(57)【要約】【課題】広帯域な特性を有する分布型増幅器を提供する。【解決手段】分布型増幅器は、複数のトランジスタと、複数のトランジスタのゲート電極同士を接続する第１の配線と、複数のトランジスタのドレイン電極同士を接続する第２の配線とを含み、複数のトランジスタのうちの隣接するトランジスタの間の位置において第１の配線と第２の配線との間が電磁カップリングされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタのゲート電極同士を接続する第１の配線と、
前記複数のトランジスタのドレイン電極同士を接続する第２の配線と
を含み、前記複数のトランジスタのうちの隣接するトランジスタの間の位置において前記第１の配線と前記第２の配線との間が電磁カップリングされた分布型増幅器。
【請求項２】
前記第１の配線と前記第２の配線との間の間隔は、前記複数のトランジスタに接続される位置において第１の間隔であり、前記複数のトランジスタのうちの隣接するトランジスタの間の位置において前記第１の間隔よりも短い第２の間隔である請求項１記載の分布型増幅器。
【請求項３】
前記第１の配線と前記第２の配線とは同一の配線層内に配置されている請求項１又は２記載の分布型増幅器。
【請求項４】
前記第１の配線と前記第２の配線とは、絶縁膜を間に挟んだ２つの配線層内にそれぞれ配置されている請求項１又は２記載の分布型増幅器。
【請求項５】
前記隣接するトランジスタの間の位置において、前記第１の配線と前記第２の配線との間隔は、前記複数のトランジスタのゲート幅よりも短い請求項１記載の分布型増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願開示は、分布型増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮやＩｎＰ等の半導体を用いたデバイスは、高速または高耐圧で動作可能なデバイスとして期待されている。これらの材料の特徴を生かし、高周波で動作する大出力の増幅器の開発が行われており、高効率、大出力、広帯域な増幅器が望まれている。
【０００３】
広帯域増幅器の回路形式の一つとして、分布型増幅器がある。分布型増幅器では、複数のトランジスタが一列に配置され、それらのトランジスタのゲート電極同士及びドレイン電極同士がそれぞれ配線により接続されている。ゲート電極同士を接続する配線が入力側線路となり、ドレイン電極同士を接続する配線が出力側線路となる。トランジスタの寄生容量等を考慮した適切な長さと、配線幅や基板厚により決定される適切なインピーダンスとを有するように配線を設計することで、所望の帯域を有した増幅器を実現することができる。しかしながら、分布型増幅器の高周波側では、トランジスタの寄生容量とトランジスタ間の配線の形状とに応じて、帯域が制限されてしまうことを避けることはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上を鑑みると、広帯域な特性を有する分布型増幅器が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
分布型増幅器は、複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのゲート電極同士を接続する第１の配線と、前記複数のトランジスタのドレイン電極同士を接続する第２の配線とを含み、前記複数のトランジスタのうちの隣接するトランジスタの間の位置において前記第１の配線と前記第２の配線との間が電磁カップリングされる。
【発明の効果】
【０００６】
少なくとも１つの実施例によれば、広帯域な特性を有する分布型増幅器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】分布型増幅器の構成の一例を示す図である。
【図２】比較対象として電磁カップリングを想定していない分布型増幅器の構成の一例を示す図である。
【図３】計算機シミュレーションにより求めた図２に示す分布型増幅器の特性の一例を示す図である。
【図４】計算機シミュレーションにより求めた図１に示す分布型増幅器の特性の一例を示す図である。
【図５】入力線路及び出力線路の配線構造の一例を示す図である。
【図６】入力線路及び出力線路の配線構造の別の一例を示す図である。
【図７】トランジスタ、入力線路、及び出力線路の実装構造の一例を示す図である。
【図８】電磁カップリングの効果を確認するための計算機シミュレーションの条件を説明するための図である。
【図９】入力線路と出力線路との間に電磁カップリングの存在しない条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図１０】入力線路と出力線路との間に電磁カップリングの存在する条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図１１】入力線路と出力線路との間に電磁カップリングの存在する条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図１２】入力線路と出力線路との間に電磁カップリングの存在する条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図１３】入力線路と出力線路との間に電磁カップリングの存在する条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお以下に示す図面において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
