(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ；Metal Semiconductor Field Effect Transistor）を有する電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴは、ソースと、ドレインと、ゲート電極とを有し、
前記ゲート電極は、前記ゲート電極と半導体領域との間にショットキダイオードが形成されるように前記半導体領域上に形成され、
前記ゲート電極に供給されるゲートバイアス電圧が増加した場合、前記ショットキダイオードの順方向に沿ってゲート電流が流れ、
前記ゲート電極および前記半導体領域の材料は、前記ゲート電極に供給されるゲートバイアス電圧の値が０．６５Ｖ以上のとき、前記ゲート電極の幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡとなるものであり、
単一極性の電源が供給されるバイアス回路から前記ゲート電極にゲートバイアス電圧が供給されると共に、前記ドレインにドレインバイアス電圧が供給され、
前記ＭＥＳＦＥＴは、前記バイアス回路から供給される前記ゲートバイアス電圧に重畳して加えられた入力信号を増幅することを特徴する電力増幅システム。
【請求項２】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴは、浅いデプレッション型またはエンハンスメント型のＭＥＳＦＥＴであることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項３】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴのチャネル領域は、直接遷移型の化合物半導体からなることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項４】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記バイアス回路は、前記ゲートバイアス電圧を生成するゲートバイアス回路と、前記ゲートバイアス回路に連結されたリップルフィルタコンデンサが備えられていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項５】
請求項４記載の電力増幅システムであって、
前記リップルフィルタコンデンサは、前記ＭＥＳＦＥＴが形成された半導体基板の外部に備えられていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項６】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極と前記半導体領域との間には、前記ゲート電極と前記半導体領域との合金が形成され、
前記ショットキダイオードは、前記合金と前記半導体領域との間に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項７】
請求項６記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極の材料は、タングステンシリサイドよりも大きな仕事関数を有するものであることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項８】
請求項７記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極の材料は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）の何れかを含むことを特徴とする電力増幅システム。
【請求項９】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴと前記電力増幅システムに用いられる受動素子とが互いに異なる半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１０】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴおよび前記電力増幅システムに用いられる受動素子が１つの半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１１】
請求項１記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴ、前記電力増幅システムに用いられる受動素子および前記電力増幅システムに用いられる出力整合回路が１つの半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１２】
ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を有する電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴは、ソースと、ドレインと、ゲート電極とを有し、
前記ゲート電極は、前記ゲート電極と半導体領域との間にショットキダイオードが形成されるように前記半導体領域上に形成され、
前記ゲート電極に供給される電圧が増加した場合、前記ショットキダイオードの順方向に沿ってゲート電流が流れ、
前記ゲート電極および前記半導体領域の材料は、前記ゲート電極に供給される前記電圧の値が０．６５Ｖ以上のとき、前記ゲート電極の幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡを越えるものであり、
単一極性の電源が供給されるバイアス回路から前記ゲート電極にゲートバイアス電圧が供給され、
前記ＭＥＳＦＥＴは、前記ゲートバイアス電圧に重畳して加えられた入力信号を増幅することを特徴する電力増幅システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴのチャネル領域は、直接遷移型の化合物半導体からなることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記バイアス回路は、ゲートバイアス回路と、前記ゲートバイアス回路に連結されたリップルフィルタコンデンサが備えられていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１５】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極と前記半導体領域との間には、前記ゲート電極と前記半導体領域との合金が形成され、
前記ショットキダイオードは、前記合金と前記半導体領域との間に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極の材料は、タングステンシリサイドよりも大きな仕事関数を有するものであることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の電力増幅システムであって、
前記ゲート電極の材料は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）の何れかを含むことを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１８】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴと前記電力増幅システムに用いられる受動素子とが互いに異なる半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項１９】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴと前記電力増幅システムに用いられる受動素子とが１つの半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項２０】
