(57)【要約】  モノリシック高電力無線周波数スイッチは、基板と、基板上の第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタとを含む。第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、それぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む。第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合し、第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、アースに結合する。ＲＦ入力パッドは、第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合し、ＲＦ出力パッドは、第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
各々がそれぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む、前記基板上の第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタと
を備え、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、アースに結合しており、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ入力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ出力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合した制御パッドと
をさらに備えることを特徴とするモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項２】
前記ＲＦ入力パッドは、第１のらせん状インダクタループを通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、前記ＲＦ出力パッドは、第２のらせん状インダクタループを通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項３】
前記制御パッドは、第１の抵抗器を通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、相補制御パッドが、第２の抵抗器を通して前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項４】
前記第１の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有し、前記第２の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項３に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項５】
前記第１の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有し、前記第２の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項４に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項６】
前記第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、前記窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲート・ソース間隔ＬGSに等しいゲート・ドレイン間隔ＬGDを有することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項７】
前記第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、蛇行ゲートパターンを有することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項８】
前記モノリシック高電力無線周波数スイッチは、２．５ＧＨｚから４．０ＧＨｚまでの周波数範囲にわたって、２０ワットを超えるＲＦ信号入力電力の実質的に線形の伝送を示すことを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項９】
前記モノリシック高電力無線周波数スイッチは、４ＧＨｚまでのＲＦ信号に対して−０．４ｄＢより小さい伝送損失を示すことを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１０】
前記モノリシック高電力無線周波数スイッチは、２．０ＧＨｚと４．０ＧＨｚとの間の周波数において、−８ｄＢより良好な入力及び出力不整合エラーを示すことを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１１】
前記ＲＦ出力パッドは、第１のＲＦ出力パッドを含み、
前記スイッチは、
前記基板上の第２の出力パッド及び相補制御パッドと、
各々がそれぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む、前記基板上の第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタと、
をさらに備え、
前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子は、前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、アースに結合し、
前記第２のＲＦ出力パッドは、前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記制御パッドは、前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、
前記相補制御パッドは、前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１２】
