特許 7547987 電力増幅器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】電力増幅器

(51)【国際特許分類】

   H03F 3/20 20060101AFI20240903BHJP

   H03F 1/52 20060101ALN20240903BHJP

   H03G 11/02 20060101ALN20240903BHJP

【ＦＩ】

H03F3/20

H03F1/52

H03G11/02

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020210054

(22)【出願日】2020-12-18

(65)【公開番号】P2022096838

(43)【公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(74)【代理人】

【識別番号】100145023

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 学

(72)【発明者】

【氏名】筒井 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】近藤 将夫

【審査官】及川 尚人

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６８２８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２３６２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８６１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２３２４７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２２６３６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０６５７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０９－５１１１２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｆ １／００－３／７２

Ｈ０３Ｇ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体領域を含む第１部材と、
前記第１部材の一つの面である第１面に面接触して接合され、化合物半導体系の半導体領域を含む第２部材と
を備え、
前記第２部材は、
化合物半導体系のトランジスタを含む増幅回路と、
多段に接続されて、前記増幅回路の出力ポートとグランドとの間に、前記出力ポートからグランドに向かう向きが順方向になるように挿入された複数のクランプダイオードと
を含み、
前記第１部材は、
多段に接続された前記複数のクランプダイオードの途中の点である引出点とグランドとの間に接続されたスイッチと、
前記トランジスタの温度を測定する温度センサと、
前記温度センサの測定値が第１しきい値以下になったら前記スイッチをオンにし、前記スイッチがオンのときに前記温度センサの測定値が第２しきい値以上になったら前記スイッチをオフに戻すスイッチ制御回路と
を含み、
前記引出点と前記スイッチとは、前記第１部材の前記第１面から前記第２部材の表面まで至る層間絶縁膜の上に配置された金属パターンからなる部材間接続配線を含む経路、または前記第１部材と前記第２部材とが接合された界面と交差する経路を介して接続されている電力増幅器。

【請求項2】

前記温度センサは、平面視において前記第２部材と重なる位置に配置されている請求項１に記載の電力増幅器。

【請求項3】

前記第１部材の前記第１面、及び前記第２部材の表面のそれぞれから突出する導体突起を、さらに備えた請求項１または２に記載の電力増幅器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力増幅器に関する。

【背景技術】

【0002】

携帯端末に搭載される主要部品の一つに高周波電力増幅器がある。携帯端末の無線伝送容量を大容量化するために、キャリアアグリゲーション（ＣＡ）等の多くの周波数バンドを利用する無線通信規格が実用化されている。使用される周波数バンドの増加に付随して、ＲＦフロントエンドの回路構成が複雑になっている。さらに、第５世代移動通信システム（５Ｇ）のサブ６ＧＨｚ帯の周波数バンドを使用可能にするために、ＲＦフロントエンドの回路構成がさらに複雑になる。

【0003】

ＲＦフロントエンドの回路構成が複雑になると、高周波電力増幅器からアンテナまでの伝送線路に挿入されるフィルタ、スイッチ等による損失が増大する。その結果、高周波電力増幅器には、複数の周波数バンドへの対応の他に、高出力化が求められることになる。

【0004】

高周波電力増幅器の出力電流及び出力電圧は、負荷の位相変動に合わせて大きく変動する。高周波電力増幅に高出力化が求められるとともに、負荷変動時における耐電圧特性の向上が求められる。一般に、電力増幅率等の特性と、耐電圧特性とはトレードオフの関係にあり、電力増幅率を高めるとともに、耐電圧特性を向上させることは困難である。

【0005】

下記の特許文献１に、出力ポートに多段のクランプダイオードを接続した高周波電力増幅器が開示されている。この電力増幅器は、多段接続されたクランプダイオードの途中から電圧信号を取り出し、高電圧信号が検出されると、増幅器のゲインが低下するようにバイアス電流を変化させるフィードバック回路を含んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許第６５８０３２１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

増幅回路のトランジスタの破壊耐圧は温度依存性を有しており、特に低温時に破壊耐圧が低下する。例えば、高温時にトランジスタが破壊しないようにフィードバック制御を行うと、低温時にトランジスタが破壊してしまうおそれがある。逆に、低温時にトランジスタが破壊しないようにフィードバック制御を行うと、高温時には破壊上限電圧まで余裕があるにもかかわらず、出力が抑制されてしまい、高出力化に反することになる。

【0008】

本発明の目的は、温度に応じて好適に出力電圧を抑制することが可能な電力増幅器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一観点によると、
半導体領域を含む第１部材と、
前記第１部材の一つの面である第１面に面接触して接合され、化合物半導体系の半導体領域を含む第２部材と
を備え、
前記第２部材は、
化合物半導体系のトランジスタを含む増幅回路と、
多段に接続されて、前記増幅回路の出力ポートとグランドとの間に、前記出力ポートからグランドに向かう向きが順方向になるように挿入された複数のクランプダイオードと
を含み、
前記第１部材は、
多段に接続された前記複数のクランプダイオードの途中の点である引出点とグランドとの間に接続されたスイッチと、
前記トランジスタの温度を測定する温度センサと、
前記温度センサの測定値が第１しきい値以下になったら前記スイッチをオンにし、前記スイッチがオンのときに前記温度センサの測定値が第２しきい値以上になったら前記スイッチをオフに戻すスイッチ制御回路と
を含み、
前記引出点と前記スイッチとは、前記第１部材の前記第１面から前記第２部材の表面まで至る層間絶縁膜の上に配置された金属パターンからなる部材間接続配線を含む経路、または前記第１部材と前記第２部材とが接合された界面と交差する経路を介して接続されている電力増幅器が提供される。