請求項１２記載の電力増幅システムであって、
前記ＭＥＳＦＥＴと、前記電力増幅システムに用いられる受動素子と、前記電力増幅システムに用いられる出力整合回路とが１つの半導体基板上に形成されていることを特徴とする電力増幅システム。
【請求項２１】
高周波入力信号に基づいて高周波信号を出力する電力増幅回路と、ソース端子が接地されたＭＥＳＦＥＴと、前記化合物半導体ＭＥＳＦＥＴにドレインバイアス電圧およびゲートバイアス電圧を供給する単一極性の電源と、前記電力増幅回路の出力整合回路とを有し、
前記化合物半導体ＭＥＳＦＥＴは、ソース端子を接地してゲート端子に順方向の直流（ＤＣ）ゲート電圧を加えた場合に、ゲート幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡを越える前記直流ゲート電圧の値が０．６５Ｖ以上のものである移動体通信端末装置であって、
前記電力増幅回路は、ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を有し、
前記ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタは、ソースと、ドレインと、ゲート電極とを有し、
前記ゲート電極は、前記ゲート電極と半導体領域との間にショットキダイオードが形成されるように前記半導体領域上に形成され、
前記ゲート電極に供給されるゲートバイアス電圧が増加した場合、前記ショットキダイオードの順方向に沿ってゲート電流が流れ、
前記ゲート電極および前記半導体領域の材料は、前記ゲート電極に供給されるゲートバイアス電圧の値が０．６５Ｖ以上のとき、前記ゲート電極の幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡとなるように規定され、
単一極性の電源が供給されるバイアス回路から前記ゲート電極にゲートバイアス電圧が供給されると共に、前記ドレインにドレインバイアス電圧が供給され、
前記ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタは、前記バイアス回路から供給される前記ゲートバイアス電圧に重畳して加えられた入力信号を増幅することを特徴する移動体通信端末装置。
【請求項２２】
請求項２１記載の移動体通信端末装置であって、
前記バイアス回路は、前記ゲートバイアス電圧を生成するゲートバイアス回路を含み、
前記ゲートバイアス回路に連結され、前記ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタが形成された半導体基板の外部に備えられたリップルフィルタコンデンサをさらに有することを特徴する移動体通信端末装置。
【請求項２３】
請求項２１記載の移動体通信端末装置であって、
前記ゲート電極と前記半導体領域との間には、前記ゲート電極と前記半導体領域との合金が形成され、
前記ショットキダイオードは、前記合金と前記半導体領域との間に形成され、
前記ゲート電極の材料は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）の何れかであることを特徴する移動体通信端末装置。
【請求項２４】
電力増幅回路を有する移動体通信端末装置であって、
前記電力増幅回路は、ソースと、ドレインと、ゲート電極とを有するショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を有し、
前記ゲート電極は、前記ゲート電極と半導体領域との間にショットキダイオードが形成されるように前記半導体領域上に形成され、
前記ゲート電極に供給される電圧が増加した場合、前記ショットキダイオードの順方向に沿ってゲート電流が流れ、
前記ゲート電極および前記半導体領域の材料は、前記ゲート電極に供給される前記電圧の値が０．６５Ｖ以上のとき、前記ゲート電極の幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡを越えるように規定され、
単一極性の電源が供給されるバイアス回路から前記ゲート電極にゲートバイアス電圧が供給されると共に、前記ドレインにドレインバイアス電圧が供給され、
前記ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタは、前記ゲートバイアス電圧に重畳して加えられた入力信号を増幅することを特徴する移動体通信端末装置。
【請求項２５】
請求項２４記載の移動体通信端末装置であって、
前記バイアス回路は、前記ゲートバイアス電圧を生成するゲートバイアス回路を含み、
前記ゲートバイアス回路に連結され、前記ショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタが形成された半導体基板の外部に備えられたリップルフィルタコンデンサをさらに有することを特徴する移動体通信端末装置。
【請求項２６】
請求項２４記載の移動体通信端末装置であって、
前記ゲート電極と前記半導体領域との間には、前記ゲート電極と前記半導体領域との合金が形成され、
前記ショットキダイオードは、前記合金と前記半導体領域との間に形成され、
前記ゲート電極の材料は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）の何れかであることを特徴する移動体通信端末装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電力増幅システムおよび移動体通信端末装置に関し、特に、化合物半導体からなるショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ；Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した無線通信用の高周波電力増幅システムおよび移動体通信端末装置に適用して有効な技術に関するものである。
背景技術
ＰＤＣ（パーソナル・デジタル・セルラ）やＰＨＳ（パーソナル・ハンディフォン・システム）などの移動体通信端末では、１ＧＨｚ以上のマイクロ波帯の搬送波を用いて無線通信が行われる。このため、送信信号のパワーアンプ回路、および受信信号のプリアンプ回路等では、シリコントランジスタよりも動作速度の速いＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴ（ガリウムヒ素ＭＥＳＦＥＴ）が採用されている。
なお、移動体通信端末については、たとえば日経ＢＰ社発行「日経エレクトロニクス」１９９０年４月１６日号（ｎｏ．４９７）、ｐ１２１等にその概要が記載されている。
この移動体通信端末では、１Ｗ程度の比較的大きな送信電力が要求される一方、移動体通信端末の携帯性を高めるために小型軽量であること、電池での長時間動作が可能なことが要求される。このため、電池での単一電源駆動が好ましく、長時間動作を保証する観点から低消費電力であることが要求される。
ところで、ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴを高周波帯で利用する場合には、電子移動度の大きさを生かすため、ｎチャネル型ＭＥＳＦＥＴを用いる場合が多い。したがって、以下の説明では特に断らない限りｎチャネル型ＭＥＳＦＥＴの場合について説明する。
また、従来技術のＭＥＳＦＥＴでは、大きな増幅度を得るため、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が比較的深め（たとえばＶｔｈ＝−１Ｖ程度）のデプレッション型が用いられる。