前記第２のＲＦ出力パッドは、第３の蛇行インダクタループを通して前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合することを特徴とする、請求項１１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１３】
前記制御パッドは、第３の抵抗器を通して前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、前記相補制御パッドは、第４の抵抗器を通して前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合することを特徴とする、請求項１１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１４】
前記第３の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有し、前記第４の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項１３に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１５】
前記第３の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有し、前記第４の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項１１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１６】
前記第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、前記窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲート・ソース間隔ＬGSに等しいゲート・ドレイン間隔ＬGDを有することを特徴とする、請求項１１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１７】
前記第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、蛇行ゲートパターンを有することを特徴とする、請求項１１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１８】
各々がそれぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む、第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタを備え、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子が前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、アースに結合しており、
前記第１第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ入力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ出力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合した制御パッドと、
前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合した相補制御パッドと、
をさらに備えることを特徴とする高電力無線周波数スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の交互参照
本出願は、その全体が引用により本明細書に組み入れられる２０１０年５月２０日出願の「高電力窒化ガリウム電界効果トランジスタスイッチ（ＨＩＧＨ  ＰＯＷＥＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＦＩＥＬＤ  ＥＦＦＥＣＴ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ  ＳＷＩＴＣＨＥＳ）」と題する米国特許仮出願第６１／３４６，７５３号の利益及びそれに対する優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波システムは、信号フローを、動作モードに対して所望されるように能動的にリダイレクトする機能を必要とする。例えば、広帯域無線システムは、全動作帯域をカバーするために幾つかのアンテナを必要とすることが多いが、一方で、単一の電力増幅器でこの動作帯域をカバーすることができる。従って、高電力増幅器信号を、無線機の伝送周波数に応じて必要なアンテナ構造体に向けることが必要となる。
【０００３】
高電力ＲＦ及びマイクロ波信号の取扱いには、高いピーク電圧において高い信頼度で動作することができるスイッチングデバイスが必要である。そのような高電力レベルを既存の技術を用いて取り扱うための最も一般的な手法は、適切な動作のために高ｄｃ電力を必要とするＰｉＮダイオード構造に依拠するものである。実際に、２０ワットのＲＦ電力を取り扱うことができるＰｉＮダイオードスイッチは、普通、１ワットまでのｄｃ電力を使用する。この電力消費は、特に電池動作を必要とする用途に対しては、著しい電力負担となる。さらに、バイアス注入を必要とするために、ＰｉＮダイオードスイッチは集積化することが難しいことがあり、狭い周波数帯域に限定されることがある。
【０００４】
別の選択肢として、ｄｃ電力消費が低いガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ＨＥＭＴスイッチは、高いＲＦ電力レベルで動作することができない。これらのデバイスを用いるスイッチは、これらのデバイスの低電圧操作のために、高ＲＦ電力レベルを取り扱うことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，８４９，８８２号
【特許文献２】米国特許第７，２３０，２８４号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００５９８７３号
【特許文献４】米国特許第７，５５０，７８３号
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０２０２２７２号
【特許文献６】米国特許第７，５０１，６６９号
【特許文献７】米国特許第７，１２６，４２６号
【特許文献８】米国特許第７，５７３，０７８号