【発明の効果】

【0011】

温度センサの測定値に基づいてスイッチのオンオフ制御を行うことにより、多段接続されたクランプダイオードの実効的な段数を、温度に応じて変化させることができる。クランプダイオードの段数を温度に応じた好適な値に設定することが可能になり、出力ポートに出力される瞬時電圧を温度に応じて好適に抑制することができる。さらに、引出点とスイッチとが、部材間接続配線、または第１部材と第２部材との界面と交差する経路を介して接続されているため、多段接続されたクランプダイオードの引出点からグランドまでの経路の寄生インダクタンスの増大が抑制される。これにより、引出点をグランドに接続してクランプダイオードの実効的な段数を削減する十分な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施例による電力増幅器のブロック図である。

【図2】図２は、第１実施例による電力増幅器の概略断面図である。

【図3】図３は、第１実施例による電力増幅器の第１部材及び第２部材の一部の断面図である。

【図4】図４Ａから図４Ｆまでの図面は、製造途中段階における電力増幅器の断面図である。

【図5】図５Ａから図５Ｃまでの図面は、製造途中段階における電力増幅器の断面図であり、図５Ｄは、完成した電力増幅器の断面図である。

【図6】図６は、ＨＢＴの破壊耐圧特性の一例を示すグラフである。

【図7】図７Ａ及び図７Ｂは、図１に示したパワー段増幅回路のトランジスタに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図8】図８は、図１に示したパワー段増幅回路のトランジスタに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図9】図９Ａ及び図９Ｂは、図１に示したパワー段増幅回路のトランジスタに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、図１に示したパワー段増幅回路のトランジスタに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、第２実施例による電力増幅器の概略断面図である。

【図12】図１２は、第２実施例による電力増幅器の第１部材及び第２部材の一部の断面図である。

【図13】図１３は、第３実施例による電力増幅器のブロック図である。

【図14】図１４は、第４実施例による電力増幅器の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［第１実施例］
図１から図１０までの図面を参照して、第１実施例による電力増幅器について説明する。
図１は、第１実施例による電力増幅器のブロック図である。第１実施例による電力増幅器は、ドライバ段増幅回路２１とパワー段増幅回路２２との２段で構成されている。入力端子Ｐｉｎから入力された高周波信号が、ドライバ段増幅回路２１で増幅され、増幅された高周波信号がパワー段増幅回路２２でさらに増幅される。

【0014】

パワー段増幅回路２２で増幅され、出力ポート２２ｏｕｔから出力された高周波信号が、出力整合回路２３を介して出力端子Ｐｏｕｔから出力される。パワー段増幅回路２２の出力ポート２２ｏｕｔとグランド３２との間に、多段接続された複数のクランプダイオード３０が接続されている。複数のクランプダイオード３０は、出力ポート２２ｏｕｔからグランド３２に向かう向きが順方向になる極性で接続されている。

【0015】

多段接続された複数のクランプダイオード３０の途中の点（以下、引出点３１という。）とグランド３２との間にスイッチ４２が接続されている。例えば、６個のクランプダイオード３０が多段に接続されており、グランド３２側から２番目のクランプダイオード３０と３番目のクランプダイオード３０との間が引出点３１とされている。スイッチ４２がオンになった時に、引出点３１からグランド３２までの経路の寄生インダクタンスをＰＬと表記する。例えば、この経路を通って高周波電流が流れる。この場合、導体からなる経路は「電流経路」として機能する。なお、この経路を通って、主として高周波の電圧信号が伝送される場合もある。

【0016】

温度センサ４１がパワー段増幅回路２２を構成するトランジスタの温度を測定する。一例として、温度センサ４１は、トランジスタで発生した熱が伝導されて温度が上昇した箇所の温度、すなわちトランジスタから熱的影響を受ける箇所の温度を測定することにより、トランジスタの温度を間接的に測定する。スイッチ制御回路４０が、温度センサ４１の測定結果に基づいてスイッチ４２のオンオフ制御を行う。例えば、スイッチ制御回路４０は、温度センサ４１の測定値が第１しきい値以下になったらスイッチ４２をオンにする。スイッチ４２がオンのときに温度センサ４１の測定値が第２しきい値以上になったら、スイッチ４２をオフに戻す。

【0017】

図２は、第１実施例による電力増幅器の概略断面図である。なお、図２において、一部の回路を回路図記号や破線で模式的に示している。

【0018】

第１実施例による電力増幅器は、第１部材５１及び第２部材６１を含む。第１部材５１は、単体半導体系の半導体領域を含む。例えば、第１部材５１は、半導体基板５２と、その一方の面に配置された多層配線構造５３とを含む。なお、多層配線構造５３の表面を覆う保護膜を配置してもよい。半導体基板５２として、例えばシリコン基板、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板等の単体半導体系の基板を用いることができる。

【0019】

多層配線構造５３の表面（以下、第１面５１Ａという。）に、第２部材６１が面接触して接合されている。多層配線構造５３の表面を覆う保護膜を配置する場合には、この保護膜の表面を第１面５１Ａと定義する。第２部材６１は、化合物半導体系の半導体領域を含む。第２部材６１の構造については、後に図３を参照して詳細に説明する。

