(57)【要約】      （修正有）【課題】エミッタとコレクタとの間寄生容量を抑えるとともに、高周波で高電力の出力を行っても熱上昇を抑える電力増幅回路を提供する。【解決手段】エミッタ又はコレクタが配線される下層メタル１１と、コレクタ又はエミッタが配線される上層メタル１２と、を備える。上層メタル１２を面積的に間引き、上層メタル１２を間引いた領域に下層メタル１１の配線を上層メタル１２の高さまで引き出した。【選択図】図１
2016111100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタまたはコレクタが配線される下層メタルと、
前記下層メタルの上部に形成され、コレクタまたはエミッタが配線される上層メタルと、
を備え、
前記上層メタルを面積的に間引き、前記上層メタルを間引いた領域に前記下層メタルの配線を引き出したことを特徴とする、高周波増幅回路。
【請求項２】
前記下層メタルから引き出される配線は、グランドのバックビアの上に位置することを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項３】
前記下層メタルから引き出される配線は、間引かれた前記上層メタルに少なくとも三方が囲まれた領域に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項４】
前記下層メタルから引き出される配線は、前記上層メタルの高さまで引き出されることを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項５】
前記下層メタルから引き出される配線にパッドを形成し、前記パッド間をワイヤボンドで接続したことを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項６】
前記下層メタルから引き出される配線にパッドを形成し、前記パッド間をメタル配線で接続したことを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の高周波増幅回路を備えることを特徴とする、通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅回路及び通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオード（ｄｉｏｄｅ）やトランジスタ（ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体装置、および、これら半導体装置の駆動制御回路を一つのシリコン基板上に集積した半導体集積回路（（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＩＣ）が開発されている。
【０００３】
携帯電話等で、無線通信を行なうアンテナに接続される電力増幅器のトランジスタは、高周波で高電力の出力が要求される。高周波で高電力の出力を実現するための半導体ＩＣでは、小さな寸法で同一レイアウトパターン（ｌａｙｏｕｔ  ｐａｔｔｅｒｎ）のバイポーラトランジスタ（ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を複数個並べることで、高電力の出力を得ることが多い。そのバイポーラトランジスタにおいて高電力を出力する際に、大きな熱が発生する。その熱が複数個並べたバイポーラトランジスタ間で不均一になり、一部のトランジスタだけ熱的に発振するといったような動作上不安定になる不具合が知られている。
【０００４】
そこで、バイポーラトランジスタで発生した熱を、バイポーラトランジスタ間で均一にするための技術が提案されている。例えば非特許文献１には、バイポーラトランジスタのエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）配線を、バイポーラトランジスタのパターン領域の直上の最上層に厚膜メタル（ｍｅｔａｌ）層を形成することで、均一に並べられたバイポーラトランジスタ群を熱的に均一にし、かつ熱を抑えるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Microwave Symposium Digest, 1997., IEEE MTT-S International,pp949-952 vol.2, Power performance of thermally-shunted heterojunction bipolartransistors, Jenkins, T. et.al.,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記非特許文献１で開示された従来技術を用いても、コスト上や実装上の要求から、半導体ＩＣの寸法を小さくするためにトランジスタの密度を上げなければならず、トランジスタの密度の上昇に伴って、熱上昇を抑えることが難しいという問題があった。またバイポーラトランジスタの集積回路を用いて実現する電力増幅器において、高電力を出力する際にはエミッタとコレクタには大電流が流れるために、エミッタとコレクタは比較的太い配線にする必要がある。しかし、エミッタとコレクタを太い配線にすることにより、エミッタとコレクタとの間には大きな寄生容量が付いてしまうという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えるとともに、高周波で高電力の出力を行っても熱上昇を抑えることが可能な、新規かつ改良された電力増幅回路及び通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、エミッタまたはコレクタが配線される下層メタルと、コレクタまたはエミッタが配線される上層メタルと、を備え、前記上層メタルを面積的に間引き、前記上層メタルを間引いた領域に前記下層メタルの配線を引き出したことを特徴とする、高周波増幅回路が提供される。
【０００９】
前記下層メタルから引き出される配線は、グランドのバックビアの上に位置していてもよい。
【００１０】
前記下層メタルから引き出される配線は、間引かれた前記上層メタルに少なくとも三方が囲まれた領域に配置されていてもよい。
【００１１】
前記下層メタルから引き出される配線は、前記上層メタルの高さまで引き出されるようにしてもよい。
【００１２】