【発明の概要】
【０００６】
幾つかの実施形態によるモノリシック高電力無線周波数スイッチは、基板と、基板上の第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタとを含む。第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、それぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む。第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合し、第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、アースに結合する。
【０００７】
このスイッチはさらに、第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合したＲＦ入力パッドと、第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合したＲＦ出力パッドと、第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合した制御パッドとを含む。
【０００８】
ＲＦ入力パッドは、第１のらせん状インダクタループを通して第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができ、ＲＦ出力パッドは、第２のらせん状インダクタループを通して第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができる。
【０００９】
制御パッドは、第１の抵抗器を通して第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができ、相補制御パッドを、第２の抵抗器を通して第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができる。
【００１０】
幾つかの実施形態において、第１の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することができ、第２の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することができる。さらなる実施形態において、第１の抵抗器は約１０ｋオームの抵抗を有することができ、第２の抵抗器は約１０ｋオームの抵抗を有することができる。
【００１１】
第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、該窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲート・ソース間隔ＬGSと等しいゲート・ドレイン間隔ＬGDを有することができる。
【００１２】
第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、蛇行ゲートパターンを有することができる。
【００１３】
このモノリシック高電力無線周波数スイッチは、２．５ＧＨｚから４．０ＧＨｚまでの周波数範囲にわたって、２０ワットを超えるＲＦ信号入力電力の実質的に線形の伝送を示すことができる。幾つの実施形態によるモノリシック高電力無線周波数スイッチは、１．０ＧＨｚから４．０ＧＨｚまでの周波数範囲にわたって、２０ワットを超えるＲＦ信号入力電力の実質的に線形の伝送を示すことができる。
【００１４】
さらに、モノリシック高電力無線周波数スイッチは、４ＧＨｚまでのＲＦ信号に対して−０．４ｄＢより小さい伝送損失を示し、場合によりモノリシック高電力無線周波数スイッチは、２．０ＧＨｚと４．０ＧＨｚとの間の周波数において、−８ｄＢより良好な入力及び出力不整合エラーを示すことができる。幾つかの実施形態によるモノリシック高電力無線周波数スイッチは、ＤＣと４．０ＧＨｚとの間の周波数において、−２０ｄＢより良好な入力及び出力不整合エラーを示すことができる。
【００１５】
このスイッチはさらに、基板上の第２のＲＦ出力パッドと、基板上の第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタとを含むことができ、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、それぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む。第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子は、第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができ、第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができ、第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子は、アースに結合することができ、第２のＲＦ出力パッドは、第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができ、制御パッドは、第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができ、相補制御パッドは、第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができる。
【００１６】
第２のＲＦ出力パッドは、第３のらせん状インダクタループを通して第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのソース端子及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのドレイン端子に結合することができる。
【００１７】
制御パッドは、第３の抵抗器を通して第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができ、相補制御パッドは第４の抵抗器を通して第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲートに結合することができる。
【００１８】
