(57)【要約】      （修正有）【課題】ベースバンド周波数が百ＭＨｚまで高くなっても、高周波半導体素子への印加電圧が平滑化可能なマイクロ波半導体装置を提供する。【解決手段】マイクロ波半導体装置１は、パッケージと、半導体増幅素子２４と、出力整合回路と、平滑化回路とを有する。パッケージは、金属ベース板２００と、枠体１６と、入力フィードスルー部２０ａと、出力フィードスルー部２０ｂとを有する。出力整合回路は、出力整合用キャパシタ３２と第１ボンディングワイヤ１４とを少なくとも有する。平滑化回路は、平滑化キャパシタ３４ａ、３４ｂと、第２ボンディングワイヤ２３ａ、２３ｂとを有する。平滑化キャパシタは、負荷インピーダンスの容量性リアクタンス成分が半導体増幅素子の出力電極からみた負荷インピーダンスの誘導性リアクタンス成分よりも小さくなる出力整合回路内の位置に、第２ボンディングワイヤにより接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース板と、前記金属ベース板の表面に接合された枠体と、前記金属ベース板の前記表面に前記枠体にはめ込まれて接合された入力フィードスルー部と、前記金属ベース板の前記表面のうち前記入力フィードスルー部に対向する位置において前記枠体にはめ込まれて接合された出力フィードスルー部と、を有するパッケージと、
前記金属ベース板の前記表面のうち、前記枠体に囲まれた領域に接合され、出力電極を有し、平面形状が矩形である、半導体増幅素子と、
前記金属ベース板の前記表面のうち、前記半導体増幅素子と前記出力フィードスルー部との間の領域に設けられ、前記半導体増幅素子の長辺方向に沿って配置された出力整合用キャパシタと、前記出力整合用キャパシタと前記出力電極とに接続された第１ボンディングワイヤと、を有する出力整合回路と、  
前記金属ベース板の前記表面のうち、前記半導体増幅素子の短辺に隣接した領域に設けられた平滑化キャパシタと、第２ボンディングワイヤと、を有する平滑化回路と、
を備え、
前記平滑化キャパシタは、負荷インピーダンスの容量性リアクタンス成分が前記半導体増幅素子の前記出力電極からみた負荷インピーダンスの誘導性リアクタンス成分よりも小さくなる前記出力整合回路内の位置に、前記第２ボンディングワイヤにより接続された、マイクロ波半導体装置。
【請求項２】
前記平滑化キャパシタは、前記第２ボンディングワイヤにより前記出力整合用キャパシタに接続された、請求項１記載のマイクロ波半導体装置。
【請求項３】
前記出力整合回路は、前記金属ベース板の前記表面のうち、前記半導体増幅素子と前記出力整合用キャパシタとの間の領域に前記半導体増幅素子の前記長辺方向に沿って設けられ、表面にボンディング用電極を有する中継基板をさらに有し、
前記第１ボンディングワイヤは、前記出力電極と前記ボンディング用電極とを接続する第１部分と、前記ボンディング用電極と前記出力整合用キャパシタとを接続する第２部分と、を有し、
前記平滑化キャパシタは、前記第２ボンディングワイヤにより前記ボンディング用電極に接続された、請求項１記載のマイクロ波半導体装置。
【請求項４】
前記第１ボンディングワイヤの前記第１部分は、前記半導体増幅素子の出力容量成分と動作周波数において共振するインダクタンス成分をもつ、請求項３記載のマイクロ波半導体装置。
【請求項５】
前記ボンディング用電極からみた負荷インピーダンスは純抵抗となる、請求項３または４に記載のマイクロ波半導体装置。
【請求項６】
前記平滑化回路は、前記金属ベース板の前記表面のうち、前記出力電極と前記出力整合用キャパシタとの間の領域に前記半導体増幅素子の前記長辺に沿って設けられ、表面にボンディング用電極を有する補助基板と、前記出力整合用キャパシタと前記補助基板の前記ボンディング用電極とを接続する第３ボンディングワイヤと、
をさらに有し、
前記平滑化キャパシタは、前記第２ボンディングワイヤにより前記補助基板の前記ボンディング用電極に接続された、請求項１記載のマイクロ波半導体装置。
【請求項７】
前記出力整合回路は、前記出力整合用キャパシタと前記出力フィードスルー部との間に設けられた出力分布定数回路をさらに有する請求項１〜６のいずれか１つに記載のマイクロ波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態はマイクロ波半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ベースバンド周波数が百ＭＨｚとなるデジタル通信システムがある。
【０００３】