前記下層メタルから引き出される配線にパッドを形成し、前記パッド間をワイヤボンドで接続してもよい。
【００１３】
前記下層メタルから引き出される配線にパッドを形成し、前記パッド間をメタル配線で接続してもよい。
【００１４】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記高周波増幅回路を備えることを特徴とする、通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明によれば、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えるとともに、高周波で高電力の出力を行っても熱上昇を抑えることが可能な、新規かつ改良された電力増幅回路及び通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１０を平面図で示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を平面図で示す説明図である。
【図３】図２に示した高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。
【図４】高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置１０００の構成例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
＜１．背景＞
まず、本発明の実施の形態について詳細に説明する前に、本発明の実施の形態の背景について説明する。
【００１９】
上述したように、携帯電話等で、無線通信を行なうアンテナに接続される電力増幅器のトランジスタは、高周波で高電力の出力が要求される。高周波で高電力の出力を実現するための半導体ＩＣでは、小さな寸法で同一レイアウトパターンのバイポーラトランジスタを複数個並べることで、高電力の出力を得ている。
【００２０】
バイポーラトランジスタの集積回路を用いて実現する電力増幅器において、その高周波で高電力を出力するバイポーラトランジスタを、同一レイアウトパターンで複数個並べた回路において、高電力を出力する際にはエミッタ及びコレクタに大電流が流れる。エミッタ及びコレクタに大電流を流すためには、エミッタ及びコレクタは比較的太い配線にする必要がある。
【００２１】
しかし、エミッタ及びコレクタの配線を太くするにより、エミッタとコレクタとの間には大きな寄生容量が付いてしまう。出力整合回路のインピーダンス最適化により電力特性を引き出す際に、そのエミッタとコレクタとの間の寄生容量が原因で、電力特性が制限されてしまう場合がある。
【００２２】
また、高周波で高電力の出力を実現するための半導体ＩＣでは、小さな寸法で同一レイアウトパターンのバイポーラトランジスタを複数個並べることで、高電力の出力を得ることが多い。そのバイポーラトランジスタにおいて高電力を出力する際に、大きな熱が発生する。その熱が複数個並べたバイポーラトランジスタ間で不均一になり、一部のトランジスタだけ熱的に発振するといったような、動作上不安定になる不具合が知られている。
【００２３】
バイポーラトランジスタで発生した熱を、バイポーラトランジスタ間で均一にするための技術として、上記非特許文献１で開示された従来技術を用いても、コスト上や実装上の要求から、半導体ＩＣの寸法を小さくするためにトランジスタの密度を上げなければならず、熱上昇を抑えることが難しいという問題があった。
【００２４】
そこで本件発明者は、高周波で高電力の出力を実現するために、小さな寸法で同一レイアウトパターンのバイポーラトランジスタを複数個並べた場合に、バイポーラトランジスタ間で熱を均一にすることで特定のバイポーラトランジスタの熱上昇を抑えるとともに、エミッタとコレクタとの間の寄生容量も抑えることで、最大出力電力や電力効率といった電力特性を向上させることが可能な高周波増幅回路の技術について鋭意検討を行った。
【００２５】
その結果、本件発明者は、以下で説明するように、コレクタの上層メタルを所定の範囲で間引くことで、高周波で高電力の出力を実現するために、小さな寸法で同一レイアウトパターンのバイポーラトランジスタを複数個並べた場合に、バイポーラトランジスタ間で熱を均一にすることで特定のバイポーラトランジスタの熱上昇を抑えるとともに、エミッタとコレクタとの間の寄生容量も抑えることで、最大出力電力や電力効率といった電力特性を向上させることが可能な高周波増幅回路を考案するに至った。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態の背景について説明した。続いて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
＜２．本発明の一実施形態＞
以下において、本発明の実施の形態に係る高周波増幅回路の例を説明する。まず、同一レイアウトパターンのバイポーラトランジスタを複数個並べた場合に、コレクタの上層メタルを単に矩形に間引くことで、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えるとともに、バイポーラトランジスタ間で熱を均一にすることを可能にした高周波増幅回路の例を示す。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１０を平面図で示す説明図である。図１に示したのは、シリコン等の半導体基板上に下層メタル１１を形成し、下層メタル１１の上部に上層メタル１２を形成した高周波電力増幅器１０である。図１に示した高周波電力増幅器１０は、下層メタル１１をバイポーラトランジスタのエミッタ配線、上層メタル１２をコレクタ配線としている。
【００２９】
また図１には、下層メタル１１によるエミッタ及びベース１４と、上層メタル１２によるコレクタとからなる、バイポーラトランジスタパタン領域１３を示している。
【００３０】
図１に示した高周波電力増幅器１０は、上層メタル１２が下層メタル１１の上で全て覆われているのではなく、上層メタル１２を所定の範囲で間引いている。図１に示した例では、形状が長方形となるように上層メタル１２を間引いている。もちろん、図中に示した各メタルの大きさや、上層メタル１２を間引く際の形状や面積は、図１に示した例に限定されるものではない。
【００３１】