【0020】

第１部材５１は、スイッチ４２、スイッチ制御回路４０、及び温度センサ４１を含む。スイッチ４２は、例えば半導体基板５２の表層部に形成されたＭＯＳＦＥＴで構成される。温度センサ４１は、例えば半導体基板５２の表層部に形成されたダイオード等を含む。スイッチ制御回路４０は、半導体基板５２の表層部に形成された複数の半導体素子等からなるＡＤ変換回路、メモリ回路、電圧発生回路を含む。ＡＤ変換回路は、温度センサ４１のアナログ的な温度に関する測定値をデジタル信号に変換する。電圧発生回路は、メモリ回路に記憶されている制御情報、及び温度センサ４１の測定値に基づいて、スイッチ４２を制御する電圧信号を発生する。

【0021】

第２部材６１は、ドライバ段増幅回路２１（図１）、パワー段増幅回路２２（図１）、及び多段接続された複数のクランプダイオード３０を含む。パワー段増幅回路２２は複数のトランジスタ２２Ｔを含む。第１部材５１の第１面５１Ａ及び第２部材６１を覆うように、層間絶縁膜７７が配置されている。層間絶縁膜７７の上面は平坦化されている。層間絶縁膜７７の上に、金属パターンからなる部材間接続配線７１、パッド７２、７３等が配置されている。

【0022】

パッド７２は、層間絶縁膜７７に設けられた開口を通ってパワー段増幅回路２２のトランジスタ２２Ｔのエミッタに接続されている。もう一つのパッド７３は、層間絶縁膜７７に設けられた開口を通って、多層配線構造５３内の配線に接続されている。部材間接続配線７１は、層間絶縁膜７７に設けられた開口を通って、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１に接続されるとともに、層間絶縁膜７７に設けられた他の開口を通り、多層配線構造５３内の配線５４を介してスイッチ４２に接続されている。

【0023】

部材間接続配線７１、パッド７２、７３等が配置された配線層は、再配線層と呼ばれる場合がある。再配線層を覆うように層間絶縁膜７７の上に絶縁性の保護膜７８が配置されている。保護膜７８に、平面視においてパッド７２、７３等のそれぞれに包含される開口が設けられている。開口内に露出したパッド７２、７３の上に、それぞれ導体突起８２、８３が設けられている。導体突起８２、８３は、保護膜７８の上面から突出しており、開口の周辺の保護膜７８の上面まで広がっている。

【0024】

導体突起８２は、パッド７２に接続されたＣｕピラー８２Ａと、Ｃｕピラー８２Ａの上面に配置されたハンダ層８２Ｂとを含む。このような構造の導体突起８２は、Ｃｕピラーバンプといわれる。なお、Ｃｕピラー８２Ａの底面に、密着性向上を目的としてアンダーバンプメタル層を配置してもよい。他の導体突起８３も、導体突起８２と同じ積層構造を有する。なお、導体突起８２、８３等に、Ｃｕピラーバンプに代えて、Ａｕバンプ、ハンダボールバンプ、パッド上に立てられた導体柱等を用いてもよい。Ａｕバンプのように、ハンダ層が載せられていないバンプは、ピラーともいわれる。パッド上に立てられた導体柱は、ポストともいわれる。

【0025】

第２部材６１内のグランド導体と第１部材５１内のグランド導体とが、再配線層内の再配線により相互に接続されている。その他の構成として、第２部材６１内のグランド導体と第１部材５１内のグランド導体とが、それぞれ第１部材５１に設けられた導体突起及び第２部材６１に設けられた導体突起を介して、モジュール基板の共通のグランド導体に接続される構成を採用してもよい。

【0026】

図３は、第１実施例による電力増幅器２０の第１部材５１及び第２部材６１の一部の断面図である。第２部材６１は、下地半導体層６２と、その上に配置されたパワー段増幅回路２２（図１）のトランジスタ２２Ｔ、クランプダイオード３０等を含む。下地半導体層６２が、第１部材５１の第１面５１Ａに面接触して接合されている。下地半導体層６２は、複数の導電領域６２Ａ、６２Ｂ等と、複数の導電領域６２Ａ、６２Ｂ等を相互に電気的に分離する素子分離領域６２Ｃとに区分されている。導電領域６２Ａ、６２Ｂ等は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成されている。素子分離領域６２Ｃは、ｎ型ＧａＡｓに不純物をイオン注入して絶縁化することにより形成される。

【0027】

導電領域６２Ａの上に、トランジスタ２２Ｔが配置されており、導電領域６２Ｂの上にクランプダイオード３０が配置されている。図３では、複数のトランジスタ２２Ｔのうちの一つ、及び複数のクランプダイオード３０のうちの一つを示している。パワー段増幅回路２２は、並列に接続された複数のトランジスタ２２Ｔを含む。

【0028】

トランジスタ２２Ｔは、導電領域６２Ａの上に順番に積層されたコレクタ層６３Ｃ、ベース層６３Ｂ、及びエミッタ層６３Ｅを含む。エミッタ層６３Ｅは、ベース層６３Ｂの一部の領域の上に配置されている。コレクタ層６３Ｃは、例えばｎ型ＧａＡｓで形成されており、導電領域６２Ａに電気的に接続されている。ベース層６３Ｂは、例えばｐ型ＧａＡｓで形成されている。エミッタ層６３Ｅは、例えばｎ型ＩｎＧａＰで形成されている。なお、エミッタ層６３Ｅの上に、ｎ型ＧａＡｓからなる層を配置してもよい。コレクタ層６３Ｃ、ベース層６３Ｂ、及びエミッタ層６３Ｅにより、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が構成される。