ベースバンド周波数が百ＭＨｚ近傍である場合、増幅器の出力端子近傍にキャパシタを配置することにより高周波半導体増幅素子の出力電極への印加電圧を平滑化できる。
【０００４】
他方、ベースバンド周波数が百ＭＨｚと高くなると、高周波半導体増幅素子と出力端子との間に整合回路が設けられた内部整合型マイクロ波半導体増幅器の出力端子近傍に設けられたキャパシタでは出力電極への印加電圧を平滑化することが困難となる。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２３５２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ベースバンド周波数が百ＭＨｚまで高くなっても、高周波半導体素子の出力電極への印加電圧が平滑化可能なマイクロ波半導体装置を提供する。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のマイクロ波半導体装置は、パッケージと、半導体増幅素子と、出力整合回路と、平滑化回路と、を有する。前記パッケージは、金属ベース板と、前記金属ベース板の表面に接合された枠体と、前記金属ベース板の前記表面に前記枠体にはめ込まれて接合された入力フィードスルー部と、前記金属ベース板の前記表面のうち前記入力フィードスルー部に対向する位置において前記枠体にはめ込まれて接合された出力フィードスルー部と、を有する。前記半導体増幅素子は、前記金属ベース板の前記表面のうち、前記枠体に囲まれた領域に接合され、出力電極を有し、平面形状が矩形である。前記出力整合回路は、前記金属ベース板の前記表面のうち、前記半導体増幅素子と前記出力フィードスルー部との間の領域に設けられ、前記半導体増幅素子の長辺方向に沿って配置された出力整合用キャパシタと、前記出力整合用キャパシタと前記出力電極とに接続された第１ボンディングワイヤと、を有する。前記平滑化回路は、前記金属ベース板の前記表面のうち、前記半導体増幅素子の短辺に隣接した領域に設けられた平滑化キャパシタと、第２ボンディングワイヤと、を有する。前記平滑化キャパシタは、負荷インピーダンスの容量性リアクタンス成分が前記半導体増幅素子の前記出力電極からみた負荷インピーダンスの誘導性リアクタンス成分よりも小さくなる前記出力整合回路内の位置に、前記第２ボンディングワイヤにより接続される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿った模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の等価回路図、図２（ｂ）は半導体増幅素子の模式平面図、である。
【図３】第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置のインピーダンス変換の軌跡と平滑化回路の接続位置を説明するスミス図である。
【図４】図４（ａ）は比較例にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はそのインピーダンス変換の軌跡と平滑化回路の接続位置を説明するスミス図、である。
【図５】第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図である。
【図６】第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の等価回路図である。
【図７】第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の負荷インピーダンス変換の軌跡と平滑化回路の接続位置を説明するスミス図である。
【図８】第２の実施形態の変形例にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿った模式断面図、である。
なお、図１（ａ）は、蓋部１０を除いた模式平面図である。
また、図２（ａ）は第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の等価回路図、図２（ｂ）は半導体増幅素子の模式平面図、である。
【００１０】
マイクロ波半導体装置１は、パッケージと、半導体増幅素子２４と、出力整合回路８２と、平滑化回路９０と、を有する。出力整合回路８２は、出力整合用キャパシタ３２と、第１ボンディングワイヤ１４と、を少なくとも有する。
【００１１】
