(57)【要約】【課題】増幅利得の向上（高出力動作）と熱暴走抑制効果の向上（安定動作）とを両立させた、半導体電力増幅器及びその製造方法を提供する。【解決手段】各ＨＢＴ４０のエミッタは、並列接続された第１のエミッタバラスト抵抗体４１及び第２のエミッタバラスト抵抗体４２を介して、エミッタ（接地）端子３にそれぞれ接続される。第１のエミッタバラスト抵抗体４１と第２のエミッタバラスト抵抗体４２とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した材料で形成される。これにより、第１のエミッタバラスト抵抗体４１が有する温度上昇に従って抵抗値が減少（又は増加）する欠点を、第２のエミッタバラスト抵抗体４２が有する温度上昇に従って抵抗値が増加（又は減少）する欠点で緩和させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅を行うセル回路を複数並列接続して構成される半導体電力増幅器であって、
前記セル回路は、
ベースに入力される信号をコレクタから増幅して出力するトランジスタと、
前記トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第１のエミッタバラスト抵抗体と、
前記トランジスタのエミッタと接地との間に前記第１のエミッタバラスト抵抗体と並列に接続される第２のエミッタバラスト抵抗体とを備え、
前記第１のエミッタバラスト抵抗体と、前記第２のエミッタバラスト抵抗体とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性に設定されることを特徴とする、半導体電力増幅器。
【請求項２】
前記第１のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が減少する温度特性を有し、前記第２のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が増加する温度特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体電力増幅器。
【請求項３】
前記第１のエミッタバラスト抵抗体が半導体材料で形成され、前記第２のエミッタバラスト抵抗体が金属材料で形成されることを特徴とする、請求項２に記載の半導体電力増幅器。
【請求項４】
前記第１のエミッタバラスト抵抗体が、半導体基板上に形成された前記トランジスタのサブコレクタ層を利用して形成されることを特徴とする、請求項３に記載の半導体電力増幅器。
【請求項５】
半導体基板上において、トランジスタのエミッタと接地との間に並列接続され、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反している温度特性を有した第１及び第２のエミッタバラスト抵抗体を製造する方法であって、
トランジスタ領域のサブコレクタ層にコレクタ電極を形成すると同時に、トランジスタ領域以外の活性化されたサブコレクタ層の両端にコレクタ電極を設けて、前記第１のエミッタバラスト抵抗体を形成する工程と、
前記工程によって形成された前記第１のエミッタバラスト抵抗体と並列して薄膜金属を蒸着し、前記第２のエミッタバラスト抵抗体を形成する工程とを備える、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ回路を用いた電力増幅器に関し、より特定的には、携帯電話を主とする高周波帯を利用した無線通信機器の信号送信部に用いられ、能動素子に高周波電力増幅特性に優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いた半導体電力増幅器、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高周波信号の電力増幅器用の半導体においては、高周波特性に優れたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）やシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を材料としたＨＢＴの小さなセル構造を並列接続（多セル化）することによって、各トランジスタの出力を合成し高出力を得る回路構成としている。このＨＢＴは、高出力動作をするとき、単位セルあたりの交流電流の電流密度が高くなるため発熱する。この発熱は、ＨＢＴによって均一ではないので、温度の高いＨＢＴはさらに熱暴走して破壊に至る場合もある。
【０００３】
そこで、この熱暴走の原因となる過剰なコレクタ電流を抑制するために、個々のＨＢＴのエミッタに抵抗を設けることがよく行われる。このエミッタ抵抗が、多セルのＨＢＴを均一に安定動作させるためのエミッタバラスト抵抗体と一般に言われるものである。
【０００４】