【0029】

エミッタ層６３Ｅの上にエミッタ電極６４Ｅが配置されている。エミッタ電極６４Ｅはエミッタ層６３Ｅに電気的に接続されている。ベース層６３Ｂの上にベース電極６４Ｂが配置されている。ベース電極６４Ｂはベース層６３Ｂに電気的に接続されている。導電領域６２Ａの上にコレクタ電極６４Ｃが配置されている。コレクタ電極６４Ｃは導電領域６２Ａを介してコレクタ層６３Ｃに電気的に接続されている。

【0030】

クランプダイオード３０は、導電領域６２Ｂの上に順番に積層されたカソード層６３Ｎ及びアノード層６３Ｐを含む。カソード層６３Ｎとコレクタ層６３Ｃとは、同一の半導体層をパターニングすることにより形成され、アノード層６３Ｐとベース層６３Ｂとは、同一の半導体層をパターニングすることにより形成される。カソード層６３Ｎは導電領域６２Ｂに電気的に接続されている。

【0031】

アノード層６３Ｐの上にアノード電極６４Ｐが配置されている。アノード電極６４Ｐは、アノード層６３Ｐに電気的に接続されている。導電領域６２Ｂの上にカソード電極６４Ｎが配置されている。カソード電極６４Ｎは導電領域６２Ｂを介してカソード層６３Ｎに電気的に接続されている。

【0032】

トランジスタ２２Ｔ及びクランプダイオード３０を覆うように、下地半導体層６２の上に層間絶縁膜６６が配置されている。層間絶縁膜６６の所定の位置に開口が設けられている。層間絶縁膜６６の上に１層目の配線層が配置されている。１層目の配線層に、エミッタ配線６５Ｅ、コレクタ配線６５Ｃ、アノード配線６５Ｐ及びカソード配線６５Ｎ等が含まれる。エミッタ配線６５Ｅ及びコレクタ配線６５Ｃは、それぞれ層間絶縁膜６６に設けられた開口を通ってエミッタ電極６４Ｅ及びコレクタ電極６４Ｃに接続されている。アノード配線６５Ｐ及びカソード配線６５Ｎは、それぞれ層間絶縁膜６６に設けられた開口を通ってアノード電極６４Ｐ及びカソード電極６４Ｎに接続されている。

【0033】

１層目の配線層の上に、層間絶縁膜７７が配置されている。層間絶縁膜７７は、図２に示したように第１部材５１の第１面５１Ａの上まで広がっている。層間絶縁膜７７の所定の位置に開口が設けられている。

【0034】

層間絶縁膜７７の上に、パッド７２を含む再配線層が配置されている。パッド７２は、層間絶縁膜７７に設けられた開口を通ってエミッタ配線６５Ｅに接続されている。パッド７２を覆うように、保護膜７８が配置されている。保護膜７８に、パッド７２を露出する開口が設けられている。開口内に露出したパッド７２の上、及び開口の周囲の保護膜７８の上に、導体突起８２が配置されている。導体突起８２は、Ｃｕピラー８２Ａとハンダ層８２Ｂとを含む。導体突起８２は、トランジスタ２２Ｔのエミッタを外部回路に接続するための外部接続用端子として用いられる。

【0035】

次に、図４Ａから図５Ｄまでの図面を参照して第１実施例による電力増幅器の製造方法について説明する。図４Ａから図５Ｃまでの図面は、製造途中段階における電力増幅器の断面図であり、図５Ｄは、完成した電力増幅器の断面図である。

【0036】

図４Ａに示すように、ＧａＡｓ等の化合物半導体の単結晶の母基板２００の上に剥離層２０１をエピタキシャル成長させ、剥離層２０１の上に素子形成層２０２を形成する。素子形成層２０２には、図３に示した第２部材６１のトランジスタ２２Ｔ、クランプダイオード３０、１層目の配線層等が形成されている。これらの回路素子は、一般的な半導体プロセスにより形成される。図４Ａでは、素子形成層２０２に形成されている素子構造については記載を省略している。この段階では、素子形成層２０２は個々の第２部材６１に分離されていない。

【0037】

次に、図４Ｂに示すように、レジストパターン（図示せず）をエッチングマスクとして、素子形成層２０２（図４Ａ）及び剥離層２０１をパターニングする。この段階で、素子形成層２０２（図４Ａ）は第２部材６１ごとに分離される。

【0038】

次に、図４Ｃに示すように、分離された第２部材６１の上に連結支持体２０４を貼り付ける。これにより、複数の第２部材６１が、連結支持体２０４を介して相互に連結される。なお、図４Ｂのパターニング工程でエッチングマスクとして用いたレジストパターンを残しておき、第２部材６１と連結支持体２０４との間にレジストパターンを介在させてもよい。

【0039】

次に、図４Ｄに示すように、母基板２００及び第２部材６１に対して剥離層２０１を選択的にエッチングする。これにより、第２部材６１及び連結支持体２０４が母基板２００から剥離される。剥離層２０１を選択的にエッチングするために、剥離層２０１として、母基板２００及び第２部材６１のいずれともエッチング耐性の異なる化合物半導体が用いられる。

【0040】

図４Ｅに示すように、第１部材５１（図２）に設けられるスイッチ４２、スイッチ制御回路４０、温度センサ４１、及び多層配線構造５３等が形成された基板２１０を準備する。この段階で、基板２１０は個々の第１部材５１に分離されていない。