幾つかの実施形態において、第３の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することができ、第４の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することができる。さらなる実施形態において、第３の抵抗器は約１０ｋオームの抵抗を有することができ、第４の抵抗器は約１０ｋオームの抵抗を有することができる。
【００１９】
第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、該窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲート・ソース間隔ＬGSに等しくすることができるゲート・ドレイン間隔ＬGDを有することができる。
【００２０】
第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、蛇行ゲートパターンを有することができる。
【００２１】
添付の図面は、本発明のさらなる理解をもたらすために含まれ、本出願に組み込まれその一部分を構成するものであり、本発明の特定の実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】幾つかの実施形態によるデバイスの回路トポロジを示す。
【図２】幾つかの実施形態によるモノリシックダイのレイアウト図を示す。
【図３】図１のＳＰＤＴスイッチ回路の計測された電力操作を示す。
【図４】図１のＳＰＤＴスイッチ回路の選択された経路の入力及び出力に関する伝送の、小信号ｓパラメータ計測値のウェハ平均を示す。
【図５Ａ】図１のＳＰＤＴスイッチ回路の選択された経路の入力及び出力に関する不整合の、小信号ｓパラメータ計測値のウェハ平均を示す。
【図５Ｂ】図１のＳＰＤＴスイッチ回路の選択された経路の入力及び出力経路に関する不整合の、小信号ｓパラメータ計測値のウェハ平均を示す。
【図６】幾つかの実施形態による、ＦＥＴのチャネル内のゲート位置の詳細のレイアウト図を示すもので、トランジスタのソース端子とドレイン端子の中点にあるゲート位置を示す（即ち、ＬGS＝ＬGD）。
【図７】幾つかの実施形態による蛇行ゲートレイアウトを示す。
【図８】幾つかの実施形態による蛇行ゲートレイアウトを有するモノリシックダイのレイアウト図を示す。
【図９】Ａ及びＢは、図８に示すレイアウトを有するスイッチに関する、入力駆動電力に対する伝送を示すグラフである。
【図１０Ａ】図８に示すレイアウトを有するスイッチに関する、入力信号周波数に対する計測されたＳＰＤＴスイッチ伝送のウェハ平均を示すグラフである。
【図１０Ｂ】図８に示すレイアウトを有するスイッチに関する、計測されたＳＰＤＴスイッチの入力不整合のウェハ平均を示すグラフである。
【図１０Ｃ】図８に示すレイアウトを有するスイッチに関する、計測されたＳＰＤＴスイッチの出力不整合のウェハ平均を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
幾つかの実施形態は、ＲＦ又はマイクロ波回路内の信号フローに対する制御を可能にするスイッチングデバイスを提供する。幾つかの実施形態によるスイッチングデバイスは、共通入力からの信号フローを、低い又は最小の信号損失、歪み、高電力操作、低いｄｃ電力散逸、及び良好な整合で、出力に向けること（即ち、オン（ＯＮ））ができる。幾つかの実施形態によるスイッチングデバイスは、さらに、広い周波数帯域にわたって、高い信号損失を伴う出力から信号を切り替える（即ち、オフ（ＯＦＦ））ことができる。
【００２４】
特に、幾つかの実施形態は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板上のモノリシック回路内に窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を組み込んだ、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチを提供する。
【００２５】
これから本発明の実施形態を、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照しながら以下でより完全に説明することになる。しかし、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができるので、本明細書で説明する実施形態に限定されると理解されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全となるように、そして本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように与えられるものである。同様の符号は、全体を通して同様の要素を示す。
【００２６】
第１の、第２の、などの用語は、本明細書で種々の要素を説明するのに用いられる場合があるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は１つの要素を別の要素から区別するためだけに用いられる。例えば、本発明の範囲から逸脱せずに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合、用語「及び／又は」は、関連する列挙された項目の１つ又はそれ以上の、任意の、かつ、全ての組合せを含む。
【００２７】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明の限定を意図したものではない。本明細書で用いる場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明白に他に示さない限り、複数形も同様に含むことを意図したものである。さらに、用語「備える・含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えた・含んだ（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び／又は「含んだ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書で用いる場合、記述された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００２８】