このような比較的深いＶｔｈのＭＥＳＦＥＴをソース接地で使用する場合、負電圧でゲートバイアスをかける必要があるため、正の電源電圧とは別に負の電源電圧が必要となる。このように正負両極の電源を必要とするアンプシステムは単一電源で駆動することができず、あえて単一電源で駆動しようとすれば、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて正電源から負電圧を生成し、これを負電源として用いる方策が必要となる。
しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータの使用は、消費電力の増大および実装面積の増大を招き、移動体通信端末に要求される小型軽量および電池での長時間動作の要求に反することとなる。
そこで、移動体通信端末のパワーアンプ回路に用いる増幅素子として、比較的浅いデプレッション型もしくはＶｔｈが正電圧のエンハンスメント型ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴを用いて、０Ｖないし正電圧のゲートバイアス電圧を印加する回路の採用を検討する必要がある。
ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴがショットキ接合型ＦＥＴ、つまりゲートとソースとがショットキダイオードを構成しており、また、ｎチャネル型ＭＥＳＦＥＴをソース接地で使用することから、ゲートへの正電圧の印加はショットキダイオードに対する順方向電圧となる。このため、ゲートに加えることができる正電圧は、ゲート電流（順方向電流）が急激に増加しはじめる電圧（Ｖｆ）以下にすることが必要である。すなわち、Ｖｆ以上のゲート電圧を加えても、ゲート電極下部の空乏層はもはや消失しており、ドレイン電流の制御はできず、ドレイン電流は飽和するためである。一方、負方向にかけることができるゲート電圧の最小値は、Ｖｔｈの近傍となる。すなわち、Ｖｔｈ以下のゲート電圧を加えても、チャネル領域はすでに空乏層で遮断されており、ドレイン電流は流れていないためである。
つまり、ＭＥＳＦＥＴのドレイン電流を増幅信号として取り出すためには、ゲート電圧に応じてドレイン電流が変化する線形領域を利用する必要があるが、この線形領域はゲート電圧がＶｔｈからＶｆの範囲に限られることを意味する。
したがって、深いＶｔｈのデプレッション型ＭＥＳＦＥＴと比較して、浅いＶｔｈのデプレッション型あるいはＶｔｈが正のエンハンスメント型ＭＥＳＦＥＴのゲート電圧の印加できる範囲は狭くなる。一般にゲート電圧を最大限に印加する方がドレイン電流が大きくなるため、ゲート電圧の振幅に比例してドレイン電流の振幅が大きくなる。このため、比較的浅いデプレッション型もしくはエンハンスメント型のＭＥＳＦＥＴの場合には、十分なドレイン電流を確保できない場合が生じる。この結果、高周波動作時のアンプシステムの出力あるいは利得が十分にとれず、移動体通信端末の高性能化の妨げとなる場合が生じる。
一方、たとえば、昭和６１年１月３０日、日刊工業新聞社発行、「化合物半導体」、ｐ１６４に記載されているように、ショットキ接合された金属と半導体との間に流れる順方向電流の電流密度Ｊは、
Ｊ＝Ａ＊Ｔ２ｅｘｐ（−ｑφＢ／ｋＴ）（ｅｘｐ（ｑＶ／ｎｋＴ）−１）、
となる。ただし、Ａ＊は実効リチャードソン定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］、ｑは素電荷、φＢはショットキ障壁［Ｖ］、ｋはボルツマン定数、Ｖは印加電圧［Ｖ］、ｎは理想係数であってショットキ接合が良好なときには１．０〜１．３の範囲の値となるものである。
ｅｘｐ（ｑＶ／ｎｋＴ）＞＞１であって、ｎがほぼ１であると仮定すると、ＶがφＢを越えるあたりから指数関数的に電流密度Ｊが増加することがわかる。このような状況は、ＭＥＳＦＥＴにおいてソース接地し、ゲート電圧を増加してゲート電流が急激に増大する現象と同等である。すなわち、Ｖｆは、φＢと強く関係しており、φＢが大きいほどＶｆも大きくなる。したがって、Ｖｆを大きくして増幅作用をするゲート電圧の印加範囲を増加するために、φＢの大きな材料をゲート電極に用いることが効果的であると考えることができる。
しかし、ＧａＡｓ表面にショットキ接合するような金属を形成しても、金属の種類、つまりその金属の仕事関数に応じてφＢが変化せず、ほぼ一定のφＢとなることが知られている。すなわち、ＧａＡｓ表面の表面準位密度の多さ、あるいは中間層の生成に起因するピニング効果（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によるものである。
従来の多用されているｎチャネル型ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴにおいては、ゲート電極としてタングステンシリサイド（ＷＳｉ）が用いられており、このゲート電極をたとえばアルミニウム（Ａｌ）やモリブデン（Ｍｏ）に代えてもピニング効果によりショットキ障壁φＢは大きく変化しない。このため、Ｖｆを大きくしてゲート電圧の印加範囲を増加することが困難であり、比較的浅いデプレッション型もしくはエンハンスメント型のＭＥＳＦＥＴにおいて、十分なドレイン電流を確保して高周波動作時のアンプシステムの出力あるいは利得を向上し、移動体通信端末の高性能化を図ることが困難となっている。
また、比較的浅いデプレッション型もしくはエンハンスメント型のｎチャネル型ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴをソース接地で用いる場合には、ゲート電圧の範囲が狭くなるため、ゲートバイアス電圧の安定性が信号ノイズ比（ＳＮＲ）に大きく影響する。このため電源電位の安定性は特に重要となる。
本発明の目的は、単一電源駆動を前提とした高周波電力増幅システムの利得を向上することにある。
また、本発明の目的は、高周波電力増幅システムの消費電力を低減することにある。
また、本発明の目的は、高周波電力増幅システムの安定性を向上することにある。
また、本発明の目的は、単一電源駆動かつ低消費電力な、つまり電池での長時間の使用が可能な移動体通信端末の出力を大きくし、性能を向上することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
発明の開示
（１）本発明の電力増幅システムは、ソース端子が接地されたショットキ障壁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ；Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を増幅素子として使用し、単一極性の電源からドレインバイアス電圧および０Ｖないし低い順方向のゲートバイアス電圧が供給され、ゲートバイアス電圧に重畳して加えられた入力信号をドレイン電流の変化として増幅出力する電力増幅システムであって、ＭＥＳＦＥＴは、ソース端子を接地してゲート端子に順方向の直流ゲート電圧を加えた場合に、ゲート幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡを越える直流ゲート電圧の値が、０．６５Ｖ以上のものである。
従来技術におけるＭＥＳＦＥＴのゲート電極としてはタングステンシリサイドが多く用いられ、ゲート材料を変更してもショットキ障壁φＢは大きく変化しないことは前記したとおりである。このようなショットキ障壁φＢの評価方法として、本発明者らは、ソース端子を接地してゲート端子に順方向の直流ゲート電圧を加えた場合に、ゲート幅１００μｍあたりのゲート電流値が１００μＡを越える直流ゲート電圧の値をφＢに強く関係するＶｆとして定義する概念を導入した。
すなわち、ゲートとソースと間はショットキ接合されており、ソースが接地されているためゲート端子に順方向電圧（ｎチャネルＭＥＳＦＥＴの場合には正電圧）を加えるとゲート端子には順方向電流密度Ｊが流れる。前記のとおり、
Ｊ＝Ａ＊Ｔ２ｅｘｐ（−ｑφＢ／ｋＴ）（ｅｘｐ（ｑＶ／ｎｋＴ）−１）、
であり、ｑＶ／ｎｋＴ＞３が成立する条件、つまりある程度のゲート電圧Ｖが加えられた状態では、
