非线性的模拟预失真器(以下，仅称为“预失真器(pre-distorter)”)。
3.在专利文献1、2中公开了一种预失真器，其中，对二极管的输入输出设置电容元件，经由电阻或电感元件连接与后级的放大器不同的电源电路，由此对增益扩展、通过相位特性等进行调整。
4.在专利文献3中公开了一种预失真器，该预失真器以如下方式进行工作：在前级的晶体管进行增益扩展，通过与增益扩展相伴产生的输出功率的变化，连接于晶体管的输出侧的二极管抵消在后级连接的放大器的相位失真。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开平11－355055号公报
8.专利文献2：日本特开平9－232901号公报
9.专利文献3：日本特开平4－252506号公报
10.在利用了二极管的预失真器中，工作频率越高，获得规定的增益扩展效果所需的二极管的尺寸越小。但是，当二极管的尺寸变小时，二极管的内部电阻的值变大，因此，由于该内部电阻的影响，利用了二极管的以往的预失真器存在当工作频率变高时增益扩展效果降低这样的问题。


技术实现要素：

11.本公开是鉴于上述的问题点而完成的，在具备放大器和预失真器的半导体装置中，能在较高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
12.本公开的半导体装置具备输入端子、预失真器、放大器以及输出端子，所述预失真器的输入部连接于所述输入端子，所述预失真器的输出部连接于所述放大器的输入部，所述预失真器具备第一晶体管。
13.发明效果
14.根据本公开，在具备放大器和预失真器的半导体装置中，能在较高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
附图说明
15.图1是表示一个实施方式的半导体装置的构成例的图。
16.图2是用于对预失真器的概要进行说明的图。
17.图3是用于对直通(through)型的预失真器进行说明的图。
18.图4是用于对分路(shunt)型的预失真器进行说明的图。
19.图5是使用了二极管的预失真器的一个例子的电路图。
20.图6是表示使用了二极管的预失真器的等效电路的图。
21.图7是表示二极管的电压－电流特性的例子的图表。
22.图8是表示二极管的反向电压－电容特性的一个例子的图表。
23.图9是用于对使用了二极管的预失真器的通过特性进行说明的图。
24.图10是表示二极管的布线图案的一个例子的图。
25.图11是表示第一实施方式的预失真器的一个例子的电路图。
26.图12是表示第一实施方式的预失真器的等效电路的图。
27.图13是表示第一实施方式的fet的漏极电压－漏极电流特性的一个例子的图。
28.图14是表示第一实施方式的fet的布线图案的一个例子的图。
29.图15是表示第二实施方式的预失真器的一个例子的电路图。
30.图16是表示第二实施方式的预失真器的等效电路的图。
31.图17是表示第二实施方式的半导体装置的一个例子的电路图。
32.图18是表示第二实施方式的半导体装置的布线图案的一个例子的图。
33.图19是表示第二实施方式的增益扩展控制端子的基于电压的特性变化的例子的图。
34.图20是表示通过本公开的预失真器实现的输出特性的改善例的图。
35.附图标记说明：
36.100半导体装置
37.101预失真器
38.102放大器
39.103输入端子
40.104输出端子
41.301直通型的预失真器
42.401分路型的预失真器
43.c、c1、c2、c3、c4、c601、c1201、c1202电容器(电容元件)
44.d501二极管
45.m1、m2匹配电路
46.p1输入端口(输入部)
47.p2输出端口(输出部)
48.q1、q2晶体管(fet)
49.r1、r2、r501、r601、r602、r603、r1201、r1202、r1203电阻元件
50.rfc1、rfc2、rfc3扼流线圈
51.vss接地端子。
具体实施方式
52.首先，对本公开的实施方式的概要进行说明。
53.＜本公开的实施方式的概要＞