他に定義されない限り、本明細書で用いる全ての用語（技術及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって普通に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、本明細書で用いる用語は、本明細書の文脈及び関連技術分野でのそれらの意味と矛盾しない意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り理想的又は過度に形式的な意味に解釈されるべきではないことを理解されたい。
【００２９】
幾つかの実施形態によるスイッチング回路／デバイスは、２０ワットを超えるＲＦ電力を、非常に低い損失（＜０．７ｄＢ、場合によっては＜０．５ｄＢ）、高い分離（＞３０ｄＢ）、良好な整合（＞１５ｄＢ）、及び高い３次インターセプトポイント（＞６０ｄＢ）で、広いＲＦ周波数帯域（１００ＭＨｚから４ＧＨｚまで、特に３００ＭＨｚから３ＧＨｚまで）にわたって操作することができる。
【００３０】
これらの結果は特に驚くべきことであり、その理由は、窒化ガリウムが、シリコンカーバイドなどの他の広バンドギャップ半導体材料よりも高い漏れ電流特性を有することが知られており、従って、通常は、当業者がスイッチング回路内での使用のために選択しないからである。しかし、本明細書で説明するように、窒化ガリウム活性領域を用いて高電力スイッチを効果的に作製することができることが見出された。
【００３１】
窒化ガリウムＨＥＭＴのような高電力窒化ガリウム半導体デバイスは、周知である。しかし、一般に、漏れ電流が高いほど、結果としてスイッチは低帯域になる。従って、広帯域の高電力スイッチのためには、窒化ガリウムは、窒化ガリウムＨＥＭＴの低い寄生抵抗にも関わらず、一般的には不満足な選択であると考えられている。
【００３２】
幾つかの実施形態において、本回路／デバイスの電力操作能力は、僅か０．１ｄＢの圧縮で２５ワットを超えるものとなり得る。幾つかの実施形態による回路／デバイスが動作中消費するｄｃ電力は、１ｍＷ未満であり得る。さらに、幾つかの実施形態による回路／デバイスは、２０ｎｓｅｃ未満のスイッチング速度を示すことができ、場合によっては約１５ｎｓｅｃのスイッチング速度を示すことができる。
【００３３】
図１は、幾つかの実施形態によるモノリシック基板１１０の上に形成された単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチング回路１００の回路図であり、図２はそのレイアウトである。回路１００は、窒化ガリウムをベースとする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を用いて、モノリシックシリコンカーバイド基板１１０の上に実装することができる。
【００３４】
図１及び図２を参照すると、スイッチング回路１００は、制御入力パッドＶｃｔｒｌ、相補制御入力パッドＶｃｔｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ、ＲＦ入力パッドＲＦ＿Ｉｎｐｕｔ、並びに第１及び第２のＲＦ出力パッドＲＦ＿Ｏｕｔｐｕｔ＿１、ＲＦ＿Ｏｕｔｐｕｔ＿２を含む。回路１００はさらに、４つの窒化ガリウムベースの高電子移動度トランジスタＱ１−Ｑ４を含む。４つのＨＥＭＴ  Ｑ１−Ｑ４の各々は、ソース端子Ｓ、ドレイン端子Ｄ及びゲート端子Ｇを含む。第１のＨＥＭＴ  Ｑ１のドレインは第１のノードＮ１に接続され、一方、第１のＨＥＭＴ  Ｑ１のソースは第２のノードＮ２に接続される。第２のＨＥＭＴ  Ｑ２のドレインは第１のノードＮ１に接続され、一方、第２のＨＥＭＴ  Ｑ２のソースは第３のノードＮ３に接続される。第３のＨＥＭＴ  Ｑ３のドレインは第２のノードＮ２に接続され、第３のＨＥＭＴ  Ｑ３のソースはアースに接続される。第４のＨＥＭＴ  Ｑ４のドレインは第３のノードＮ３に接続され、第４のＨＥＭＴ  Ｑ４のソースはアースに接続される。
【００３５】
制御入力パッドＶｃｔｒｌは、抵抗器Ｒ２及びＲ４を通して第１及び第４のＨＥＭＴ  Ｑ１及びＱ４のゲートに接続される。相補制御入力パッドＶｃｔｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔは、抵抗器Ｒ１及びＲ３を通して第２及び第３のＨＥＭＴ  Ｑ２及びＱ３のゲートに接続される。図１には単一の抵抗器のみを示したが、トランジスタＱ１−Ｑ４の各々は、各デバイスのチャネル領域内に２つのゲートを含む二重ゲートトランジスタとすることができる。従って、図２に示すように、各トランジスタに対して２つの並列入力抵抗器が存在してもよい。ＦＥＴスイッチ内の所与のトランジスタは、１つより多くのゲートを用いてそのトランジスタの臨界点を横切る電圧を低くすることができ、これが電力操作の助けとなり得る。しかし、追加された各付加ゲートに対して損失が大きくなる。具体的には、スイッチング回路１００のような二重ゲートＦＥＴは、約０．２ｄＢの付加的損失を有する可能性がある。
【００３６】
ＲＦ入力パッドＲＦ＿Ｉｎｐｕｔは、インダクタンスＬ１を通して第１のノードＮ１に接続される。第１のＲＦ出力パッドＲＦ＿Ｏｕｔｐｕｔ＿１は、インダクタンスＬ２を通して第２のノードＮ２に接続され、一方第２のＲＦ出力パッドＲＦ＿Ｏｕｔｐｕｔ＿２は、インダクタンスＬ３を通して第３のノードＮ３に接続される。
【００３７】
インダクタＬ１−Ｌ３は、モノリシックダイ上のスイッチを５０オームのインピーダンスに整合させるように設計された、らせん状インダクタネットワークを含むことができる。
【００３８】
ＧａＮ  ＨＥＭＴ  Ｑ１−Ｑ４は、各トランジスタ内のゲート・ドレイン距離がゲート・ソース距離に等しくなるようにＦＥＴチャネル内に対称的に配置された多数の３００ミクロン幅のゲートを含んだ、マルチフィンガ・スイッチＦＥＴを含むことができる。
【００３９】
ＨＥＭＴ  Ｑ１−Ｑ４のゲートにおける抵抗器Ｒ１Ｒ４は、比較的大きな抵抗、例えば約１０ｋオームを有することができる。
【００４０】