【０００９】
図１は、分布型増幅器の構成の一例を示す図である。図１に示す分布型増幅器１０は、複数のトランジスタ１１、入力線路１２、出力線路１３、インダクタ１４、抵抗素子１５、キャパシタ１６、電圧源１７、抵抗素子１８、キャパシタ１９、及び電圧源２０を含む。入力線路１２は、複数のトランジスタ１１のゲート電極同士を接続する。出力線路１３は、複数のトランジスタ１１のドレイン電極同士を接続する。各トランジスタ１１のソース電極はインダクタ１４を介してグラウンドに接続される。このようにして、入力線路１２、出力線路１３、及びグラウンドの間で、複数のトランジスタ１１は並列に接続されることになる。なお図１においては２個のトランジスタ１１のみが明示的に示されているが、任意の数のトランジスタ１１が配置されてよい。
【００１０】
入力線路１２は、抵抗素子１８及びキャパシタ１９を介してグラウンドに接続される。また電圧源２０の生成するゲート電圧Ｖｇが入力線路１２に印可されている。出力線路１３は、抵抗素子１５及びキャパシタ１６を介してグラウンドに接続される。また電圧源１７の生成する電源電圧Ｖｄが出力線路１３に印可されている。
【００１１】
入力線路１２のグラウンドに接続される側の一端とは反対側の一端が入力端ＩＮであり、この入力端ＩＮに入力信号が印可される。出力線路１３のグラウンドに接続される側の一端とは反対側の一端が出力端ＯＵＴであり、この出力端ＯＵＴから出力信号が出力される。入力信号が例えば正弦波波形である場合、出力信号は入力信号に対して振幅が増大され且つ位相のずれた正弦波波形となる。
【００１２】
複数のトランジスタ１１のうちの隣接するトランジスタの間の位置Ｐ１において、入力線路１２と出力線路１３との間が電磁カップリングされる。即ち、入力線路１２と出力線路１３とが、誘導性カップリング及び容量性カップリングにより互いにカップリングされる。電磁カップリングは、入力線路１２の配線と出力線路１３の配線とを互いに近距離に配置することにより実現されてよい。入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、複数のトランジスタ１１の位置Ｐ２において第１の間隔であり、複数のトランジスタ１１のうちの隣接するトランジスタの間の位置Ｐ１において第１の間隔よりも短い第２の間隔であってよい。位置Ｐ１の近傍及び位置Ｐ２の近傍において、入力線路１２と出力線路１３とは、互いに並行して走るように配置されてよい。
【００１３】
なおここでいう位置とは、複数のトランジスタ１１が配列された列が延びる方向における位置、即ち入力線路１２及び出力線路１３を含む伝送線路が延びる方向における位置のことである。またトランジスタ１１の位置Ｐ２とは、トランジスタ１１が入力線路１２及び出力線路１３に接続される位置のことであってよい。また隣接するトランジスタの間の位置Ｐ１とは、あるトランジスタ１１が入力線路１２及び出力線路１３に接続される位置と当該トランジスタ１１に隣接するトランジスタ１１が入力線路１２及び出力線路１３に接続される位置との間に存在する位置であってよい。
【００１４】
位置Ｐ１において入力線路１２と出力線路１３との間が電磁カップリングされるということは、他の位置（例えば位置Ｐ２）において入力線路１２と出力線路１３との間が電磁カップリングされていないことを意味しない。他の位置（例えば位置Ｐ２）において入力線路１２と出力線路１３との間が電磁カップリングされていてもよい。他の位置（例えば位置Ｐ２）における電磁カップリングの強さは、位置Ｐ１における電磁カップリングの強さよりも弱くてよい。また他の位置（例えば位置Ｐ２）における電磁カップリングの強さは、無視できるほどに弱くてもよい。
【００１５】
或いは、他の位置（例えば位置Ｐ２）における電磁カップリングの強さは、位置Ｐ１における電磁カップリングの強さと同程度に強くてもよい。即ち例えば、他の位置（例えば位置Ｐ２）における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、位置Ｐ１における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔と同程度であってもよい。例えば、入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、十分な電磁カップリングを示す一定の間隔に保たれていてもよい。但し、トランジスタ１１のゲート電極とソース及びドレイン拡散領域との直上に入力線路１２及び出力線路１３が配線されたのでは、トランジスタと入力線路１２及び出力線路１３とが影響し合ってしまう。この理由のために、一般的には、位置Ｐ２における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、トランジスタのサイズ（例えばゲート幅）よりも広く設定されてよい。この場合、隣接するトランジスタの間の位置Ｐ１において、入力線路１２と出力線路１３との間隔は、複数のトランジスタ１１のゲート幅よりも短く設定されてよい。
【００１６】