【0041】

図４Ｆに示すように、第２部材６１を基板２１０に接合する。第２部材６１と基板２１０との接合は、ファンデルワールス結合または水素結合による。その他に、静電気力、共有結合、共晶合金結合等によって第２部材６１を基板２１０に接合してもよい。例えば、基板２１０の表面の一部がＡｕで形成されている場合、第２部材６１をＡｕ領域に密着させて加圧することにより、両者を接合してもよい。

【0042】

次に、図５Ａに示すように、第２部材６１から連結支持体２０４を剥離する。連結支持体２０４を剥離した後、図５Ｂに示すように、基板２１０及び第２部材６１の上に層間絶縁膜７７及び再配線層を形成する。再配線層には、部材間接続配線７１、パッド７２等が含まれる。

【0043】

次に、図５Ｃに示すように、再配線層の上に保護膜７８を形成し、保護膜７８の所定の位置に開口を形成する。その後、開口内及び保護膜７８の上に、導体突起８２を形成する。

【0044】

最後に、図５Ｄに示すように、基板２１０をダイシングする。これにより、電力増幅器２０が得られる。個片化された電力増幅器２０のそれぞれの第１部材５１は、平面視において第２部材６１より大きい。電力増幅器２０は、モジュール基板等にフリップチップ実装される。

【0045】

次に、図６から図８Ｂまでの図面を参照して、第１実施例による電力増幅器２０にスイッチ４２を設けることの優れた効果について説明する。

【0046】

図６は、ＨＢＴの破壊耐圧特性の一例を示すグラフである。横軸はコレクタ電圧を表し、縦軸はコレクタ電流を表す。図６のグラフ中に示した実線及び破線は、それぞれ室温時及び低温時における破壊境界を示す。ＨＢＴのコレクタ電圧及びコレクタ電流が破壊境界を超えると、ＨＢＴが破壊してしまう。室温時においてコレクタ電圧が増加すると、破壊境界を示すコレクタ電流が急激に低下する領域が現れる。このときのコレクタ電圧を破壊電圧ということとする。ＨＢＴは、コレクタ電圧が破壊電圧を超えない範囲で動作させなければならない。ＨＢＴの温度が低温になると、図６において矢印で示したように破壊電圧が低下する。

【0047】

図７Ａ、図７Ｂ及び図８は、図１に示したパワー段増幅回路２２のトランジスタ２２Ｔに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。図７Ａ及び図７Ｂの横軸は時間を単位「ｎｓ」で表し、図７Ａの縦軸は瞬時コレクタ電圧を任意単位で表し、図７Ｂの縦軸は瞬時コレクタ電流を任意単位で表す。図８の横軸は瞬時コレクタ電圧を任意単位で表し、縦軸は瞬時コレクタ電流を任意単位で表す。

【0048】

このシミュレーションでは、入力信号の周波数を１．９ＧＨｚとした。さらに、負荷変動によってインピーダンス不整合が生じ、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が５になった場合を想定してシミュレーションを行った。また、図１に示した寄生インダクタンスＰＬはゼロとした。グラフ中の太い実線、細い実線、及び破線は、それぞれ図１に示した等価回路図のクランプダイオード３０の段数を、６段、４段、及び２段にした時のシミュレーション結果を示している。クランプダイオード３０の各々の順方向電圧をＶｆと表記し、クランプダイオード３０の段数をＮと表記する。瞬時コレクタ電圧がＶｆ×Ｎを超えると、クランプダイオード３０に順方向電流が流れ、瞬時コレクタ電圧の上昇が抑制される。このため、クランプダイオード３０の段数Ｎが少ないほど、瞬時コレクタ電圧のピーク値が抑制される。

【0049】

また、クランプダイオード３０の段数を増加させると、コレクタ電圧として十分なダイナミックロードラインを確保することができるため、瞬時コレクタ電圧のピーク値が高くなる。この条件のとき、電流電圧特性において瞬時コレクタ電流のピーク値は、クランプダイオード３０の段数が少ない場合と比較して抑制される。

【0050】

図７Ａ、図７Ｂ、図８に示したシミュレーション結果から、クランプダイオード３０の段数を少なくすると、瞬時コレクタ電圧のピーク値を低減させる効果が大きくなることがわかる。トランジスタの瞬時コレクタ電圧が破壊境界（図６）を越えないようにするためには、低温時にクランプダイオード３０の段数を減らせばよい。第１実施例では、温度センサ４１の測定値が第１しきい値以下の時にスイッチ４２（図１）をオンにすることにより、クランプダイオード３０の実効的な段数を減らしている。このため、負荷変動が生じても、低温時におけるトランジスタ２２Ｔの瞬時コレクタ電圧のピーク値を抑制することができる。これにより、トランジスタ２２Ｔの破壊を抑制することができる。

【0051】

また、第１実施例では、トランジスタの温度が第２しきい値を超えるとスイッチ４２をオフにして、クランプダイオード３０の実効的な段数を元に戻す。このため、例えば室温時には、トランジスタ２２Ｔの破壊境界のほぼ上限値までの範囲で、瞬時コレクタ電圧を振ることができ、出力の不要な低下を抑制することができる。

【0052】

次に、図９Ａ、図９Ｂ、及び図１０を参照して、第１実施例による電力増幅器２０において、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１（図２）とスイッチ４２とを、部材間接続配線７１で接続することの優れた効果について説明する。