本発明の実施形態において用いることができるＧａＮ  ＨＥＭＴ構造体は、その各々の内容が、本明細書内に完全に記載されているかのように引用により本明細書に組み入れられる以下の刊行物に開示されており、それらは、２００５年２月１日発行の「Ｇｒｏｕｐ−ＩＩＩ  ｎｉｔｉｒｉｄｅ  ｂａｓｅｄ  ｈｉｇｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＥＭＴ）  ｗｉｔｈ  ｂａｒｒｉｅｒ／ｓｐａｃｅｒ  ｌａｙｅｒ」と題する特許文献１、２００７年６月１２日発行の「Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ｇａｔｅ  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ」と題する特許文献２、２００７年３月１５日公開の「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｏｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｇａｔｅ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献３、２００９年６月２３日発行の「Ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ  ＨＥＭＴｓ  ｗｉｔｈ  ｓｏｕｒｃｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献４、２００６年９月１４日公開の「Ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｇａｔｅ−ｓｏｕｒｃｅ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献５、２００９年３月１０日発行の「Ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｗｉｔｈ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献６、２００６年１０月２４日発行の「Ｃａｓｃｏｄｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ  ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献７、及び、２００９年８月１１日発行の「Ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ」と題する特許文献８である。
【００４１】
幾つかの実施形態においては、別個の相補制御端子Ｖｃｔｒｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔを設けなくてもよいこと、及び、その回路は、制御信号Ｖｃｔｒｌを反転して第２及び第４のＨＥＭＴ  Ｑ２及びＱ４のゲートに印加される相補制御信号を形成する、インバータを含むことができることを理解されたい。しかし、別個の相補制御入力パッドＶｃｔｒｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔを設けることにより、制御信号に適切なバイアスをかけることによって、スイッチ１００を、ＲＦ信号がいずれの出力端子にも流れない高インピーダンス状態にすることが可能になる。
【００４２】
ＲＦ入力端子（ＲＦ＿Ｉｎｐｕｔ）に入る信号は、ＤＣ電圧を制御端子（Ｖｃｔｒｌ、Ｖｃｔｒｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ）に印加することによって、いずれかの出力端子（ＲＦ＿Ｏｕｔｏｕｔ＿１又はＲＦ＿Ｏｕｔｏｕｔ＿２）に向けられる。ＲＦ信号は、等価に、出力端子の１つから入力端子へと、逆向きに通過することができる。
【００４３】
スイッチ回路１００は、１つの制御ラインに負のＤＣ電圧を印加し、同時に他の制御ラインを接地することによって動作する。例えば、負電圧を制御端子Ｖｃｔｒｌ＿ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔに与え、同時にＶｃｔｒｌを接地すると、第２及び第３のＨＥＭＴ  Ｑ２及びＱ３が非導電状態になり、第１及び第４のＨＥＭＴ  Ｑ１及びＱ４が導電状態になる。これにより、ＲＦ信号がＲＦ入力端子（ＲＦ＿Ｉｎｐｕｔ）とＲＦ＿Ｏｕｔｏｕｔ＿１との間を通るようにすることができる。電圧を反転させると、この経路が遮断され、信号がＲＦ入力端子とＲＦ＿Ｏｕｔｏｕｔ＿２との間を流れるようにすることができる。
【００４４】
ＨＥＭＴをオン及びオフ（即ち、それぞれ導電状態及び非導電状態）に切替えるのに必要な制御電圧の大きさが、スイッチ１００の電力操作に影響する。具体的には、図３は、図１及び図２に示すスイッチに関する、２．５ＧＨｚ、３．０ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ及び４．０ＧＨｚにおける、入力駆動電力に対する計測されたスイッチ損失を示すグラフである。図３に示す結果は、２０ワット（４３ｄＢｍ）を超えるＲＦ信号の線形伝送を広い周波数帯域にわたって示す。
【００４５】
図３に示す結果は、−２５ボルトに設定された制御電圧によって得られた。電圧を−３０ボルトまで上げると、電力操作を約１．５ｄＢだけ向上させることができる。しかし、より高い電圧での動作は可能ではあるが、ＦＥＴ破壊電圧のより近くでの動作であるため、スイッチ動作に悪影響を及ぼし得る。
【００４６】
ＧａＮ  ＨＥＭＴスイッチは、ＧａＮ  ＨＥＭＴ特有の特性、即ちその高い破壊電圧及び高い熱伝導性のために、少ない又は最小のＤＣ電力消費で高いＲＦ電力レベルを操作することが可能であるという、独特の機能を有する。
【００４７】
本明細書で説明するＧａＮ  ＨＥＭＴベースのスイッチトポロジは、２０ＭＨｚという低い周波数での動作も可能とし、１ｍＷ未満のＤＣ電力しか消費しない一方で、高電力レベル及び高ＲＦ周波数における同時動作が可能であり得る。このようなトポロジは、種々のスイッチ回路、例えば、ＳＰＤＴ、単極３投、単極４投、及びこれらのビルディングブロックの組合せなどを実現することを可能にすることができ、スイッチマトリックスネットワーク及び多重入力／出力転送スイッチを実現する。
【００４８】
幾つかの実施形態において、高電力動作が可能なＳＰＤＴスイッチ１００は、ゲートがドレイン端子とソース端子との間の等距離に位置する修正されたＦＥＴ構造体を有する。対照的に、典型的なＨＥＭＴ構造体においては、ゲートはソースの方へずれている。ゲートをドレイン端子とソース端子との間の等距離に配置することは、大きなゲート抵抗器の使用とあいまって、全ＲＦ電圧がドレインゲート空間とゲートソース空間との間で等しく分割されるようにすることを可能にする。これらの空間のどちらかにかかる電圧がトランジスタのピンチオフ又は破壊電圧を超えるとき、線形動作が制約されるので、電圧を均等化することは、スイッチが、いずれの条件をも破ることなく大きいＲＦ信号を操作することを可能にし得る。
【００４９】