図２は、比較対象として電磁カップリングを想定していない分布型増幅器の構成の一例を示す図である。図２において図１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
【００１７】
図２に示す構成では、複数のトランジスタ１１の位置Ｐ２における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、複数のトランジスタ１１のうちの隣接するトランジスタの間の位置Ｐ１における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔と同一、もしくは狭い。また、この間隔は、入力線路１２と出力線路１３との間の電磁カップリングが無視できるほどの広い間隔である。
【００１８】
図３は、計算機シミュレーションにより求めた図２に示す分布型増幅器の特性の一例を示す図である。この計算機シミュレーションでは、ＩｎＰ系ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）である６個のトランジスタ１１を一列に配置し、隣接するトランジスタのゲート電極同士を長さ７６０μｍ、幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。また、隣接するトランジスタのドレイン電極同士を長さ７６０μｍ、幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。トランジスタ１１のゲート幅は２０μｍとした。配線は、比誘電率２．８、基板厚６．３５μｍのＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）上に配置した。この条件におけるＳパラメータが、図３に示される。
【００１９】
図３において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。特性曲線３１がＳ２１を示し、特性曲線３２がＳ２２を示し、特性曲線３３がＳ１１を示す。図３に示されるように、通過特性を示す特性曲線３１は９０ＧＨｚにおいて降下しており、帯域幅は９０ＧＨｚとなっている。
【００２０】
図４は、計算機シミュレーションにより求めた図１に示す分布型増幅器の特性の一例を示す図である。この計算機シミュレーションでは、ＩｎＰ系ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）である６個のトランジスタ１１を一列に配置し、隣接するトランジスタのゲート電極同士を長さ２００μｍ、幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。また、隣接するトランジスタのドレイン電極同士を長さ２００μｍ、幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。トランジスタ１１のゲート幅は２０μｍとした。配線は、比誘電率２．８、基板厚６．３５μｍのＢＣＢ上に配置した。配線のうちで電磁カップリングされている部分の長さは２００μｍであり、この部分における配線間の間隔は６μｍである。この条件におけるＳパラメータが、図４に示される。
【００２１】
図４において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。特性曲線４１がＳ２１を示し、特性曲線４２がＳ２２を示し、特性曲線４３がＳ１１を示す。図４に示されるように、通過特性を示す特性曲線４１は２００ＧＨｚにおいて高い利得を保持しており、帯域幅は２００ＧＨｚ以上となっている。
【００２２】
図５は、入力線路１２及び出力線路１３の配線構造の一例を示す図である。図５において図１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図５に示す配線構造は、基板５１の上面に設けられた配線層５２を有する。入力線路１２と出力線路１３とは同一の配線層５２内に配置されている。図３及び図４に示す計算機シミュレーションにおいては、入力線路１２及び出力線路１３は、図５に示すように同一の配線層５２内に配置されている。
【００２３】
図６は、入力線路１２及び出力線路１３の配線構造の別の一例を示す図である。図６において図１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図６に示す配線構造は、基板６１の上に、配線層６３、絶縁膜６２、及び配線層６４が積層されている。入力線路１２と出力線路１３とは、絶縁膜６２を間に挟んだ２つの配線層６３及び６４内にそれぞれ配置されている。入力線路１２と出力線路１３の配置位置は、配線層６３及び６４のうちの何れの配線層であってもよい。
【００２４】
図７は、トランジスタ１１、入力線路１２、及び出力線路１３の実装構造の一例を示す図である。図７において、図１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
【００２５】