【0053】

図９Ａ、図９Ｂ及び図１０は、図１に示したパワー段増幅回路２２のトランジスタ２２Ｔに加わる瞬時コレクタ電圧及び瞬時コレクタ電流のシミュレーション結果を示すグラフである。図９Ａ及び図９Ｂの横軸は時間を単位「ｎｓ」で表し、図９Ａの縦軸は瞬時コレクタ電圧を任意単位で表し、図９Ｂの縦軸は瞬時コレクタ電流を任意単位で表す。図８の横軸は瞬時コレクタ電圧を任意単位で表し、縦軸は瞬時コレクタ電流を任意単位で表す。

【0054】

このシミュレーションにおいて、入力信号の周波数、及び負荷変動による電圧定在波比は、図７Ａ、図７Ｂ、図８におけるシミュレーションの条件と同一とした。グラフ中の太い実線及び細い実線は、それぞれ図１に示した等価回路図の寄生インダクタンスＰＬをゼロとし、クランプダイオード３０の段数を、６段及び３段にした時のシミュレーション結果を示している。グラフ中の破線は、図１に示した等価回路図の寄生インダクタンスＰＬを１ｎＨとし、クランプダイオード３０の段数を３段にした時のシミュレーション結果を示している。

【0055】

寄生インダクタンスＰＬがゼロの条件で、クランプダイオード３０の段数を６段から３段に減らすと、太い実線及び細い実線で示すように、瞬時コレクタ電圧のピーク値が抑制されている。ところが、寄生インダクタンスＰＬが１ｎＨの条件では、太い実線及び破線で示すように、クランプダイオード３０の段数を減らしても瞬時コレクタ電圧のピーク値を抑制する効果は得られないことがわかる。例えば、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とをボンディングワイヤで接続すると、１ｎＨ程度の寄生インダクタンスが発生する。したがって、ボンディングワイヤを用いる場合には、スイッチ４２をオンにしてクランプダイオード３０の実効的な段数を減らしても、瞬時コレクタ電圧のピーク値をさらに抑制する効果はほとんど得られない。

【0056】

以下、瞬時コレクタ電圧のピーク値を抑制する効果がほとんど得られない理由について説明する。寄生インダクタンスＰＬが増加すると、パワー段増幅回路２２（図１）の出力ポートからスイッチ４２を介してグランドに向かう経路のインピーダンスが高くなる。また、パワー段増幅回路２２の出力インピーダンスはもともと低インピーダンスであるため、出力整合回路２３（図１）を含む負荷インピーダンスは、低く設定されている。寄生インダクタンスＰＬに起因して、スイッチ４２を介してグランドに向かう経路のインピーダンスが負荷インピーダンスに比べて相対的に高くなることにより、瞬時コレクタ電圧のピーク電圧をグランドに逃がす効果が得られにくくなる。

【0057】

第１実施例では、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とが、再配線層に含まれる部材間接続配線７１（図２）によって接続されているため、ボンディングワイヤによって両者を接続する構成と比べて、寄生インダクタンスＬＰが低減する。このため、スイッチ４２をオンにしてクランプダイオード３０の実効的な段数を減らすことによって、瞬時コレクタ電圧のピーク値をさらに抑制する十分な効果を得ることができる。

【0058】

次に、第１実施例の他の優れた効果について説明する。
第１実施例（図２）では、第２部材６１が第１部材５１に面接触しているため、第２部材６１に設けられたトランジスタ２２Ｔから第１部材５１に至る伝熱経路の熱抵抗が低くなる。トランジスタ２２Ｔで発生した熱は、第１部材５１と第２部材６１との界面を通って第１部材５１に伝導される。第１部材５１に伝導された熱は、第１部材５１内を拡散し、第１部材５１の表面から外部に放熱される。また、第１部材５１自体が第２部材６１に比べて大きな熱容量を持つため、第１部材５１がヒートシンクとして機能する。

【0059】

第１部材５１を介した放熱特性を向上させるために、第１部材５１の半導体領域、例えば半導体基板５２に、トランジスタ２２Ｔを構成する化合物半導体材料の熱伝導率より高い熱伝導率を持つ半導体材料を用いることが好ましい。例えば、第１部材５１の半導体領域に、単体半導体、ＳｉＣ等を用いることが好ましい。

【0060】

さらに、第１実施例（図２）では、トランジスタ２２Ｔで発生した熱は、パッド７２及び導体突起８２を介してモジュール基板に伝導される。このように、トランジスタ２２Ｔから第１部材５１に至る伝熱経路と、導体突起８２を介してモジュール基板に至る伝熱経路との２つの経路が形成されるため、トランジスタ２２Ｔの温度上昇を抑制する効果を高めることができる。

【0061】

さらに、第１実施例では、温度センサ４１が第２部材６１に面接触する第１部材５１に設けられている。このため、第２部材６１に設けられたトランジスタ２２Ｔの自己発熱による温度上昇が、温度センサ４１の測定値に迅速に反映される。このため、トランジスタ２２Ｔの温度変化がスイッチ４２のオンオフ制御に迅速に反映されるという優れた効果が得られる。トランジスタ２２Ｔの温度変化が温度センサ４１の測定値に反映されやすくするために、図２に示すように、温度センサ４１と第２部材６１とを、平面視において相互に重なるように配置することが好ましい。