Ｊ＝Ａ＊Ｔ２ｅｘｐ（−ｑφＢ／ｋＴ）ｅｘｐ（ｑＶ／ｎｋＴ）
＝α・ｅｘｐ（−βφＢ）ｅｘｐ（βＶ／ｎ）
ただし、α＝Ａ＊＊Ｔ２、β＝ｑ／ｋＴ、とする。よって、上式の自然対数をとれば、
Ｖ＝ｎφＢ＋（ｎ／β）ｌｎ（Ｊ／α）
Ｖｆを上記の通り定義し、ｎ＝１と仮定すれば、
Ｖｆ＝φＢ＋（１／β）ｌｎ（Ｊ０／α）
ただし、Ｊ０は、ゲート幅１００μｍあたり１００μＡに相当するゲート電流密度である。本発明者らの実験検討によれば、（１／β）ｌｎ（Ｊ０／α）＝０と近似でき、よって、Ｖｆ＝φＢ、となる。
このような定義に基づいて、従来技術特に移動体通信端末に多く用いられているＭＥＳＦＥＴのＶｆを評価したところ、ＧａＡｓ上にタングステンシリサイドでゲート電極を形成した場合、Ｖｆ＝０．５６Ｖであり、Ｖｆの値は大きくても０．６Ｖであることが判明した。
そこで、本発明は、このような定義におけるＶｆを０．６５Ｖ以上とすることによって、入力信号として加えることができるゲート電圧の範囲を広くして、増幅出力として取り出せるドレイン電流の振幅を大きくするものである。すなわち、本発明によれば、ＭＥＳＦＥＴを用いた電力増幅システムの出力あるいは利得を大きくしてシステム全体の性能を向上することができる。
本発明の電力増幅システムの出力あるいは利得を大きくできる点を図１〜図３を用いて説明する。
図１〜図３は本発明の電力増幅システムにおけるソース接地ｎチャネルＭＥＳＦＥＴの動作を説明するための特性曲線を示したグラフであり、図１は、ゲート電圧（Ｖｇ）−ゲート電流（Ｉｇ）特性を示したグラフ、図２は、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を示したグラフ、図３は、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）−ドレイン電流（Ｉｄｓ）特性および負荷曲線を示したグラフである。
図１において、ショットキ障壁φＢが大きい場合のＶｇ−Ｉｇ曲線１は、本発明を適用した場合のＭＥＳＦＥＴを示す。一方、ショットキ障壁φＢが小さい場合のＶｇ−Ｉｇ曲線２は、本発明者らが検討した比較例のＭＥＳＦＥＴを示す。前記したＶｆの定義から、ゲート幅１００μｍあたりに１００μＡの電流に相当する電流値Ｉｇ０となる電圧は、曲線１の場合Ｖｆ１であり、曲線２の場合Ｖｆ２となる。本発明者らの実験検討によれば、たとえば、Ｖｆ２は約０．６Ｖであり、Ｖｆ１は０．７Ｖとなる。
このようなＶｇ−Ｉｇ特性から、Ｖｇ−Ｉｄ特性は図２に示すようになる。曲線３は、本発明を適用した場合のＭＥＳＦＥＴのＶｇ−Ｉｄ特性であり、ＶｇがＶｔｈを越えるあたりからＩｄが流れはじめ、Ｖｍａｘ１まではＶｇの増加に応じてＩｄは増加する。そして、Ｖｍａｘ１を越えるあたりからＩｄは飽和する。Ｖｍａｘ１は前記したとおりほぼＶｆ１となる。一方、比較例のＭＥＳＦＥＴの場合は、曲線４で示され、ＶｇがＶｔｈを越えるあたりからＩｄが流れはじめる点は同様であるが、Ｖｍａｘ２を越えるとＩｄは飽和する。Ｖｍａｘ２は、Ｖｆの定義よりほぼＶｆ２である。図２には入力および出力信号も同時に示している。ゲートバイアス電圧をＶ０とすれば、ゲート電圧としてゲートバイアス電圧に加えることができる入力信号の最大値は、本発明を適用する場合にはＶｍａｘ１であり、比較例の場合にはＶｍａｘ２である。したがって、出力信号であるドレイン電流の最大値は、本発明を適用する場合にはＩｍａｘ１となり、比較例の場合にはＩｍａｘ２となる。つまり、出力として取り出すことができる本発明のドレイン電流は、比較例と比べてＩｍａｘ２からＩｍａｘ１に増加することとなる。
これを、負荷曲線で示せば図３のようになる。すなわち、本発明を適用したＭＥＳＦＥＴの負荷曲線５は、ゲート電圧Ｖｇを約０．７Ｖまでかけられるため、ドレイン電流をＩｍａｘ１まで駆動することができ、一方、比較例のＭＥＳＦＥＴの負荷曲線６では、ゲート電圧Ｖｇを約０．６Ｖまでしかかけられないため、ドレイン電流をＩｍａｘ２までしか駆動できない。この結果、本発明を適用すれば、比較例と比べて、Ｉｍａｘ１−Ｉｍａｘ２に相当する分の負過電流を増加することができ、出力を増加することができる。
なお、本発明者らの実験検討によれば、従来技術のＭＥＳＦＥＴのＶｆは約０．６Ｖとなることは前記したとおりであるが、たとえば昭和６１年１月３０日、日刊工業新聞社発行、「化合物半導体」、ｐ１６５に記載されているφＢの値（ＷＳｉについてはφＢ＝０．７５）よりも低い値となっている。このように本発明者らのＶｆが文献値よりも低い値で観測されるのは以下のような理由による。すなわち、文献値の観察は、真空雰囲気下での劈開直後に電極形成する場合が多く、非常に清浄な表面が保たれた状態での観測値である。これに対し、本発明者らのＶｆは、実デバイスにおける観測値であり、若干の表面汚染が存在する状態での観測値である。また、実デバイスではゲート電極形成後に熱処理が施され、ゲート電極を構成する金属と半導体との反応が発生する。さらに、実デバイスでは、ゲート長の短い場合が多く、このような場合にはゲートエッジの効果が入ってきて、エッジ効果に起因するリーク電流が発生する場合がある。これらの要因が重なり合って結局Ｖｆが文献値よりも低い値で観測されることとなる。
また、前記ＭＥＳＦＥＴは、浅いデプレッション型またはエンハンスメント型のＭＥＳＦＥＴとすることができる。浅いデプレッション型またはエンハンスメント型のＭＥＳＦＥＴでは、ゲートバイアス電圧を０Ｖないし低い順方向の電圧を印加するものであり、特に単一電源で駆動する場合に重要な技術であるが、このような場合であっても、本発明ではゲート電圧をＶｆ１（Ｖｍａｘ１）まで加えることができるため、十分な出力を確保して単一電源で駆動する電力増幅システムのデメリットを補うことができる。
また、前記ＭＥＳＦＥＴのチャネル領域は、直接遷移型の化合物半導体からなるものである。このような電力増幅システムによれば、直接遷移型の化合物半導体の高いキャリア移動度を生かして高速動作可能な電源増幅システムを構成することができる。特に、電子をキャリアとするｎチャネル形ＭＥＳＦＥＴは、高速化に対して最も有効であり、１ＧＨｚ以上の高周波信号の増幅に適用できる。
なお、直接遷移型の化合物半導体としては、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）、あるいはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を例示できる。
（２）本発明の電力増幅システムは、前記した電力増幅システムにおいて、ゲートバイアス電圧を供給する回路に、リップルフィルタコンデンサを備えたものである。
このようにゲートバイアス電圧供給回路にリップルフィルタコンデンサを備えることにより、電力増幅システムの安定性を向上できる。すなわち、本発明の電力増幅システムでは、ゲートバイアス電圧に重畳して入力信号を加えると、ドレイン電流を出力電流として取り出すことができるが、このドレイン電流を供給する電源は単一極性の単一電源であり、この電源からはゲートバイアス電圧をも生成する。ドレイン電流Ｉｄが電源から供給されると、電源の内部抵抗ｒに起因してｒ・Ｉｄの電圧降下が電源端子に発生し、ゲートバイアス電圧の発生回路にもこの電圧降下の影響が生ずることとなる。特に、本発明の電力増幅システムでは、ゲート電圧の印加可能範囲を広げて出力として取り出すことのできるドレイン電流を増加しているため、電圧降下ｒ・Ｉｄの影響は大きくなる。そこで、本発明では、特にゲートバイアス電圧の発生回路にリップルフィルタコンデンサを備え付けてゲートバイアス電圧への高周波ノイズの重畳を防止し、ゲートバイアス電圧の安定化を図るものである。これにより電力増幅システムの安定化を図ることができる。また、本発明の電力増幅システムでは、単一極性電源の要求から、ゲート電圧の印加可能範囲が狭くなっている。このため、入力電圧信号の振幅が小さくならざるを得ず、入力信号に対するゲートバイアス電圧の安定性も相対的に厳しくなるため、本発明のリップルフィルタコンデンサの効果はより大きくなる。