54.(1)本公开的实施方式的半导体装置具备输入端子、预失真器、放大器以及输出端子，所述预失真器的输入部连接于所述输入端子，所述预失真器的输出部连接于所述放大器的输入部，所述预失真器具备第一晶体管。
55.通过利用了第一晶体管的预失真器，能利用第一晶体管的开关特性来获得增益随着输入信号的功率的增加而扩展的增益扩展效果。需要说明的是，在具备第一晶体管的预失真器中，也具有工作频率越高则第一晶体管的尺寸越小的倾向，但在半导体装置中，第一晶体管的内部电阻比二极管的内部电阻小，因此能抑制由内部电阻引起的增益扩展效果的降低。
56.(2)优选的是，所述预失真器还具备电感元件，所述电感元件的一端与所述第一晶体管的源极连接，所述电感元件的另一端与所述第一晶体管的漏极连接。由此，预失真器能使用电感元件来消除作为增益扩展的阻碍的第一晶体管的源极－漏极间的内部电容，因此能获得更良好的增益扩展效果。
57.(3)优选的是，所述预失真器还具备电容元件和增益扩展控制端子，所述电容元件的一个端子与所述第一晶体管的栅极端子连接，所述电容元件的另一个端子与接地端子连接，所述增益扩展控制端子与所述第一晶体管的栅极端子连接。通过变更向增益扩展控制端子的施加电压来对第一晶体管的有效的源极－漏极间的内部电容进行调整，由此能通过该增益扩展控制端子变更预失真器的增益扩展特性。
58.(4)优选的是，所述输入端子、所述预失真器、所述放大器以及所述输出端子形成于同一半导体基板。
59.(5)优选的是，所述预失真器形成于半导体基板，所述电感元件形成于用直线对所述半导体基板进行划分而得到的两个区域中的一个区域，所述电容元件和所述增益扩展控制端子形成于该两个区域中的另一个区域，其中，所述直线是从所述预失真器的输入部和输出部通过的直线。
60.(6)优选的是，所述放大器具备第二晶体管，所述预失真器的输出部连接于所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的漏极连接于所述输出端子。
61.通过上述的(4)～(6)，在具备预失真器和放大器的半导体装置中，能高效地配置各元件来削减半导体装置的安装面积并且获得良好的高频特性。
62.＜本公开的实施方式的详情＞
63.以下参照附图对本公开的半导体装置的实施方式进行说明。在以下的说明中，对相同的要素或对应的要素标注相同的附图标记，有时会省略对它们的说明。
64.(半导体装置的构成)
65.图1是表示一个实施方式的半导体装置的构成例的图。半导体装置100例如具备：预失真器(pre-distorter)101，对放大器102的失真进行补偿；放大器102，对微米波段或毫米波段等频率比较高的高频信号进行放大；输入端子103；以及输出端子104等。优选的是，输入端子103、预失真器101、放大器102以及输出端子104形成于同一半导体基板上。需要说明的是，在图1中仅示出了与信号的输入输出相关的端子，但半导体装置100例如还具备一
个以上的电源端子、接地(地(ground))端子以及控制端子等。
66.(关于预失真器)
67.在无线通信中，放大器102的失真是指如下现象：在输入功率小的区域，放大器102的相对于输出功率的线性度良好，但另一方面，在输入功率大的区域，放大器102的相对于输出功率的线性度劣化。
68.作为解决该放大器的失真的手段，使用各种失真补偿。失真补偿大致分为反馈、前馈以及预失真这三个方式。其中，对于在微米波段、毫米波段等频率比较高且宽的频率频带使用的放大器102，使用利用了模拟元件的非线性度的模拟预失真器(以下，仅称为“预失真器(pre-distorter)”)。通过预失真器进行的失真补偿不像反馈和前馈方式那样使用在放大器102中产生的失真，因此失真补偿量不大。但是，预失真器不同于作为闭环的反馈电路而能确保稳定性和宽频带特性，因此在电路的小型化和电力消耗方面比其他方式优异。
69.图2是用于对预失真器的概要进行说明的图。图表210示出了放大器102单体中的、相对于输入功率pin的增益(gain)211和相位(phase)212的特性例。如图表210所示，就放大器102而言，当输入功率pin变大时，输出功率饱和从而增益211减小，并且相位212发生变化。由此，就放大器102而言，在饱和区域中，例如，如图表250所示，当频率f1、f2的两个输入信号被输入至放大器102时，在频率2f1―f2和频率2f2―f1处发生三阶互调失真。