図５に、エミッタバラスト抵抗体を有する従来の多セルＨＢＴ構造を示す（特許文献１を参照）。各ＨＢＴ４００のエミッタ電極には、エミッタバラスト抵抗体４１０が設けられている。この構造により、周辺より発熱の多いＨＢＴセルは、このエミッタバラスト抵抗体４１０によってコレクタ電流が抑制され、熱暴走に至らずに動作する。
【特許文献１】特開２００１−１６８１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このエミッタバラスト抵抗体には、次のような課題がある。エミッタバラスト抵抗体の抵抗値が過大であると、電力を出力する上で必要なコレクタ電流が流れるときの電力損失となるので、増幅利得が低下する。一方、エミッタバラスト抵抗体の抵抗値が過少であると、熱暴走抑制の効果に欠ける。つまり、増幅利得の低下を抑制することと熱暴走を抑制することとがトレードオフの関係にあり、これらを両立させることが困難であるという課題である。
【０００６】
このため、いわゆるベースバラスト抵抗体と言われる抵抗をトランジスタのベース側に挿入して、バイアス回路から供給されるベース電流を抑制するという方法も最近よく用いられている。しかし、このベースバラスト抵抗体を挿入する方法にも同様の課題がある。すなわち、ベース電流は小さな量であるので、熱暴走抑制の効果を上げるには大きな抵抗値が必要となるが、逆にバイアス回路からの電流供給能力を劣化させない、言い換えれば増幅利得を低下させないためには、小さな抵抗値が必要となるという課題である。
【０００７】
また、エミッタバラスト抵抗体を実現させる従来の技術は、ＨＢＴのエミッタ層に高抵抗層をエピタキシャル成長させることによって形成し、形成した高抵抗層をエミッタバラスト抵抗体として使用するというものである。しかしながら、このエミッタバラスト抵抗体は、半導体層で構成されるものであるため、温度上昇と共に抵抗値が減少してしまう。そのため、増幅器が高出力化したときの発熱によって温度が上昇した場合には、エミッタバラスト抵抗体の熱暴走に対する効果が抑制されてしまうという課題がある。
【０００８】
それ故に、本発明の目的は、トレードオフの関係にある増幅利得の向上（高出力動作）と熱暴走抑制効果の向上（安定動作）とを両立させた、半導体電力増幅器及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電力増幅を行うセル回路を複数並列接続して構成される半導体電力増幅器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の半導体電力増幅器を構成するセル回路は、ベースに入力される信号をコレクタから増幅して出力するトランジスタと、トランジスタのエミッタと接地との間に接続される第１のエミッタバラスト抵抗体と、トランジスタのエミッタと接地との間に第１のエミッタバラスト抵抗体と並列に接続される第２のエミッタバラスト抵抗体とを備える。そして、第１のエミッタバラスト抵抗体と、第２のエミッタバラスト抵抗体とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性に設定される。
【００１０】
例えば、第１のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が減少する温度特性を有する場合には、第２のエミッタバラスト抵抗体が温度上昇に従って抵抗値が増加する温度特性を有するように設定する。この場合、第１のエミッタバラスト抵抗体が半導体材料で形成され、第２のエミッタバラスト抵抗体が金属材料で形成されるのが典型的である。また、第１のエミッタバラスト抵抗体が、半導体基板上に形成されたトランジスタのサブコレクタ層を利用して形成されることが好ましい。
【００１１】
この半導体電力増幅器を半導体基板上に形成する場合において、第１及び第２のエミッタバラスト抵抗体を製造する方法としては、トランジスタ領域のサブコレクタ層にコレクタ電極を形成すると同時に、トランジスタ領域以外の活性化されたサブコレクタ層の両端にコレクタ電極を設けて、第１のエミッタバラスト抵抗体を形成し、この形成された第１のエミッタバラスト抵抗体と並列して薄膜金属を蒸着し、第２のエミッタバラスト抵抗体を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、トランジスタのエミッタバラスト抵抗体を、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した２つの抵抗体による合成抵抗体で構成する。これにより、２つの抵抗体が、各々が有する温度特性上の欠点を補い合うように変化するため、合成抵抗体の温度依存性を小さくすることができ、トランジスタの熱暴走領域を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の構成を示す回路図である。図１に示すように、本発明の半導体電力増幅器は、複数の単位ＨＢＴ構造１０を並列接続した構造である。この単位ＨＢＴ構造１０は、ＨＢＴ４０と、第１のエミッタバラスト抵抗体４１と、第２のエミッタバラスト抵抗体４２とで構成される。各ＨＢＴ４０のコレクタ及びベースは、コレクタ端子２及びベース端子１にそれぞれ共通接続されている。各ＨＢＴ４０のエミッタは、並列接続された第１のエミッタバラスト抵抗体４１及び第２のエミッタバラスト抵抗体４２を介して、エミッタ（接地）端子３にそれぞれ接続される。