なお、リップルフィルタコンデンサは、ＭＥＳＦＥＴが形成された半導体基板の外部に備えられる。リップルフィルタコンデンサの具体的な容量値は後に説明するが、一般に大きく、半導体基板上にＩＣ化して実現しようとすれば形成面積が大きくなり、ＩＣ化のコストが高くなる。よって、リップルフィルタコンデンサを半導体基板の外部に分離して備えることにより、より低価格に電力増幅システムを構成することができる。
（３）本発明の電力増幅システムは、前記した電力増幅システムにおいて、前記ＭＥＳＦＥＴのゲート電極とチャネル領域との界面に、ゲート電極を構成する金属とチャネル領域を構成する半導体との合金層が形成されているものである。
このような電力増幅システムによれば、０．６５Ｖ以上のＶｆを有するＭＥＳＦＥＴを実現できる。従来多く用いられているＭＥＳＦＥＴではゲート電極としてタングステンシリサイド等半導体と合金を形成しにくい材料を選択して熱的安定性、あるいは製造工程における熱工程の活用を確保していた。しかし、本発明では、ゲート電極と構成する材料とチャネル領域の半導体とを積極的に熱反応させ、その界面に合金層を形成するものである。このように合金層を形成することにより、ショットキ接合は、この合金層とチャネル領域の半導体との間で形成されることとなり、チャネル領域の半導体とゲート電極金属との界面に存在する界面準位の影響を少なくすることができる。これによりピニング効果を回避して、その物質の仕事関数に応じたショットキ障壁φＢを形成することができる。これにより、ショットキ障壁φＢを大きくしてＶｆを増加するものである。また、あらかじめ合金層が形成されているため、熱的な安定性にも優れる。このため電力増幅システムの信頼性を向上できる。
また、前記合金層は、チャネル領域の表面よりも下層に形成されているものである。このように合金層をチャネル領域の表面よりも下層に形成することにより、ピニング効果の原因である界面準位の影響をより小さくすることができる。
さらに、前記金属は、タングステンシリサイドよりも大きな仕事関数を有するものとすることができる。前記したとおり、合金層と半導体との間のショットキ障壁φＢは、ピニング効果が抑制された状態では合金層の仕事関数で決まる。このため、前記した手法によりピニング効果を抑制した上で、さらに、金属をタングステンシリサイドよりも大きな仕事関数を有するものとすることにより、ショットキ障壁φＢを大きくして０．６５Ｖ以上のＶｆを得ることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）の何れかの金属とすることができる。これら金属はそれ自体仕事関数が大きなものであり、また、半導体材料たとえばヒ素とそれら金属との合金も仕事関数が大きく、たとえば白金ヒ素（ＰｔＡｓ）とＧａＡｓとの接合界面では大きなショットキ障壁φＢが形成される。
このようにショットキ障壁φＢを大きくすることは、チャネル間のリーク電流を低減することにも寄与する。この結果、電力増幅システムの消費電力を低減できる。
なお、前記したとおり、白金またはパラジウムにより合金層を形成することによってＶｆを大きくすることができるが、このＶｆの値はチャネル領域を構成する半導体の材料にも依存することが本発明者らの実験検討により判明している。すなわち、半導体材料としてＡｌＧａＡｓを用い、たとえば白金によりゲート電極を構成した場合には、Ｖｆは少なくとも０．７０Ｖ以上であり、通常は０．７５Ｖ程度となる。また、半導体材料としてＧａＡｓを用い、たとえば白金によりゲート電極を構成した場合には、Ｖｆは少なくとも０．６５Ｖ以上であり、通常は０．６７Ｖ〜０．７３Ｖの範囲となる。このようにＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとでＶｆの値に相違が見られるのは、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの電子親和力の相違に基づくと考えられる。また、同じＧａＡｓであってもＶｆが０．６７Ｖ〜０．７３Ｖの範囲に分布するのは、白金厚さの相違に基づく。つまり、白金が７０〜８０Åと薄い場合にはＶｆが０．６７Ｖ〜０．６９Ｖとなり、白金が３００Åと厚い場合にはＶｆが０．７２Ｖ〜０．７３Ｖになる。
（４）本発明の電力増幅システムは、前記した電力増幅システムであって、ＭＥＳＦＥＴが半導体基板ごとに分離して形成され、ＭＥＳＦＥＴと受動素子とが各々別個に構成されているもの、または、ＭＥＳＦＥＴおよび増幅回路を構成する受動素子が１つの半導体基板に形成されているもの、または、ＭＥＳＦＥＴ、増幅回路を構成する受動素子および増幅回路の出力整合回路が１つの半導体基板に形成されているものである。
すなわち、本発明の電力増幅システムは、ディスクリートに構成することかでき、増幅回路の部分のみをＩＣ（いわゆるＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ＩＣ））化することができ、また、出力整合回路を含めてＩＣ化することができる。
（５）本発明の移動体通信端末装置は、高周波信号を増幅して出力し、その能動素子として化合物半導体ＭＥＳＦＥＴをソース接地で用いる電力増幅回路と、化合物半導体ＭＥＳＦＥＴにドレインバイアス電圧およびゲートバイアス電圧を供給する単一極性の電源と、電力増幅回路の出力整合回路とを有する移動体通信端末装置であって、化合物半導体ＭＥＳＦＥＴは、そのソース端子を接地してゲート端子に順方向ゲート電圧を印加した場合に、ゲート幅１００μｍあたりのゲート電流が１００μＡを越える順方向ゲート電圧が０．６５Ｖ以上となるものである。
また、前記ゲートバイアス電圧の供給回路には、ＭＥＳＦＥＴが形成された半導体基板の外部にリップルフィルタコンデンサを備えることができ、さらに、前記化合物半導体ＭＥＳＦＥＴは、そのゲート電極と化合物半導体からなるチャネル領域との界面に、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）と化合物半導体との合金層が形成されたものとすることができる。
このような移動体通信端末装置によれば、単一極性の電源を用いて電力増幅回路を駆動することができ、また、電力増幅回路の出力を大きくして移動体通信端末装置の性能を向上できる。
以上開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単にまとめて説明すれば以下のとおりである。
（１）単一電源駆動を前提とした高周波電力増幅システムの利得を向上できる。
（２）高周波電力増幅システムの消費電力を低減できる。
（３）高周波電力増幅システムの安定性を向上できる。
（４）単一電源駆動かつ低消費電力な、つまり電池での長時間の使用が可能な移動体通信端末の出力を大きくし、性能を向上できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図４は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置の一例を示した構成図である。
本実施形態の移動体通信端末装置は、送信する高周波信号を電力増幅する高周波電力増幅回路部１０と、増幅された高周波信号をインピーダンス整合して出力する出力整合回路部１１と高周波電力増幅回路部にゲートバイアス電圧を給電するゲートバイアス電圧回路部１２とを有する電力増幅システム、高周波受信プリアンプＡＭＰ、分波器（またはアンテナ切換器）ＳＷ、無線送受信アンテナＡＮＴ、送信側周波数変換回路（アップバータ）ＵＢ、受信側周波数変換回路（ダウンバータ）ＤＢ、周波数変換用のローカル信号を発生する周波数合成回路ＭＸ、送受信インタフェース（ＩＦ）部を含むベースバンドユニットＢＢＵ、論理制御ユニットＬＣＵ、操作部および表示部を含む操作パネルＯＰ、送話器と受話器からなるヘッドセットＨＳ、および装置全体の動作電源Ｖｄｄを供給する内蔵電池などからなる。本実施形態では単一の内蔵電池が電源として備えられており、出力電圧３．５Ｖのリチュウム電池を例示できる。