70.图表220示出了预失真器101单体中的、相对于输入功率in的增益221和相位222的特性例。预失真器101通过利用例如二极管、晶体管等模拟元件的非线性度调整偏置条件等手段等来实现与放大器102相反的增益特性和相位变化。例如，就预失真器101而言，如图表220所示，随着输入功率in增加，增益221增加，相位222向与放大器102的相位特性相反的方向变化。由此，例如，如图表240所示，预失真器101实现了消除放大器102的互调失真那样的特性。
71.由此，例如，如图表230所示，相对于输入端子103的输出端子104处的作为半导体装置100整体来看的特性显示出如下良好的特性：对于增益231和相位232而言，都是即使输入至输入端子103的输入功率in变大，输出端子104的输出功率pout也被补偿而不会衰减。此外，如图表260所示，互调失真被解除或减少。
72.(预失真器的构成)
73.在预失真器101中有直通型的预失真器和分路型的预失真器。
74.图3是用于对直通型的预失真器进行说明的图。如图3所示，直通型的预失真器301串联连接于输入端口(输入部)p1与输出端口(输出部)p2之间。在此，例如，将直通型的预失真器301的阻抗特性设为zt，将从输入端口p1到输出端口p2的信号的通过特性设为s21。在该情况下，zt被配置为：在输入功率in比较大时，s21的损失接近零，在输入功率in比较小时，s21具有规定的损失(例如，2db～6db左右)。由此，例如，如图2的图表220所示，直通型的预失真器301实现增益221随着输入功率in的增加而变大的特性。
75.图4是用于对分路型预失真器进行说明的图。如图4所示，分路型的预失真器401连接于输入端口p1和输出端口p2之间的信号线与地(电路地)之间。在此，将分路型的预失真器401的阻抗特性设为zs，将从输入端口p1到输出端口p2的信号的通过特性设为s21。在该情况下，zs被配置为：在输入功率in比较大时，电路的特性阻抗中具有相对于z0足够大的阻抗，s21的损失成为最小。此外，zs被配置为：在输入功率in比较小时，阻抗下降，s21具有规
定的损失(例如，2db～6db左右)。由此，例如，如图2的图表220所示，分路型的预失真器401实现增益221随着输入功率in的增加而变大的特性。
76.(利用二极管的预失真器的概要)
77.在此，对例如在如专利文献1～3所示的以往的技术中使用的、使用了二极管的预失真器的概要进行说明。
78.图5是使用了二极管的预失真器的一个例子的电路图。如图5所示，就使用了二极管的预失真器500而言，二极管d501的阴极连接于输入端口p1与输出端口p2之间的信号线，二极管d501的阳极连接于地。此外，在二极管d501的阴极经由偏置电阻r501连接有电源 v。需要说明的是，使用了二极管d501的预失真器500是分路型的预失真器401的一个例子。
79.图6是表示使用了二极管的预失真器的等效电路的图。需要说明的是，图5的偏置电阻r501在高频区域可以忽略，因此在图6的等效电路中省略了记载。如图6所示，使用了二极管的预失真器500的等效电路可以通过电容器(电容元件)c601、与电容器c601并联连接的电阻r602以及串联电阻r601、r603等来表示。
80.图7是表示二极管的电压－电流特性的例子的图表。在图7中，当输入至输入端口p1的输入信号变大时，二极管d501的两端的平均电压701向负方向移位，例如，成为平均电压702那样。
81.图8是表示二极管的反向电压－电容特性的例子的图表。如图8所示，当反向电压增加时，二极管d501的电容器c601的电容降低。因此，当输入至输入端口p1的输入信号变大时，二极管d501的电容器c601的电容降低。