図７（ａ）は、複数のトランジスタ１１、入力線路１２、及び出力線路１３の電気的接続及び物理的配置の一例を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）の線Ａ−Ａ'に沿った実装構造の断面を示す。図７（ｂ）に示されるように、基板７１の上に保護膜７２及びトランジスタ１１のゲート電極７３が形成されている。保護膜７２の上には、入力線路１２に相当する配線７５と出力線路１３に相当する配線７６とが形成されている。入力線路１２に相当する配線７５は、引出し配線７４を介してゲート電極７３に電気的に接続されている。
【００２６】
図７（ｂ）においてゲート電極７３の下に位置する基板７１の部分において、ゲート電極７３の直下から紙面に垂直な方向にずれた位置に、トランジスタ１１のソース及びドレインにそれぞれ相当する２つの拡散領域が形成されている。出力線路１３に相当する配線７６は、ドレインに相当する拡散領域に引出し配線を介して電気的に接続されている。これらの拡散領域及び引出し配線は、ゲート電極７３とは紙面に垂直な方向にずれているので、図７（ｂ）には現れていない。
【００２７】
なお前述のように、図１に示す位置Ｐ２における入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、トランジスタ１１のゲート幅よりも広く設定されてよい。即ち、図７（ａ）及び７（ｂ）に示されるように、図７（ａ）の線Ａ−Ａ'に沿った断面において、入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、トランジスタ１１のゲート幅よりも広く設定されてよい。また図７（ａ）に示されるように、隣接するトランジスタ１１の間の位置において、入力線路１２と出力線路１３との間隔は、トランジスタ１１のサイズ（ゲート幅）よりも短く設定されてよい。
【００２８】
図８は、電磁カップリングの効果を確認するための計算機シミュレーションの条件を説明するための図である。図８において、図１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
【００２９】
図８に示すように、入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、トランジスタ１１の位置Ｐ２において間隔Ｗ１であり、隣接するトランジスタ１１の間の位置Ｐ１において間隔Ｗ１よりも短い間隔Ｗ２である。入力線路１２と出力線路１３とが間隔Ｗ２の距離で配置されている部分の入力線路１２の長さ及び出力線路１３の長さはＬ２である。即ち、互いに電磁カップリングされている入力線路１２の長さ及び出力線路１３の長さはＬ２である。入力線路１２と出力線路１３とが間隔Ｗ２離れている部分と、入力線路１２と出力線路１３とが間隔Ｗ１離れている部分とは、長さＬ３の線路で接続されている。トランジスタ１１が入力線路１２（又は出力線路１３）に接続されている位置から長さＬ３の線路の一端までの長さはＬ１である。図示の都合上、入力線路１２及び出力線路１３上の各位置におけるＬ１は互いに異なる長さであるかのように描かれているが、計算機シミュレーションでは、入力線路１２及び出力線路１３上の各位置におけるＬ１は互いに同一の長さである。
【００３０】
なお以下に説明する計算機シミュレーションでは、図３で説明した条件と同様の条件を用いている。即ち、ＩｎＰ系ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）である６個のトランジスタ１１を一列に配置し、隣接するトランジスタのゲート電極同士を幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。また、隣接するトランジスタのドレイン電極同士を幅６μｍ、配線厚２μｍの配線で接続した。トランジスタ１１のゲート幅は２０μｍとした。配線は、比誘電率２．８、基板厚６．３５μｍのＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）上に配置した。
【００３１】
図９は、入力線路１２と出力線路１３との間に電磁カップリングの存在しない条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。即ち、図９に示されるのは、例えば図２に示されるように、入力線路１２と出力線路１３とは互いに十分に距離が離れていて、互いの電磁カップリングの影響を無視できる条件における計算機シミュレーションの結果である。
【００３２】
図９において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。特性曲線８１、８２、８３、８４、８５はそれぞれ、隣接するトランジスタを接続する配線長が２００、４００、６００、８００、１０００μｍの場合の通過特性Ｓ２１を示す。図９に示されるように、広帯域側において通過特性の帯域は制限されている。
【００３３】
図１０乃至図１３は、入力線路１２と出力線路１３との間に電磁カップリングの存在する条件での分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーション結果を示す図である。図１０乃至図１３に示されるのは、図８に示されるようにトランジスタ間の一部分（位置Ｐ１の部分）において配線長Ｌ２の長さに亘り入力線路１２と出力線路１３とが電磁カップリングされた分布型増幅器の特性に関する計算機シミュレーションの結果である。電磁カップリングされている部分の間隔Ｗ２は６μｍである。なお配線長Ｌ２の部分以外の配線、即ち配線長Ｌ１の部分及び配線長Ｌ３の部分については、電磁カップリングは存在しないものとして計算機シミュレーションを行っている。