【００１４】
なお、本実施形態では、ＨＢＴ４０を用いた半導体電力増幅器の構成を説明するが、一般的なトランジスタを用いた構成であってもよい。また、本実施形態では、単位ＨＢＴ構造１０を４つ並列に接続する構成を説明するが、接続する数は４つに限定されるものではなく幾つであっても構わない。
【００１５】
第１のエミッタバラスト抵抗体４１と第２のエミッタバラスト抵抗体４２とは、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した材料で形成される。典型的には、第１のエミッタバラスト抵抗体４１が半導体材料で形成され、第２のエミッタバラスト抵抗体４２が金属材料で形成される。なお、金属材料は低抵抗率であるが、薄膜金属を用いることで数Ω程度の抵抗体を形成することが可能である。
【００１６】
図２は、半導体材料で形成された第１のエミッタバラスト抵抗体４１、及び金属材料で形成された第２のエミッタバラスト抵抗体４２の、温度特性の一例を示す図である。
半導体材料で形成された第１のエミッタバラスト抵抗体４１は、図２の点線で示すように、温度Ｔの上昇に伴って抵抗値Ｒが指数関数的に減少する温度特性を表す。この温度特性は、対数表示にしたときには１／Ｔの関数となり、その係数はエネルギーバンドギャップに比例する。一方、金属材料で形成された第２のエミッタバラスト抵抗体４２は、図２の一点鎖線で示すように、温度Ｔの上昇に伴って抵抗値Ｒが一次関数的に変化する温度特性を表す。
【００１７】
よって、この第１のエミッタバラスト抵抗体４１と第２のエミッタバラスト抵抗体４２とを並列接続することにより、第１のエミッタバラスト抵抗体４１が有する半導体材料の温度上昇に従って抵抗値が減少してしまう欠点を、第２のエミッタバラスト抵抗体４２が有する金属材料の温度上昇に従って抵抗値が増加してしまう欠点で緩和させることが可能となる。よって、第１のエミッタバラスト抵抗体４１と第２のエミッタバラスト抵抗体４２とによる合成抵抗値は、図２の実線で示すように温度依存性が小さいものとなる。
【００１８】
次に、上述した構成による本発明の半導体電力増幅器を半導体基板上で実現するための構造及び製造方法を、具体例を挙げて説明する。
図３Ａは、半絶縁性半導体基板上に形成された本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の上面図である。図３Ｂは、図３Ａにおけるａ−ａ断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂで示した半導体電力増幅器を製造する手順を説明するための上面図及び断面図である。
【００１９】
まず、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、ＨＢＴ４０の構造を説明する。
エミッタ電極３１がエミッタ層３４の上に、ベース電極３２がベース層３５上に、それぞれ形成される。また、コレクタ電極３３は、コレクタ層３６のコンタクト層となるサブコレクタ層３７の上に形成される。エミッタ層３４及びコレクタ層３６は、ｎ型ＧａＡｓからなり、ベース層３５は、ｐ型ＧａＡｓからなる。サブコレクタ層３７は、コンタクト層であるので、コレクタ層３６より高濃度のｎ型ＧａＡｓからなる。エミッタ層３４について、オーミックコンタクトを実現するために、エミッタ電極３１との接合面にはＩｎＧａＡｓ層が挿入され、ベース層３５との整合面にはバンドギャップがＧａＡｓよりも広いＩｎＧａＰ層が挿入される。これにより、ヘテロ接合面が形成される。エミッタ電極３１は、ＷＳｉであり、ベース電極３２は、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの合金であり、コレクタ電極３３は、ＡｕＧｅ、Ｎｉ及びＡｕの合金である。
【００２０】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、各エミッタバラスト抵抗体の構造を説明する。