82.图9是用于对使用了二极管的预失真器的通过特性进行说明的图。如图9所示，从输入端口p1通向输出端口p2的电901中的、一部分的电902穿过r601、c601以及r603流到地。就这一部分的电902而言，输入至输入端口p1的输入功率越大，二极管d501的电容器c601的电容越降低，因此通过特性得到改善(损耗减少)。此外，一般而言，依靠频率f的电容c的阻抗z由z＝1/(j2πfc)表示，当频率f变高时，电容器c601的效果变得更显著。由此，为了在高频下也获得期待的所希望的通过特性的改善效果、增益扩展效果，需要进一步减小二极管d501的尺寸。
83.图10是表示二极管的布线图案的一个例子的图。二极管d501例如形成于半导体基板上，通过如图10所示的布线图案1001和布线图案1002等来实现。在图10的例子中，布线图案1002对应于阳极布线，经由布线图案1003和背面过孔1004连接于地。因此，当减小二极管d501的尺寸时，布线图案1002的图案变细，因此图9的串联电阻r603的值变大。
84.如此，就利用了二极管d501的预失真器500而言，工作频率越高，获得规定的增益扩展效果所需的二极管d501的尺寸越小。但是，就预失真器500而言，当二极管d501的尺寸变小时，二极管的内部电阻r603的值变大，因此，由于该内部电阻r603的影响，存在当工作频率变高时增益扩展效果降低这样的问题。
85.本公开的预失真器101是鉴于上述的问题点而完成的，在具备放大器102和预失真器101的半导体装置100中，能在较高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
86.[第一实施方式]
[0087]
接着，对本公开的第一实施方式的预失真器进行说明。
[0088]
(预失真器的构成)
[0089]
图11是表示第一实施方式的预失真器的一个例子的电路图。如图11所示，第一实施方式的预失真器101具备第一晶体管q1，通过第一晶体管q1实现了在图3中进行了说明的直通型的预失真器301。第一晶体管q1例如通过形成于半导体基板上的fet(field effect transistor：场效应晶体管)来实现，源极连接于输入端口p1，漏极连接于输出端口p2。此外，第一晶体管q1的栅极例如通过电容器c1高频地连接于地。需要说明的是，在本公开中，连接不限于物理上连接的状态，还包括例如经由其他元件、电路等电连接(或耦合)的状态。
[0090]
图12是表示第一实施方式的预失真器的等效电路的图。如图12所示，第一实施方式的预失真器101的等效电路可以通过电阻r1201、与电阻r1201并联连接的电容器c以及串联电阻r1202、r1203来表示。在此，电容器c由第一晶体管q1的内部电容c1201、c1202以及图11的电容器c1等构成。
[0091]
(预失真器的工作和效果)
[0092]
图11、12所示的预失真器101利用第一晶体管(fet)q1的开关特性来实现直通型的预失真器。例如，在与前述的二极管d501同样地考虑第一晶体管q1的源极和栅极的情况下，随着输入至输入端口p1的输入功率变大，源极的反向电压(＝vgs)增加。
[0093]
图13是表示第一实施方式的fet的漏极电压－漏极电流特性的一个例子的图。如图13所示，vgs越大，第一晶体管(fet)q1的源极－漏极间的电阻(＝漏极电压/漏极电流)越小。因此，随着输入至输入端口p1的输入功率变大，源极－漏极间的电阻r1201的电阻值变小。由此，例如，如图2的图表220所示，预失真器101实现增益221随着输入功率in变大而变大的特性。
[0094]
图14是表示第一实施方式的fet的布线图案的一个例子的图。第一晶体管(fet)q1形成于半导体基板上。在图14的例子中，第一晶体管q1的源极由布线图案1401形成，漏极通过布线图案1402和在其他层将布线图案1402与布线图案1404连接的布线图案1403等来实现。需要说明的是，在图14中，布线图案1403上的多个黑点表示将布线图案1403与布线图案1402或布线图案1404电连接的过孔(via)。
[0095]