パッケージは、金属ベース板２００と、金属ベース板２００の表面に接合され金属などからなる枠体１６と、枠体１６にはめ込まれ金属ベース板２００の表面に接合された入力フィードスルー部２０ａと、入力フィードスルー部２０ａに対向する位置において枠体１６にはめ込まれかつ金属ベース板２００の表面に接合された出力フィードスルー部２０ｂと、を有する。入力フィードスルー部２０ａは入力リード２１ａを有し、出力フィードスルー部２０ｂは出力リード２１ｂを有する。金属ベース板２００は、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏなどとすることができる。
【００１２】
半導体増幅素子２４は、金属ベース板２００の表面のうち、枠体１６に囲まれた領域に接合される。半導体増幅素子２４は、ＨＥＭＴ（High  Electron  Mobility  Transistor）やＭＥＳＦＥＴ（Metal  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)などとすることができる。半導体増幅素子２４は、図２（ｂ）に表すように、チップの上面に入力電極Ｇや出力電極Ｄを有することができる。また、チップの下面には、チップ内に設けられたバイアホールを介して接地電極Ｓを設けることができる。半導体増幅素子２４は、長辺２４ａと短辺２４ｂとからなる矩形の平面形状を有し、長辺２４ａに沿って増幅機能を有する最小単位となるセル領域を含む。
【００１３】
出力整合用キャパシタ（Ｃ２）３２は、金属ベース板２００の表面のうち、出力電極Ｄと出力フィードスルー部２０ｂとの間の領域に接合される。第１ボンディングワイヤ（Ｌ３）１４は、出力電極Ｄと出力整合用キャパシタ３２とを接続する。出力整合用キャパシタ３２は、半導体増幅素子２４の長辺２４ａに沿って平行に配置される。
【００１４】
また、マイクロ波半導体装置１は、入力整合用キャパシタ（Ｃ１）３０と、ボンディングワイヤ（Ｌ１）１３と、ボンディングワイヤ（Ｌ２）１２と、を有することができる。
【００１５】
さらに、マイクロ波半導体装置１は、入力分布定数回路１７と、出力分布定数回路１８と、を有することができる。入力分布定数回路１７は、Ａｌ２Ｏ３などのセラミック基板２６にマイクロストリップ線路などを設けることにより構成される。また、出力分布定数回路１８は、Ａｌ２Ｏ３などのセラミック基板２８にマイクロストリップ線路などを設けることにより構成される。
【００１６】
図２（ａ）において、マイクロ波半導体装置１の出力整合回路（インピーダンス変換回路）８２は、第１ボンディングワイヤ１４、出力整合用キャパシタ３２、ボンディングワイヤ（Ｌ４）１９、および出力分布定数回路１８を有する。また、マイクロ波半導体装置１の入力整合回路（インピーダンス変換回路）８０は、入力分布定数回路１７、ボンディングワイヤ１３、入力整合用キャパシタ３０、およびボンディングワイヤ１２を有する。入力整合用キャパシタ３０および出力整合用キャパシタ３２は、たとえば、４０〜２８０などと高い比誘電率を有する誘電体層が上下電極で挟まれた構造とすることにより、それぞれの整合回路を小型化できる。
【００１７】
平滑化回路９０は、平滑化キャパシタ３４と、第２ボンディングワイヤ（ＬＢ）２３と、を含む。平滑化キャパシタ３４（３４ａ、３４ｂ）は、半導体増幅素子２４の短辺２４ｂに隣接するように、金属ベース板２００の表面に接合される。第２ボンディングワイヤ２３（２３ａ、２３ｂ）は、平滑化回路９０と、出力整合回路８２の所定の位置と、を接続する。
【００１８】
また、平滑化キャパシタ３４は、高い比誘電率を有する誘電体層が上下電極で挟まれた構造とすることができる。図１（ａ）に表すように、平滑化キャパシタ３４は、半導体増幅素子２４に隣接した領域にそれぞれ設けることができる。
【００１９】
マイクロ波半導体装置１を高出力としたい場合、半導体増幅素子２４は、セル領域が並列配置されたマルチセル構成とするとよい。
【００２０】
図２（ａ）において、平滑化回路９０は、接続位置Ｎ１において出力整合用キャパシタ３２に接続される。平滑化キャパシタ３４の容量をＣＢＲ、電流振幅の値をＩＰＫ、許容できるリップル電圧値をΔＶ、ベースバンド周波数の値をΔｆ、とする。ＣＢＲ≧ＩＰＫ×（１／２πΔｆ）／ΔＶとすると、ベースバンド周波数成分により生じる半導体増幅素子２４の出力電極における印加電圧が平滑化できる。
【００２１】