信号スイッチングは、ＲＦシステムにおいて遍在する要件であるので、本発明の実施形態によるスイッチ回路の用途は、任意の多機能システムを含むことができる。具体的なシステムのタイプとしては、広帯域通信無線機、電子戦システム（電子逆探及び電子逆逆探、レーダ、白色雑音妨害器を与えるシステムを含む）、テストシステムなどが挙げられる。
【００５０】
図４は、入力信号周波数に対する計測されたＳＰＤＴスイッチ伝送のウェハ平均を示すグラフである。図４に示す結果は、４ＧＨｚまで、＞−０．４ｄＢの高伝送（低損失）を示す。
【００５１】
図５Ａ及び図５Ｂは、計測されたＳＰＤＴスイッチ入力（図５Ａ）及び出力（図５Ｂ）の不整合のウェハ平均を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂは、スイッチ１００が、−８ｄＢより良好な不整合エラーを有し得ることを示す。
【００５２】
図６は、幾つかの実施形態によるスイッチ１００内のトランジスタレイアウトの一部分を示す略図である。図６に示すように、トランジスタのソース領域はゲート２０から距離ＬGSだけ離間し、一方トランジスタのドレイン領域はゲートから距離ＬGDだけ離間する。幾つかの実施形態において、ＦＥＴのゲートは、ＬGDがＬGSに等しくなるようにソース領域とドレイン領域との間に対称的に配置される。
【００５３】
図７は、幾つかの実施形態によるゲートレイアウトのパターンを示す。具体的には、幾つかの実施形態において、ゲート２０は、図７に示すような蛇行パターンを有することができる。図７に示すように、蛇行ゲートパターンは、交互の端部でゲートセグメント接続部２０ｃ、２０ｄによって接続されたゲートセグメント２０ａ及び２０ｂを含むことができる。蛇行パターン化ゲートは、トランジスタがよりコンパクトなトポロジを有することを可能にし、これにより、デバイス内の寄生容量及び／又は抵抗を減らすことができる。寄生容量を減らすことにより、デバイスの帯域幅を大きくすることができる。電力デバイス内に蛇行ゲートパターンを用いることは熱的制約のために望ましくないかもしれないが、幾つかの実施形態によるスイッチングデバイスは熱的制約を受けないことがあるので、そのスイッチングデバイス内に蛇行ゲートパターンを用いることができる。
【００５４】
図８は、モノリシック基板２１０の上に形成された単一ゲートの蛇行ゲートパターンを有する、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチング回路２００のレイアウトである。スイッチング回路２００は、図１に示す回路図に対応する。
【００５５】
図９Ａ及び９Ｂは、図８に示すレイアウトを有するスイッチに関する、入力駆動電力に対する伝送を、−３０Ｖ（図９Ａ）及び−３５Ｖ（図９Ｂ）の制御電圧について、１．０ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、２．０ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、３．０ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ、及び４．０ＧＨｚにおいて示すグラフである。図８に示す結果は、２０ワット（４３ｄＢｍ）を超えるＲＦ信号の線形伝送を広い周波数帯域にわたって示す。
【００５６】
図１０Ａは、図８に示すレイアウトを有するスイッチ２００に関する、入力信号周波数に対する計測されたＳＰＤＴスイッチ伝送のウェハ平均を示すグラフである。図１０Ａに示す結果は、４ＧＨｚまで、＞０．５ｄＢの高伝送（低損失）を示す。
【００５７】
図１０Ｂ及び図１０Ｃは、図８に示すレイアウトを有するスイッチ２００に関する、計測されたＳＰＤＴスイッチの入力（図１０Ａ）及び出力（図１０Ｂ）の不整合のウェハ平均を示すグラフである。図１０Ａ及び図１０Ｂは、スイッチ２００が、−２０ｄＢより良好な不整合エラーを有し得ることを示す。
【００５８】
図面及び明細書において、本発明の典型的な実施形態が開示されており、特定の用語が用いられているが、それらは一般的且つ説明的な意味においてのみ用いられており、限定のために用いられているのではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲において記述されている。
【符号の説明】
【００５９】
２０：ゲート
２０ａ、２０ｂ：ゲートセグメント
２０ｃ、２０ｄ：ゲートセグメント接続部
１００、２００：単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチング回路
１１０、２１０：モノリシック基板
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４：高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）
Ｓ：ソース端子
Ｄ：ドレイン端子
Ｇ：ゲート端子
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３：ノード
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４：抵抗器
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３：インダクタンス
【図１】
2013527718.tif 000003
【図２】
2013527718.tif 000004
【図４】
2013527718.tif 000005
【図５Ａ】
2013527718.tif 000006
【図５Ｂ】
2013527718.tif 000007
【図７】
2013527718.tif 000008
【図８】
2013527718.tif 000009
【図９】
2013527718.tif 000010
【図１０Ａ】
2013527718.tif 000011
【図１０Ｂ】
2013527718.tif 000012
【図１０Ｃ】
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【図３】
2013527718.tif 000014
【図６】
2013527718.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成25年1月21日(2013.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がそれぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む、基板上の第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ
を備え、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、アースに結合しており、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ入力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合したＲＦ出力パッドと、
前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合した制御パッドと
をさらに備えることを特徴とするモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項２】
前記ＲＦ入力パッドは、第１のらせん状インダクタループを通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、前記ＲＦ出力パッドは、第２のらせん状インダクタループを通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項３】
前記制御パッドは、第１の抵抗器を通して前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、相補制御パッドが、第２の抵抗器を通して前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合することを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項４】
前記第１の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有し、前記第２の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項３に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項５】
前記第１の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有し、前記第２の抵抗器が約１０ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項４に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項６】
前記ＲＦ出力パッドは、第１のＲＦ出力パッドを含み、
前記スイッチは、
前記基板上の第２の出力パッド及び相補制御パッドと、
各々がそれぞれのソース、ドレイン及びゲート端子を含む、前記基板上の第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタと、
をさらに備え、
前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子は、前記第１の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子は、アースに結合し、
前記第２のＲＦ出力パッドは、前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合し、
前記制御パッドは、前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、
前記相補制御パッドは、前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の高電力無線周波数スイッチ。
【請求項７】
前記第２のＲＦ出力パッドは、第３の蛇行インダクタループを通して前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ソース端子及び前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ドレイン端子に結合することを特徴とする、請求項６に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項８】
前記制御パッドは、第３の抵抗器を通して前記第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、前記相補制御パッドは、第４の抵抗器を通して前記第３の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合し、前記第３の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有し、前記第４の抵抗器は少なくとも約１ｋオームの抵抗を有することを特徴とする、請求項６に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項９】
前記第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、前記窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのゲート・ソース間隔ＬGSに等しいゲート・ドレイン間隔ＬGDを有することを特徴とする、請求項１又は請求項６に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１０】
前記第１、第２、第３及び第４の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの各々は、蛇行ゲートパターンを有することを特徴とする、請求項１又は請求項６に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１１】
前記第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの前記ゲートに結合した相補制御パッドをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【請求項１２】
基板をさらに備え、前記第１及び第２の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが前記基板上にあることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック高電力無線周波数スイッチ。
【国際調査報告】
2013527718.tif 000016