在第一晶体管q1中，也与利用了二极管d501的预失真器500同样地，工作频率越高，获得规定的增益扩展效果所需的第一晶体管q1的尺寸越小。但是，在使用了第一晶体管q1的预失真器101中，图12的串联电阻r1202对应于图14的布线图案1401，图12的串联电阻r1203对应于图14的布线图案1402～1404。如图14所示，布线图案1401～1404不像图10所示的二极管d501的阳极布线(布线图案1002)那样细，因此与二极管d501相比不易受到串联电阻的影响。因此，根据第一实施方式的预失真器101，在具备放大器102和预失真器101的半导体装置100中，与使用了二极管d501的预失真器500相比能在高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
[0096]
[第二实施方式]
[0097]
接着，对本公开的第二实施方式的预失真器进行说明。
[0098]
(预失真器的构成)
[0099]
图15是表示第二实施方式的预失真器的一个例子的电路图。第二实施方式的预失真器101除了具备在图11中进行了说明的第一实施方式的预失真器101之外，还具备电感元件l、高频用的扼流线圈rfc1、电阻元件r1以及增益扩展控制端子cont等。此外，如图15所示，电感元件l的一端连接于第一晶体管q1的源极，电感元件l的另一端连接于第一晶体管
q1的漏极。作为一个例子，该电感元件l由半导体基板上的微带线形成。
[0100]
扼流线圈rfc1的一个端子连接于第一晶体管q1的源极，另一个端子连接于地，承担将第一晶体管q1的源极和漏极直流地接地到地电位的作用。需要说明的是，理想的是，扼流线圈rfc1在高频下具有高阻抗，对预失真器101的通过特性和匹配特性的影响小(或者可以忽略)。增益扩展控制端子cont经由电阻(电阻元件)r1连接于第一晶体管q1的栅极，用于向第一晶体管q1的栅极施加规定的电压。需要说明的是，如上所述，在本公开中，连接不限于物理上连接的状态，还包括例如经由其他元件、电路等电连接(或耦合)的状态。
[0101]
图16是表示第二实施方式的预失真器的等效电路的图。如图16所示，第二实施方式的预失真器101的等效电路除了具备在图12中进行了说明的第一实施方式的预失真器101的等效电路之外，还具备电感元件l。该电感元件l与由第一晶体管q1的内部电容c1201、c1202以及电容器c1等构成的电容器c并联连接，具有消除电容器c的电容的效果。
[0102]
例如，如图16所示，当将通过电感元件l与电容器c的组合得到的电容分量设为c’时，c’由jωc’＝jωc―j/ωl表示。因此，在第二实施方式的预失真器101中，在工作频率高时，即使不减小第一晶体管q1的尺寸，也能通过电感元件l来调整第一晶体管q1的内部电容。
[0103]
以上，根据第二实施方式的预失真器101，在具备放大器102和预失真器101的半导体装置100中，无论第一晶体管q1的尺寸如何，都能在较高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
[0104]
(半导体装置的电路构成)
[0105]
图17是表示第二实施方式的半导体装置的一个例子的电路图。如图17所示，预失真器101的输入端口(输入部)p1连接于半导体装置100的输入端子103，预失真器101的输出端口(输出部)p2连接于放大器102的输入部。
[0106]
此外，预失真器101具备第一晶体管(fet)q1和电感元件l，电感元件l的一端连接于第一晶体管q1的源极，电感元件l的另一端连接于第一晶体管q1的漏极。而且，预失真器101具备电容器(电容元件)c1和增益扩展控制端子cont，电容器c1的一个端子连接于第一晶体管q1的栅极，电容器c1的另一个端子连接于接地端子vss。此外，增益扩展控制端子cont经由电阻元件r1连接于第一晶体管q1的栅极。
[0107]
放大器102具备第二晶体管(fet)q2，作为一个例子，实现了源极接地的放大电路。在图17的例子中，第二晶体管q2的栅极经由阻抗匹配用的匹配电路m2和电容器c2连接于预失真器101的输出端口(输出部)p2。此外，第二晶体管q2的栅极连接于高频用的扼流线圈rfc3的一个端子。扼流线圈rfc3的另一个端子通过电容器c5高频地连接于地。此外，扼流线圈rfc3的另一个端子经由电阻元件r2连接于供给第二晶体管q2的栅极电压的控制端子vg。