【0062】

さらに、第１実施例では、化合物半導体系のトランジスタ２２Ｔを含む第２部材６１が、スイッチ制御回路４０等が設けられた第１部材５１に面接触しているため、トランジスタ２２Ｔを含む化合物半導体系のチップと、スイッチ制御回路４０等を含むチップとをモジュール基板に別々に実装する構成と比べて、電力増幅器２０の小型化を図ることが可能である。

【0063】

［第２実施例］
次に、図１１及び図１２を参照して第２実施例による電力増幅器について説明する。以下、図１から図１０までの図面を参照して説明した第１実施例による電力増幅器と共通の構成については説明を省略する。

【0064】

図１１は、第２実施例による電力増幅器２０の概略断面図である。なお、図１１において、一部の回路を回路図記号や破線で模式的に示している。第１実施例（図２）では、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とが、再配線層内の部材間接続配線７１によって接続されている。これに対して第２実施例では、第２部材６１と第１部材５１とが面接触する界面と交差する経路を介して、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とが接続されている。

【0065】

第２実施例による電力増幅器２０の第１部材５１は、多層配線構造５３の上に配置された接着層５６を含む。接着層５６は、複数の金属領域５６Ｂ、５６Ｄ等と、複数の金属領域を相互に絶縁する絶縁領域５６Ｃとに区分されている。接着層５６は、例えば、ダマシン法を用いて形成することができる。図４Ｅに示した製造工程の段階で、基板２１０に接着層５６が形成されている。多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１は、金属領域５６Ｂ及び多層配線構造５３内の配線５５を含む経路を介してスイッチ４２に電気的に接続されている。この経路は、第１部材５１と第２部材６１とが面接触する界面と交差している。

【0066】

他の一つのパッド７３は、接着層５６の金属領域５６Ｄを介して、多層配線構造５３内の配線に接続されている。

【0067】

図１２は、第２実施例による電力増幅器の第１部材５１及び第２部材６１の一部の断面図である。第１実施例（図３）では、第２部材６１の下地半導体層６２が第１部材５１の多層配線構造５３に接合されている。これに対して第２実施例では、第２部材６１の下地半導体層６２が、第１部材５１の接着層５６に接合されている。平面視においてトランジスタ２２Ｔを包含する導電領域６２Ａが、接着層５６の金属領域５６Ａに重ねられており、両者が電気的に接続されている。平面視において一つのクランプダイオード３０を包含する導電領域６２Ｂが、接着層５６の金属領域５６Ｂに重ねられており、両者が電気的に接続されている。下地半導体層６２の素子分離領域６２Ｃと接着層５６の絶縁領域５６Ｃとが平面視において重なっており、下地半導体層６２内の複数の導電領域の間、及び接着層５６の複数の金属領域の間の電気的絶縁性が確保されている。

【0068】

金属領域５６Ｂが、多層配線構造５３内の配線５５を介してスイッチ４２に電気的に接続されている。図１２に示した断面内のクランプダイオード３０のカソード層６３Ｎが、引出点３１（図１）に相当する。導電領域６２Ｂ、金属領域５６Ｂ、及び配線５５が、引出点３１（図１）とスイッチ４２との間の経路を構成する。

【0069】

次に、第２実施例の優れた効果について説明する。
第２実施例においても、ボンディングワイヤを用いることなく、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１（図１）とスイッチ４２とが電気的に接続される。両者を接続する導電領域６２Ｂ、金属領域５６Ｂ、及び配線５５からなる経路の寄生インダクタンスは、ボンディングワイヤの寄生インダクタンスより小さい。このため、第２実施例においても第１実施例と同様に、スイッチ４２をオンにしてクランプダイオード３０の実効的な段数を減らすことによって、瞬時コレクタ電圧のピーク値をさらに抑制する十分な効果を得ることができる。

【0070】

さらに第２実施例においても第１実施例と同様に、トランジスタ２２Ｔの温度上昇を抑制する効果が得られるとともに、電力増幅器２０の小型化を図ることが可能になる。

【0071】

［第３実施例］
次に、図１３を参照して第３実施例による電力増幅器について説明する。以下、図１から図１０までの図面を参照して説明した第１実施例による電力増幅器と共通の構成については説明を省略する。

【0072】

図１３は、第３実施例による電力増幅器のブロック図である。第１実施例（図１）では、パワー段増幅回路２２の出力ポート２２ｏｕｔとグランド３２との間に、多段接続されたクランプダイオード３０が接続されており、ドライバ段増幅回路２１の出力ポートには、クランプダイオードが接続されていない。これに対して第３実施例では、ドライバ段増幅回路２１の出力ポート２１ｏｕｔとグランド３２との間にも、多段接続されたクランプダイオード３５が接続されている。ドライバ段増幅回路２１に接続されたクランプダイオード３５の段数は、パワー段増幅回路２２に接続されたクランプダイオード３０の段数と同一である必要はない。ドライバ段増幅回路２１とパワー段増幅回路２２との間に、段間整合回路２５が接続されている。

【0073】

ドライバ段増幅回路２１の多段のクランプダイオード３５の引出点３６が、スイッチ４３を介してグランド３２に接続されている。ドライバ段増幅回路２１側の引出点３６は、部材間接続配線７１（図２）と同じ再配線層に配置された他の部材間接続配線を介してスイッチ４３に接続されている。スイッチ制御回路４０が、スイッチ４２及びスイッチ４３のオンオフを制御する。