高周波受信プリアンプＡＭＰは、無線送受信アンテナＡＮＴで受けた無線信号を増幅し、増幅された受信信号は受信側周波数変換回路（ダウンバータ）ＤＢで低周波信号に変換されてベースバンドユニットＢＢＵに伝送される。ベースバンドユニットＢＢＵでは、低周波受信信号を信号処理してＩＦ部を介してヘッドセットＨＳに送り、ヘッドセットＨＳの受話器で音声信号として出力される。
一方、ヘッドセットＨＳの送話器で検出された音声信号は、ＩＦ部を介してベースバンドユニットＢＢＵに伝送され、ベースバンドユニットＢＢＵで信号処理されて、送信側周波数変換回路（アップバータ）ＵＢで高周波送信信号に変換される。高周波送信信号は電力増幅システムの入力Ｉｎに入力されて電力増幅され、増幅された高周波出力信号は、電力増幅システムの出力整合回路部１１でインピーダンス整合されて無線送受信アンテナＡＮＴに送信される。
無線送受信アンテナＡＮＴは送信信号および受信信号の双方が入出力されるため、分波器（またはアンテナ切換器）ＳＷで送信あるいは受信信号が分渡される。また、論理制御ユニットＬＣＵは操作パネルＯＰからの操作に従ってベースバンドユニットＢＢＵおよび周波数合成回路ＭＸを制御し、操作パネルＯＰの表示部に必要な情報を表示する。
本実施形態の電力増幅システムは、高周波電力増幅回路部１０、出力整合回路部１１、ゲートバイアス電圧回路部１２を有する。
高周波電力増幅回路部１０は、前段１０ａおよび終段１０ｂからなる多段で構成される。
前段１０ａは、ソース接地のエンハンスメント型ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴＪ２と抵抗Ｒ１１、コンデンサＣ１１、Ｃ１２およびインダクタＬ１からなる入力回路部とからなる。抵抗Ｒ１１、コンデンサＣ１１およびインダクタＬ１は直列に接続され、一端は入力Ｉｎとなり、他端はＭＥＳＦＥＴＪ２のゲートに接続される。コンデンサＣ１２の一端は接地され、前段１０ａの入力を交流的に接地する。ＭＥＳＦＥＴＪ２のドレインは、負荷インピーダンスとなるインダクタＬ３１に接続され、後段１０ｂの入力となる。
後段１０ｂは、ソース接地のエンハンスメント型ＧａＡｓ・ＭＥＳＦＥＴＪ１とコンデンサＣ２１、Ｃ２２とからなる。コンデンサＣ２１は前段１０ａの出力であるＭＥＳＦＥＴＪ２のドレインとＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートとの間に直列に接続され、前段１０ａと後段１０ｂとを直流的に分離する。コンデンサＣ２２の一端は接地され、後段１０ｂの入力を交流的に接地する。ＭＥＳＦＥＴＪ１のドレインは、負荷インピーダンスの一部となるストリップ素子Ｓ１に接続され、また、後段１０ｂの出力すなわち高周波電力増幅回路部１０の出力として出力整合回路部１１の入力となる。
ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のドレインは、各々ストリップ素子Ｓ１およびインダクタＬ３１を介して電源電位Ｖｄｄに接続される。電源ラインには電位安定化のため大きな容量のコンデンサＣ３（たとえば２０００ｐＦ）が接続される。
出力整合回路部１１は、ストリップ素子Ｓ１、Ｓ２、抵抗Ｒ３１、コンデンサＣ３１、Ｃ３２とからなる。出力整合回路部１１は特性インピーダンスが５０Ωとなるように調整される。
ゲートバイアス電圧回路部１２は、電源電位Ｖｄｄからのプルアップ抵抗Ｒ４２、ゲートバイアス電圧Ｖｇｇを決める抵抗Ｒ４１、ゲートバイアス電圧Ｖｇｇのラインと接地間に接続されたリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２とからなる。また、ゲートバイアス電圧Ｖｇｇは、各々抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２の各々のゲートに加えられる。
また、本実施形態の高周波電力増幅回路部１０は、モノリシックマイクロ波集積回路ＭＭＩＣとして構成されている。すなわち、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２が形成されたＧａＡｓ基板上に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｌ１が形成されＩＣ化されている。Ｒ１等の抵抗は、エピタキシャル層やイオン注入層を利用した半導体抵抗、あるいは金属被膜抵抗を例示できる。Ｃ１１等のコンデンサは、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）容量、インクデジタル容量等を例示できる。Ｌ１のインダクタは、メアンダラインまたはスパイラルラインインダクタ等を例示できる。
上記回路の具体的な数値を例示すれば以下の通りである。すなわち、Ｒ１１＝１５Ω、Ｃ１１＝３．０ｐＦ、Ｃ１２＝１．４〜１．６ｐＦ、Ｌ１＝２〜１５ｎＨ（好適には５ｎＨ）、Ｒ２＝４００Ω、Ｃ２１＝３〜５ｐＦ（好適には３．９ｐＦ）、Ｒ１＝１００Ω、Ｃ１１＝０．５ｐＦ、Ｌ３１＝０．０１ｎＨ、Ｒ３１＝１Ω、Ｃ３１＝５ｐＦ、Ｃ３２＝８ｐＦ、Ｒ４１＝０．２ｋΩ、Ｒ４２＝３．３ｋΩである。
次に、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２の構造を図５を用いて説明する。図５は、実施形態の電力増幅システムに用いられるＧａＡｓ・ｎチャネルＭＥＳＦＥＴの一例を示した断面図である。
ＧａＡｓ基板３１上にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとが複数層積層されたバッファ層３２が形成され、チャネルとなるＩｎＧａＡｓ層３３および電子供給層であるｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４がその上層に形成されている。
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４上に一部を開口してソース・ドレイン領域のｎ型ＧａＡｓ層３５が形成され、ｎ型ＧａＡｓ層３５の間のｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４上にゲート電極３６が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ層３５の上面には金（Ａｕ）を主成分とする材料によりソース・ドレイン電極３７が形成されている。
ソース・ドレイン電極３７およびゲート電極３６は、たとえばシリコン酸化膜からなる絶縁膜３８で覆われ、絶縁膜３８に開口された接続孔に配線３９が形成されている。さらに、配線３９は、たとえばシリコン酸化膜からなる保護絶縁膜４０で覆われている。
パッファ層３２、ＩｎＧａＡｓ層３３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４およびｎ型ＧａＡｓ層３５は、たとえばエピタキシャル成長法により堆積することができる。ｎ型ＧａＡｓ層３５上にソース・ドレイン電極３７となる金属を堆積して所定の形状にエッチング加工し、熱処理をしてオーミックコンタクトをとった後、ｎ型ＧａＡｓ層３５を所定の形状にエッチング加工し、ゲート電極３６となる金属膜を堆積してエッチング加工してゲート電極３６を形成することができる。その後、ｎ型ＧａＡｓ層３５、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４、ＩｎＧａＡｓ層３３およびバッファ層３２をエッチングして絶縁膜３８を堆積し、所定の位置に接続孔を形成して配線３９となる金属膜を堆積し、これをパターニングそて配線３９を形成し、さらに保護絶縁膜４０を堆積して上記ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２を形成することができる。