【００３４】
図１０において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。図１０に示す特性は、Ｌ１＋Ｌ３が１００μｍ、Ｌ２が４００μｍ、Ｗ２が６μｍの場合の特性である。特性曲線９１、９２、９３はそれぞれ、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ１１を示す。図１０に示されるように、通過特性を示す特性曲線９１は１３０ＧＨｚ程度まで高い利得を保持しており、帯域幅は１３０ＧＨｚ程度となっている。また反射特性を示す特性曲線９２及び９３も０デシベル以下となっており、安定した増幅器動作が実現される。
【００３５】
図１１において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。図１１に示す特性は、（Ｌ１＋Ｌ３）×２＋Ｌ２が６００μｍに固定された場合の特性である。（Ｌ１＋Ｌ３）×２＋Ｌ２を６００μｍに固定した条件で、Ｌ１＋Ｌ３を変化させている（即ちＬ２も変化される）。特性曲線１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９はそれぞれ、Ｌ１＋Ｌ３が０、２５、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５、２００μｍの場合の通過特性Ｓ２１を示す。Ｌ１＋Ｌ３を長くするほど、即ちＬ２を短くするほど、帯域幅は狭くなっている。従って、配線の長さが一定の場合には、線路中の電磁カップリングされている部分の長さは、なるべく長いほうが良いことが分かる。
【００３６】
図１２において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。図１２に示す特性は、Ｌ１＋Ｌ３が１００μｍに固定された場合の特性である。Ｌ１＋Ｌ３を１００μｍに固定した条件で、Ｌ２を変化させている。特性曲線１１１、１１２、１１３、１１４、１１５はそれぞれ、Ｌ２が２００、３００、４００、５００、６００μｍの場合の通過特性Ｓ２１を示す。Ｌ２を長くするほど、帯域幅は狭くなっている。従って、線路中の電磁カップリングされている部分の長さは、Ｌ１＋Ｌ３が一定の場合にはなるべく短いほうが良いことが分かる。
【００３７】
図１３において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの利得を示す。図１３に示す特性は、Ｌ１＋Ｌ３が１００μｍに固定され、Ｌ２が３００μｍに固定された場合の特性である。Ｌ１＋Ｌ３及びＬ２をそれぞれ固定した条件で、電磁カップリングの位置の線路間の間隔Ｗ２を変化させている。特性曲線１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６はそれぞれ、Ｗ２が１２、１０、８、６、４、２μｍの場合の通過特性Ｓ２１を示す。Ｗ２を広くするほど、帯域幅は狭くなっている。但し、間隔Ｗ２が広く例えば１２μｍである場合、間隔Ｗ２が狭い場合に比較して通過特性Ｓ２１の利得が全体的に低下しており、その低下分だけ反射特性が増大することになる。Ｗ２が２μｍの場合には、反射特性が０デシベルを超えてしまう周波数位置もあり、分布型増幅器の動作が不安定となる。そのため、図１３に示す計算機シミュレーションの結果においては、間隔Ｗ２の適正値は６μｍから８μｍとなっている。
【００３８】
上述の説明から分かるように、適正な線路間の間隔Ｗ２で入力線路と出力線路とを電磁カップリングすることが、広い帯域幅及び安定した動作を確保するために好ましい。但し、前述したように、実装上の制限等を考慮すると、トランジスタの位置（図１の位置Ｐ２）における入力線路と出力線路との間の間隔は、トランジスタのサイズ（例えばゲート幅）よりも広く設定されることが好ましい。従って、図１に示されるように、入力線路１２と出力線路１３との間の間隔は、位置Ｐ２において第１の間隔であり、位置Ｐ１において第１の間隔よりも短い第２の間隔であってよい。
【００３９】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  分布型増幅器
１１  トランジスタ
１２  入力線路
１３  出力線路
１４  インダクタ
１５  抵抗素子
１６  キャパシタ
１７  電圧源
１８  抵抗素子
１９  キャパシタ
２０  電圧源
【図１】
2015171107.tif 000003
【図２】
2015171107.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015171107.tif 000006
【図５】
2015171107.tif 000007
【図６】
2015171107.tif 000008
【図７】
2015171107.tif 000009
【図８】
2015171107.tif 000010
【図９】
2015171107.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2015171107.tif 000013
【図１２】
2015171107.tif 000014
【図１３】
2015171107.tif 000015