動作周波数では、平滑化回路９０を構成する第２ボンディングワイヤ２３（２３ａ、２３ｂ）のインダクタンス成分が平滑化回路９０の接続位置における整合回路の負荷インピーダンスに比べて十分に高いインピーダンスとなるようにワイヤ長を設定することにより平滑化キャパシタ３４に漏れ出る動作周波数成分が低減される。すなわち、平滑化回路９０は、動作周波数信号には影響を与えないように設けられる。
【００２２】
一方、ベースバンド周波数でもインピーダンスが高くなるほど第２ボンディングワイヤ２３（２３ａ、２３ｂ）を長くしすぎると平滑化キャパシタ３４の効果が弱まり、半導体増幅素子２４の出力電極における印加電圧の平滑化が出来なくなる。
【００２３】
図３は、第１の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の負荷インピーダンス変換を説明するスミス図である。
本図は、特性インピーダンス（ＺＣ）が５０Ωにおける正規化インピーダンスを表す。半導体増幅素子２４の抵抗成分は、たとえば、２．５Ω近傍で、これと並列に出力容量をもつので、半導体増幅素子２４の出力インピーダンスは容量性であり、これと整合させる負荷インピーダンスＺ１は誘導性となる。
【００２４】
平滑化キャパシタ３４に漏れ出る動作周波数成分の大きさは、平滑化回路９０の接続位置における整合回路の負荷インピーダンスと平滑化回路９０の動作周波数でのインピーダンス比により決まる。第１ボンディングワイヤ１４による誘導性リアクタンスを加える前の第２基準面Ｑ２からみた負荷インピーダンスＺ２は、容量性となる。
【００２５】
負荷インピーダンスＺ２の容量性リアクタンス成分は、負荷インピーダンスＺ１の誘導性リアクタンス成分よりも小さい。このため、出力整合回路８２の接続位置Ｎ１での出力整合回路８２の負荷インピーダンスＺ２は半導体増幅素子２４の出力電極Ｄにおける負荷インピーダンスＺ１よりも小さいので、平滑化回路９０の第２ボンディングワイヤ２３ａ、２３ｂを短くしても、平滑化回路９０の接続位置における出力整合回路の動作周波数での負荷インピーダンスに対する平滑化回路９０の動作周波数でのインピーダンス比を大きく保つことができる。この結果、平滑化キャパシタ３４へ漏れ出る動作周波数成分を十分低減しながらも、平滑化回路９０の第２ボンディングワイヤ２３ａ、２３ｂのベースバンド周波数でのインピーダンスを下げることができ、ベースバンド周波数での平滑化キャパシタ３４の効果が増加する。
【００２６】
図４（ａ）は比較例にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はその負荷インピーダンス変換を説明するスミス図、である。
本図は、特性インピーダンスＺＣが５０Ωのときの正規化インピーダンスを表す。比較例では、平滑化回路１９０のボンディングワイヤ２３ａは、半導体増幅素子２４の出力電極（図示せず）に接続されている。すなわち、第１ボンディングワイヤ１４による誘導性リアクタンスを加えている分だけ接続位置Ｎ２からみた負荷インピーダンスＺ１の誘導性リアクタンスは、第２基準面Ｑ２からみた負荷インピーダンスＺ２の容量性リアクタンスよりも大きい。
【００２７】
接続位置Ｎ２の動作周波数における負荷インピーダンスＺ１が負荷インピーダンスＺ２よりも高い分、平滑化回路１９０の第２ボンディングワイヤ２３ａを長くして、動作周波数における平滑化回路１９０のインピーダンスを大きくし、平滑化キャパシタ１３４ａ、１３４ｂに漏れ出る動作周波数成分を低減する必要がある。第２ボンディングワイヤ２３ａを長くした結果、平滑化回路１９０の第２ボンディングワイヤ２３ａのベースバンド周波数でのインピーダンスが上がり、ベースバンド周波数での平滑化キャパシタ１３４の効果が低下する。
【００２８】
図５は、第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図である。
図６は、第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の等価回路図である。
図７は、第２の実施形態にかかるマイクロ波半導体装置の負荷インピーダンスを説明するスミス図である。
【００２９】
インピーダンス変換回路における最低インピーダンス点は半導体増幅素子２４の出力容量成分を整合回路の第１ボンディングワイヤ１４のインダクタンスの一部が打ち消したときであり、スミス図における実軸上の点となる。平滑化回路９０と出力整合回路８２との接続位置Ｎ３をインピーダンス変換回路における最低インピーダンス点にすると、平滑化回路９０の第２ボンディングワイヤ２３（２３ａ、２３ｂ）を最も短くでき、平滑化キャパシタ３４（３４ａ、３４ｂ）の効果を最大にすることができる。図５では、半導体増幅素子２４と出力整合用キャパシタ３２との間に、ボンディング用電極（図示せず）を有する中継基板９４がさらに設けられる。中継基板９４は、半導体増幅素子２４の長辺２４ａに沿って配置される。中継基板９４により第１ボンディングワイヤ１４を２つに分け、接続位置Ｎ３をつくることができる。