【0074】

次に、第３実施例の優れた効果について説明する。
第３実施例においては、ドライバ段増幅かいろ２１の多段のクランプダイオード３５の引出点３６も、ボンディングワイヤを用いることなく再配線層内の部材間接続配線を介してスイッチ４３に接続される。このため、ドライバ段増幅回路２１においても、スイッチ４３をオンにしてクランプダイオード３５の実効的な段数を減らすことによって、瞬時コレクタ電圧のピーク値を抑制する十分な効果を得ることができる。さらに第３実施例においても第１実施例と同様に、トランジスタ２２Ｔの温度上昇を抑制する効果が得られるとともに、電力増幅器２０の小型化を図ることが可能になる。

【0075】

次に、第３実施例の変形例について説明する。
第３実施例では、ドライバ段増幅回路２１の多段接続されたクランプダイオード３５の引出点３６を、再配線層内の部材間接続配線を介してスイッチ４３に接続しているが、図１１及び図１２に示した第２実施例のように、第１部材５１と第２部材６１とが面接触する界面と交差する経路を介してスイッチ４３に接続してもよい。

【0076】

第３実施例では、２つのスイッチ４２、４３が用いられているが、２つのスイッチ４２、４３に代えて１つのＳＰＤＴスイッチを用いてもよい。この場合、ＳＰＤＴスイッチのコモン端子をグランド３２に接続し、一方の接点を一方の引出点３１に接続し、他方の接点を他方の引出点３６に接続すればよい。また、ドライバ段増幅回路２１とパワー段増幅回路２２とで、１つのＳＰＳＴスイッチを共用してもよい。この場合には、ＳＰＳＴスイッチの１つの接点を、２つの引出点３１、３６の両方に接続すればよい。

【0077】

［第４実施例］
次に、図１４を参照して第４実施例による電力増幅器について説明する。以下、図１から図１０までの図面を参照して説明した第１実施例による電力増幅器と共通の構成については説明を省略する。

【0078】

図１４は、第４実施例による電力増幅器の概略断面図である。なお、図１４において、一部の回路を回路図記号や破線で模式的に示している。第１実施例（図２）では、スイッチ４２が第１部材５１に設けられている。これに対して第４実施例では、スイッチ４２が第２部材６１に設けられている。スイッチ４２は、例えば化合物半導体系のＦＥＴやＨＥＭＴで構成される。なお、パワー段増幅回路２２のトランジスタ２２Ｔは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタである。このため、第２部材６１には、ＢｉＦＥＴ構造またはＢｉＨＥＭＴ構造が用いられる。

【0079】

多段接続されたクランプダイオード３０とスイッチ４２とが、共に第２部材６１に設けられているため、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とは、第２部材６１内の金属パターンからなる配線を介して相互に接続されている。第１部材５１に設けられたスイッチ制御回路４０が、多層配線構造５３内の配線５７、再配線層内の部材間接続配線７５を介して、オンオフを制御する制御信号をスイッチ４２に与える。

【0080】

次に、第４実施例の優れた効果について説明する。
第４実施例では、多段接続されたクランプダイオード３０の引出点３１とスイッチ４２とが、第２部材６１内の金属パターンからなる配線を介して接続されており、両者の接続にボンディングワイヤは用いられない。このため、スイッチ４２がオンになったときの引出点３１からグランド３２（図１）までの経路の寄生インダクタンスＰＬを低減させることができる。これにより、スイッチ４２をオンにして瞬時コレクタ電圧のピーク値をさらに抑制する十分な効果を得ることができる。さらに第４実施例においても第１実施例と同様に、トランジスタ２２Ｔの温度上昇を抑制する効果が得られるとともに、電力増幅器２０の小型化を図ることが可能になる。

【0081】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0082】

２０ 電力増幅器
２１ ドライバ段増幅回路
２１ｏｕｔドライバ段増幅回路の出力ポート
２２ パワー段増幅回路
２２ｏｕｔ パワー段増幅回路の出力ポート
２２Ｔ パワー段増幅回路のトランジスタ
２３ 出力整合回路
２５ 段間整合回路
３０ クランプダイオード
３１ 引出点
３２ グランド
３５ クランプダイオード
３６ 引出点
４０ スイッチ制御回路
４１ 温度センサ
４２、４３ スイッチ
５１ 第１部材
５１Ａ 第１部材の第１面
５２ 半導体基板
５３ 多層配線構造
５４、５５ 配線
５６ 接着層
５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｄ 金属領域
５６Ｃ 絶縁領域
５７ 配線
６１ 第２部材
６２ 下地半導体層
６２Ａ、６２Ｂ 導電領域
６２Ｃ 素子分離領域
６３Ｂ ベース層
６３Ｃ コレクタ層
６３Ｅ エミッタ層
６３Ｎ カソード層
６３Ｐ アノード層
６４Ｂ ベース電極
６４Ｃ コレクタ電極
６４Ｅ エミッタ電極
６４Ｎ カソード電極
６４Ｐ アノード電極
６５Ｃ コレクタ配線
６５Ｅ エミッタ配線
６５Ｎ カソード配線
６５Ｐ アノード配線
６６ 層間絶縁膜
７１ 部材間接続配線
７２、７３ パッド
７５ 部材間接続配線
７７ 層間絶縁膜
７８ 保護膜
８２ 導体突起
８２Ａ Ｃｕピラー
８２Ｂ ハンダ層
８３ 導体突起
２００ 母基板
２０１ 剥離層
２０２ 素子形成層
２０４ 連結支持体
２１０ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】