上記ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲート電極３６は、少なくとも白金を有する金属膜で構成し、たとえば、下層から白金／チタン／モリブデン／チタン／白金／金の順に堆積された積層膜とすることができる。また、ゲート電極３６の加工形成後に熱処理を行って、白金をｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４と反応させ、白金とヒ素との合金層３６ｂを形成する。この合金層３６ｂは、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４の表面よりもチャネル側に沈み込んだ状態となっている。
このように、ゲート電極３６の構成層に少なくとも白金を含み、白金とヒ素との合金層３６ｂを形成することにより、ゲート電極３６とＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のチャネルとの間に形成されるショットキ接合のショットキ障壁を大きくすることができる。これにより、前記したＶｆを大きくすることができる。また、合金層３６ｂがｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４の表面よりもチャネル側に沈み込んだ状態となっているため、表面の表面準位の影響を少なくしてピニング効果を抑制し、ショットキ障壁を大きくすることができる。
このようにして形成されたＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２の、前記定義によるＶｆは、本発明者らの実験では０．７５Ｖという値が得られている。この値は、代表的なＭＥＳＦＥＴであるタングステンシリサイドをゲート電極とする場合の０．６Ｖよりも大きくなっている。このため、０．０５Ｖのマージンを見込んでもゲート電圧を０．７Ｖまでかけることができ、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のドレイン電流を大きくすることが可能となって、電力増幅システムの利得および出力を向上し、移動体通信端末装置の性能を向上できる。
また、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲート電極３６は熱処理して形成されており、合金層３６ｂをｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４の表面よりもチャネル側に沈み込んだ状態として表面準位の影響を少なくしているため、熱的に安定であり、電力増幅システムおよび移動体通信端末装置の信頼性を向上できる。
なお、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲート幅は各々３２ｍｍおよび８ｍｍとすることができる。
次に、電力増幅システムの動作について説明する。
送信側周波数変換回路（アップバータ）ＵＢから出力された高周波信号は、高周波電力増幅回路部１０の入力として入力Ｉｎに加えられる。高周波入力信号は、抵抗Ｒ１１およびインダクタＬ１でインピーダンス調整され、直流のゲートバイアス電圧Ｖｇｇに重畳されててＭＥＳＦＥＴＪ２のゲートに加えらえれる。このとき、ゲートバイアス電圧ＶｇｇはコンデンサＣ１１、Ｃ１２によって直流的に入力Ｉｎおよび接地電位から遮断され、ＭＥＳＦＥＴＪ２のゲートにバイアスとしてが加えられることが確保されている。また、高周波入力信号はコンデンサＣ１２によって高周波的に接地される。
ＭＥＳＦＥＴＪ２のゲートに加えられたゲート電圧に応じて、ＭＥＳＦＥＴＪ２のドレイン電流Ｉｄ２が流れる。これは図２を用いて説明したとおりである。このとき、ドレイン電流Ｉｄ２は、ゲート電圧に印加できる電圧が０．７Ｖであるため、大きな電流とすることができる。
ＭＥＳＦＥＴＪ２のドレインはインダクタＬ３１で電源電位Ｖｄｄにプルアップされているため、ドレイン電流Ｉｄ２に応じたドレイン電圧Ｖｄ２（つまり高周波入力信号が増幅された増幅信号）を生じる。ドレイン電圧Ｖｄ２は、高周波入力信号が増幅された前段１０ａの増幅信号であり、後段１０ｂの入力としてＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートに加えられる。
ＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートには、ドレイン電圧Ｖｄ２とゲートバイアス電圧Ｖｇｇが重畳されたゲート電圧が加えられる。ゲートバイアス電圧ＶｇｇはコンデンサＣ２１、Ｃ２２によって直流的に前段１０ａおよび接地電位から遮断され、ＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートにバイアスとしてが加えられることが確保されている。また、ドレイン電圧Ｖｄ２はコンデンサＣ２２によって高周波的に接地される。
ＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートに加えられたゲート電圧の応じて、ＭＥＳＦＥＴＪ１のドレイン電流Ｉｄ１が流れる。これも図２を用いて説明したとおりである。このとき、ドレイン電流Ｉｄ１は、ゲート電圧に印加できる電圧が０．７Ｖであるため、大きな電流とすることができる。
ＭＥＳＦＥＴＪ１のドレインはストリップ素子Ｓ１で電源電位Ｖｄｄにプルアップされているため、ドレイン電流Ｉｄ１に応じたドレイン電圧Ｖｄ１を生じる。ドレイン電圧Ｖｄ１は、後段１０ｂの入力信号であるドレイン電圧Ｖｄ２が増幅された高周波電力増幅回路部１０の増幅信号である。
ドレイン電流Ｉｄ１およびドレイン電圧Ｖｄ１で表される高周波信号が、無線送受信アンテナＡＮＴに効率よく電力供給されるように、出力整合回路部１１が設けられている。出力整合回路部１１の動作はよく知られているように、高周波電力増幅回路部１０の出力インピーダンスとＡＮＴの入力インピーダンスとが整合するように設計される。
本実施形態では、ゲートバイアス電圧回路部１２にリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２が備えられていることも本発明の特徴の一つである。
本実施形態では、電源として単一極性の電池のみが備えられているため、ゲートバイアス電圧Ｖｇｇは電源電位Ｖｄｄから生成される。ゲートバイアス電圧Ｖｇｇは、プルアップ抵抗Ｒ４２と抵抗Ｒ４１との直列接続によるＲ４１の両端電圧によって生成する。Ｒ４２とＲ４１の抵抗値が各々３．３ｋΩと０．２ｋΩであることから、Ｖｇｇ＝０．２・Ｖｄｄ／（３．３＋０．２）、となり、Ｖｄｄ＝＋３．５Ｖであるから、Ｖｇｇ＝０．２Ｖとなる。
ただし、ＶｇｇはＶｄｄから生成されるため、Ｖｄｄの変動がそのままＶｇｇの変動として発生することとなる。すなわち、本実施形態では、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のドレイン電流Ｉｄ１、Ｉｄ２が大きくなっているため、電池に流れる電流（Ｉｄ１＋Ｉｄ２）も大きくなり、電池の内部抵抗ｒに起因して、ｒ・（Ｉｄ１＋Ｉｄ２）の電位降下が発生する。この電位降下は、高周波電圧変動（ノイズ）としてそのまま抵抗分圧によるＶｇｇに重畳されることとなる。そこで、本実施形態では、リップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２を備えてこのノイズをフィルタリングする。