[0108]
第二晶体管q2的漏极经由阻抗匹配用的匹配电路m3和电容器c3连接于半导体装置100的输出端子104。此外，第二晶体管q2的漏极经由高频用的扼流线圈rfc2连接于电源端子 v。电容器c4连接于扼流线圈rfc2的电源端子 v侧的端子与接地端子vss之间，将扼流线圈rfc2的电源端子 v侧的端子高频地连接于地。
[0109]
需要说明的是，图17所示的放大器102的电路构成是一个例子。放大器102例如也可以是具备两个以上的晶体管的多级构成的放大电路等。
[0110]
(半导体装置的布线图案的例子)
[0111]
图18是表示第二实施方式的半导体装置的布线图案的一个例子的图。作为一个例子，半导体装置100设于gaas(砷化镓)等的同一半导体基板上。在图18中，布线1例如由半导体基板上的金属布线(例如，au布线)形成，布线2由半导体基板上的与布线1不同的层的金属布线形成。在图18中，布线1和布线2通过多个过孔连接。此外，布线1中存在背面过孔的部位通过背面过孔连接于地电位。
[0112]
在图18的例子中，作为一个例子，电感元件l在半导体基板(gaas，厚度t＝50μm)上的布线1(金属au，厚度t＝2μm)与设于半导体基板反面的导体金属层之间被形成为微带线。布线1例如被形成为宽度w＝10μm、长度l＝280μm。此外，作为一个例子，第一晶体管q1的栅极布线由栅极长度lg＝0.1μm、栅极宽度wg＝20μm
×
2的布线1形成。而且，作为一个例子，电容器c1由布线1形成为具有0.15pf的电容的开路短截线。作为一个例子，电阻元件r1的电阻值设为1kω，作为一个例子，扼流线圈rfc1的电感值设为240ph。
[0113]
优选的是，就预失真器101而言，在半导体基板上描绘出将预失真器101的输入部和输出部相连的直线1801的情况下，电感元件l形成于用直线1801对半导体基板表面进行划分而得到的两个区域中的一个区域，电容器c1、增益扩展控制端子cont形成于该两个区域中的另一个区域。
[0114]
(关于增益扩展控制端子)
[0115]
图19是表示第二实施方式的增益扩展控制端子的基于电压的特性变化的一个例子的图。图17、图18所示的预失真器101的扼流线圈rfc1承担将第一晶体管q1的源极和漏极直流地接地的作用。由此，预失真器101能通过施加于增益扩展控制端子cont的偏置电压来例如如图19所示地调整增益扩展特性。
[0116]
在图19中，横轴表示预失真器101的输出功率，纵轴表示预失真器101的增益的差。如图19所示，通过将施加于增益扩展控制端子cont的偏置电压的电压值设定得更低，能将增益扩展特性的斜率设定得更大。
[0117]
(关于效果)
[0118]
图20是表示通过本公开的预失真器实现的输出特性的改善例的图。在图20中，横轴表示预失真器的输出功率，纵轴表示预失真器的增益的差。在图20中，曲线2001表示作为比较例的如图5所示的使用了二极管d501的预失真器500的增益扩展特性的一个例子。
[0119]
曲线2002表示例如如图11所示的使用了第一晶体管(fet)q1的第一实施方式的预失真器101的增益扩展特性的一个例子。如图20所示，通过第一实施方式的预失真器101，例如，在微米波段、毫米波段等比较高的频率区域中，预失真器101的增益扩展特性被改善。
[0120]
曲线2003表示例如如图15所示的使用了第一晶体管(fet)q1和电感元件l的第二实施方式的预失真器101的增益扩展特性的一个例子。如图20所示，可知：通过第二实施方式的预失真器101，例如，在微米波段、毫米波段等比较高的频率区域中，预失真器101的增益扩展特性进一步被改善。
[0121]
以上，根据本公开的各实施方式的半导体装置100，在具备放大器102和预失真器101的半导体装置100中，能在较高的工作频率下获得良好的增益扩展效果。
[0122]
以上，对本公开的实施方式等进行了说明，但本公开不限定于上述实施方式等。在权利要求书所记载的范围内，可以进行各种变更、修正、置换、附加、删除以及组合。它们当然也属于本公开的技术范围。