サブコレクタ層３７を利用した第１のエミッタバラスト抵抗体４１と、薄膜金属を利用した第２のエミッタバラスト抵抗体４２とが、半絶縁性半導体基板５０上に形成される。エミッタ電極３１と第１のエミッタバラスト抵抗体４１及び第２のエミッタバラスト抵抗体４２の一方端とは、配線Ａで接続され、その他方端は、接地されているビアホール４３に配線Ｂで接続される。第１のエミッタバラスト抵抗体４１は、高濃度の１０18ｃｍ-3程度のサブコレクタ層３７の１０Ω程度のシート抵抗を利用したもので、図３Ｂのようにコレクタ電極３３を両端に設けて、第１のエミッタバラスト抵抗体４１の２つの端子として利用する。第２のエミッタバラスト抵抗体４２は、Ａｕの厚さ１５０ｎｍ程度の薄膜金属を利用して形成する。この薄膜金属の長さに対する幅の比を１５程度にすることによって、数Ωの抵抗値にすることができる。
【００２１】
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、半導体電力増幅器の製造方法を説明する。
まず、エピタキシャル成長させた半導体基板のエッチングと電極形成とを、一般的な製造方法によって行い、エミッタ層３４上にエミッタ電極３１を、ベース層３５上にベース電極３２をそれぞれ形成して、コレクタ層３６を露出させる。工程（Ａ１）及び（Ｂ１）を参照。
【００２２】
次に、Ｈｅ等のイオンを注入することによって、不活性化した素子分離領域３８を形成する。このとき、第１のエミッタバラスト抵抗体４１を形成する領域４５を、同時に形成する。工程（Ａ２）及び（Ｂ２）を参照。
【００２３】
次に、コレクタ層３６をエッチングすることによってサブコレクタ層３７を露出させ、コレクタ電極３３を蒸着形成する。ここで、ＨＢＴ領域のコレクタ電極３３を形成するときに、エミッタバラスト抵抗体領域４５の両端にもコレクタ電極３３を同時に形成することによって、第１のエミッタバラスト抵抗体４１が形成される。工程（Ａ３）及び（Ｂ３）を参照。
【００２４】
次に、第１のエミッタバラスト抵抗体４１と並列して、薄膜金属を蒸着形成することによって、第２のエミッタバラスト抵抗体４２を形成する。工程（Ａ４）及び（Ｂ４）を参照。この工程によって、第１のエミッタバラスト抵抗体４１と第２のエミッタバラスト抵抗体４２とを並列接続した、合成エミッタバラスト抵抗体が形成される。
【００２５】
最後に、ＨＢＴ４０のエミッタ電極３１と、第１のエミッタバラスト抵抗体４１及び第２のエミッタバラスト抵抗体４２の一方端とが、配線Ａで接続される。また、第１のエミッタバラスト抵抗体４１及び第２のエミッタバラスト抵抗体４２の他方端は、接地されているビアホール４３に配線Ｂで接続される。工程（Ａ５）及び（Ｂ５）を参照。これにより、上述した構成による本発明の半導体電力増幅器が形成される。
【００２６】
以上のように、本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器によれば、ＨＢＴのエミッタバラスト抵抗体を、温度変化に伴う抵抗値の変化傾向が相反する温度特性を有した２つの抵抗体による合成抵抗体で構成する。これにより、２つの抵抗体が、各々が有する温度特性上の欠点を補い合うように変化するため、合成抵抗体の温度依存性を小さくすることができ、ＨＢＴの熱暴走領域を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の半導体電力増幅器及びその製造方法は、携帯電話を主とする高周波帯を利用した無線通信機器の信号送信部等に利用可能であり、特に高出力動作と安定動作とを両立させたい場合等に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の構成を示す回路図
【図２】エミッタバラスト抵抗体の温度特性の一例を示す図
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の上面図
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の断面図
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の製造方法を説明するための上面図
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体電力増幅器の製造方法を説明するための断面図
【図５】従来の半導体電力増幅器の構成を示す回路図
【符号の説明】
【００２９】
１〜３  端子
１０  単位ＨＢＴ構造
３１  エミッタ電極
３２  ベース電極
３３  コレクタ電極
３４  エミッタ層
３５  ベース層
３６  コレクタ層
３７  サブコレクタ層
４０  ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）
４１、４２  エミッタバラスト抵抗体
４３  ビアホール
５０  半絶縁性半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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