【００３０】
半導体増幅素子２４の出力電極Ｄと中継基板９４のボンディング電極とは、第１ボンディングワイヤ１４の第１部分１４ａで接続される。また、中継基板９４のボンディング電極と出力整合用キャパシタ３２とが、第１ボンディングワイヤ１４の第２部分１４ｂで接続される。第１ボンディングワイヤ１４の第１部分１４ａと第１ボンディングワイヤ１４の第２部分１４ｂとは連続してもよい。たとえば、自動ワイヤボンダーを用いると、第１部分１４ａと第２部分１４ｂとを連続させることが容易となる。第２ボンディングワイヤ２３（２３ａ、２３ｂ）は中継基板９４のボンディング電極に接続される。
【００３１】
この場合、図７において、接続位置Ｎ３がインピーダンス変換回路の負荷インピーダンスがスミス図の実軸と交差する点（リアクタンス成分を含まず抵抗成分のみを含む純抵抗）であるＺ２＠Ｑ２の近傍となるように決定する。すなわち、第１ボンディングワイヤ１４が半導体増幅素子２４の出力容量成分と動作周波数において共振するインダクタンス成分をもつように第１ボンディングワイヤ１４の第１部分１４ａと第１ボンディングワイヤ１４の第２部分１４ｂとを設ける。このようにすると、平滑化回路９０と出力整合回路８２との接続位置Ｎ３をインピーダンス変換回路における最低インピーダンス点にでき、平滑化キャパシタ３４（３４ａ、３４ｂ）の効果を最大にすることができる。中継基板９４がキャパシタを構成する必要はないので、中継基板の比誘電率は低い方がよい。
【００３２】
図８は、第２の実施形態の変形例にかかるマイクロ波半導体装置の模式平面図である。
本変形例では、半導体増幅素子２４と出力整合用キャパシタ３２との間に、ボンディング用電極を有する補助基板９５（補助平滑化キャパシタとして作用する）がさらに設けられる。また、出力整合用キャパシタ３２と補助平滑化キャパシタ９５のボンディング用電極とを接続する第３ボンディングワイヤ１５がさらに設けられる。補助平滑化キャパシタ９５を介して平滑化回路を接続することで並列接続された複数のセルに均等に平滑化キャパシタの効果を行き渡らせることが出来る。第３ボンディングワイヤ１５の接続位置を動作周波数における負荷インピーダンスが接続位置Ｎ２よりも小さい接続位置Ｎ１にすることにより、平滑化回路のボンディングワイヤ２３ａを短くして、平滑化回路の第２ボンディングワイヤ２３ａのベースバンド周波数におけるインピーダンスを小さくできるので、ベースバンド周波数での平滑化キャパシタ３４ａの効果が高まる。また平滑化回路が並列接続された複数のセルに均等に接続されることにより、動作周波数での影響が低減される。
【００３３】
第１および第２の実施形態並びにこれらに付随する変形例によれば、差分周波数が数百ＭＨｚと高くなっても、高周波半導体増幅素子への印加電圧が平滑化可能なマイクロ波半導体装置が提供される。このマイクロ波半導体装置は、近接した周波数を有する２つ以上のマイクロ波信号を使用するＳＮＧ（Satellite  News  Gathering)やＭＩＭＯ（Multiple  Input  Multiple  Output）などの通信システムに用いることができる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１  マイクロ波半導体装置、１４、１４ａ、１４ｂ  第１ボンディングワイヤ、１５  第３ボンディングワイヤ、１６  枠体、１８  出力分布定数回路、２０ａ  入力フィードスルー部、２０ｂ  出力フィードスルー部、２３、２３ａ、２３ｂ  第２ボンディングワイヤ、２４  半導体増幅素子、２４ａ  長辺、２４ｂ  短辺、３２  出力整合用キャパシタ、３４  平滑化キャパシタ、８２  出力整合回路、９０  平滑化回路、９４  中継基板、９５  補助基板（補助平滑化キャパシタ）、２００  金属ベース板、Ｚ１〜Ｚ５  負荷インピーダンス、Ｎ１〜Ｎ３  （平滑化回路の）接続位置、Ｇ  （半導体増幅素子の）入力電極、Ｄ  （半導体増幅素子の）出力電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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