Ｃ１、Ｃ２の値は、各々５５ｐＦ、１０００ｐＦとすることができる。高周波ノイズの周波数を１．９ＧＨｚとすると、コンデンサＣ１のインピーダンスは、Ｚ＝１／（２πｆ・Ｃ）より、約１．５Ωとなる。この値は、ＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートに対しては、それに接続される抵抗Ｒ１＝１００Ωとの比から、９８％以上の高周波ノイズを接地に流すことができ、ＭＥＳＦＥＴＪ２のゲートに対しては、それに接続される抵抗Ｒ１＝４００Ωとの比から、９９．５％以上の高周波ノイズを接地に流すことができることを意味する。
また、コンデンサＣ２のインピーダンスは、ｆ＝１．９ＧＨｚでは理論上さらに低いインピーダンスとなるが、実際には容量値が１０００ｐＦと大きいため、直列抵抗およびインダクタの影響が入ってくる。このため、ｆ＝１．９ＧＨｚでは、ほぼ５Ω程度となり、フィルタの効果はあまりない。しかしながら、ｆ＝１．９ＧＨｚよりも低い周波数のノイズに対して、たとえばｆ＝０．１９ＧＨｚに対しては０．８Ω程度となり、ＭＥＳＦＥＴＪ１のゲートに対しても約９８％以上の高周波ノイズを接地に流すことができる。
したがって、このようなリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２でゲートバイアス電圧Ｖｇｇのラインが接地電位に接続されているため、高周波ノイズは、リップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２を伝わって接地に流れ、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲートにかかるゲートバイアス電圧Ｖｇｇを安定化して電力増幅システムの増幅動作を安定化することができる。これにより、移動体通信端末装置の高性能化を図ることができる。特に本実施形態の電力増幅システムでは、ゲートにかけることができる電圧範囲が深いデプレッション型のＭＥＳＦＥＴに比べて狭いため、ゲートバイアス電圧の安定性は重要であり、本実施形態のリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２は有効である。
なお、前記したリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の値は、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲートに接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２の値との関係で変更することは容易である。したがって、前記したリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の値は、これに固定されるものではなく、抵抗Ｒ１、Ｒ２の値に応じて変更することができることはいうまでもない。また、要求される安定性に応じてリップルフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の値が変更できることももちろんである。
上記した電力増幅システムで、どの程度の電力増幅効率の改善がなされるかを具体的に数値を示して説明する。
たとえば、比較されるＭＥＳＦＥＴのＶｆが０．６５Ｖである場合、本実施形態のＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のＶｆが０．７５Ｖであるため、比較される電力増幅システムの出力が１．２Ｗと仮定すると、本実施形態の電力増幅システムの出力は、
（（０．７−０．２）２／（０．６−０．２）２）×１．２Ｗ＝１．８Ｗ
となる。ただし、Ｖｆのばらつきを考えて、ゲート電圧の振幅は比較例と本実施形態の場合とで各々０．６０Ｖおよび０．７０Ｖとした。
このように、本実施形態の電力増幅システムによれば、５０％の出力の増加を図ることが可能である。
図６は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置の他の例を示した構成図である。図６に示す電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置は、前記した図４に示す場合とその機能においてほぼ同様である。ただし、高周波電力増幅回路部１０と出力整合回路部１１とがＭＭＩＣとして構成されている点が異なる。ゲートバイアス電圧回路部１２はＭＭＩＣの外部に設置される。このような電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置においては、前記した図４に示す場合と同様の効果に加えて、システムの実装領域の縮小と組立製造工程の簡略化を図ることができる。
また、図７は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置のさらに他の例を示した構成図である。図７に示す電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置も、前記した図４に示す場合とその機能においてほぼ同様である。ただし、高周波電力増幅回路部１０をＭＭＩＣとして構成せず、各素子が別個独立に構成されているものである点で異なる。このような電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置においても、前記した図４に示す場合と同様の効果が得られる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
たとえば、ＭＥＳＦＥＴＪ１、Ｊ２のゲート電極３６の材料として白金を例示しているが、仕事関数がタングステンシリサイドよりも大きな材料であればこれに限定されるものではなく、たとえばパラジウム（Ｐｄ）であってもよい。
また、前記した実施形態では、チャネル部の電子供給層３４をＡｌＧａＡｓとしたが、電子供給層３４をＧａＡｓとし、ゲート電極３６を前記実施形態と同様に、下層から白金／チタン／モリブデン／チタン／白金／金としてもよい。このとき、前記の定義によるＶｆは、０．６７Ｖ〜０．７３Ｖとなる。このような場合であっても、ＧａＡｓ上に形成されたゲート電極をタングステンシリサイドとする従来技術と比較して０．１Ｖ程度高いＶｆが得られ、前記同様の効果を得ることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明の電力増幅システムおよび移動体通信端末装置は、単一電源であっても十分に大きな出力を得ることができる高周波の増幅システムを提供するものであり、特に電池での長時間使用をすることができるＰＤＣ、ＰＨＳ等の移動体通信端末装置に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
図１〜図３は本発明の電力増幅システムにおけるソース接地ｎチャネルＭＥＳＦＥＴの動作を説明するための特性曲線を示したグラフであり、図１は、ゲート電圧（Ｖｇ）−ゲート電流（Ｉｇ）特性を示したグラフ、図２は、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を示したグラフ、図３は、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）−ドレイン電流（Ｉｄｓ）特性および負荷曲線を示したグラフである。図４は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置の一例を示した構成図である。図５は、実施形態の電力増幅システムに用いられるＧａＡｓ・ｎチャネルＭＥＳＦＥＴの一例を示した断面図である。図６は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置の他の例を示した構成図である。図７は、本発明の電力増幅システムおよびそれが適用された移動体通信端末装置のさらに他の例を示した構成図である。
【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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