バイポーラトランジスタパタン領域１３で形成される複数のバイポーラトランジスタにおいて、高電力を出力する際に大きな熱が発生する。この熱は、高周波電力増幅器１０の両端（図面の上下端）ではあまり発生せず、中央部分に行くに連れてより多く発生するようになる。
【００３２】
上層メタル１２を間引く際には、図１に示したように、図面の上下方向で、間引かれた領域と間引かれていない領域とが交互に現れるように間引くことが望ましい。このように上層メタル１２を間引くことで、バイポーラトランジスタパタン領域１３で形成されるバイポーラトランジスタ間で熱を均一にすることが可能になる。また図１に示したように上層メタル１２を間引くことで、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えることが出来ている。
【００３３】
なお図１では、図の右側にバイポーラトランジスタパタン領域１３が設けられた高周波電力増幅器１０を示しているが、図示されていない図の左側にも、同様に、下層メタル１１によるエミッタ及びベース１４と、上層メタル１２によるコレクタとからなる、バイポーラトランジスタパタン領域が設けられても良い。
【００３４】
図１に示したように、上層メタル１２を所定の範囲で間引いていることで、図１に示した高周波電力増幅器１０は、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えることができる。この図１に示したような、上層メタル１２が所定の範囲で間引かれた高周波電力増幅器１０でも、バイポーラトランジスタ間の熱を均一にさせるとともに、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えることが可能になる。
【００３５】
別の高周波増幅回路の例を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を平面図で示す説明図である。図２に示したのは、シリコン等の半導体基板上に下層メタル１０１を形成し、下層メタル１０１の上部に上層メタル１０２を形成した高周波電力増幅器１００である。図２に示した高周波電力増幅器１００は、下層メタル１０１をバイポーラトランジスタのエミッタ配線、上層メタル１０２をコレクタ配線としている。
【００３６】
また図２には、下層メタル１０１によるエミッタ及びベース１０４と、上層メタル１０２によるコレクタとからなる、バイポーラトランジスタパタン領域１０３を示している。
【００３７】
図２に示した高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２が下層メタル１０１の上で全て覆われているのではなく、上層メタル１０２を所定の範囲で間引いている。図２に示した例では、形状が長方形となるように上層メタル１０２を間引いている。もちろん、図中に示した各メタルの大きさや、上層メタル１０２を間引く際の形状や面積は、図２に示した例に限定されるものではない。
【００３８】
さらに図２に示した高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出している。このように、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出すことで、バイポーラトランジスタパタン領域１０３で形成されるバイポーラトランジスタで発生した熱を、図１に示した高周波電力増幅器１０と比較して、さらに効率よく外部へ放出させることが可能になる。
【００３９】
なお図２に示した例では、上層メタル１０２の高さまで引き出されているエミッタ配線は、上層メタル１０２のコレクタ配線に四方を囲まれているが、エミッタ配線は、少なくとも三方がコレクタ配線に囲まれているような形態であっても良い。
【００４０】
また図２に示した高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出しているが、その上層メタル１０２の高さまで引き出すエミッタ配線は、バックビア１０５の直上となるように引き出されている。
【００４１】
図３は、図２に示した高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。図３に示したように、高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２を所定の範囲で間引かれており、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出している。もちろん、図中に示した各メタルの大きさや幅は、図に示したものに限定されるものではない。
【００４２】
さらに図３に示したように、高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２の高さまで引き出すエミッタ配線は、半導体基板１１０に形成されるバックビア１０５の直上となるように引き出されている。
【００４３】
図２及び図３に示したように、上層メタル１０２を所定の範囲で間引くとともに、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出していることで、図２及び図３に示した高周波電力増幅器１００は、エミッタとコレクタとの間の寄生容量を抑えることができる。
【００４４】
そして、図２及び図３に示した高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２を所定の範囲で間引くとともに、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出していることで、バイポーラトランジスタパタン領域１０３で形成されるバイポーラトランジスタで発生した熱を、図１に示した高周波電力増幅器１０と比較して、さらに効率よく外部へ放出させることが可能になる。
【００４５】
さらに図２及び図３に示した高周波電力増幅器１００は、半導体基板１１０に形成されるバックビア１０５の直上に位置するよう、上層メタル１０２の高さまで引き出すエミッタ配線を形成している。このようにエミッタ配線を形成することで、図２及び図３に示した高周波電力増幅器１００は、バイポーラトランジスタパタン領域１０３で形成されるバイポーラトランジスタで発生した熱をバックビア１０５へ放出することが可能となる。
【００４６】
従って図２及び図３に示した高周波電力増幅器１００は、バイポーラトランジスタパタン領域１０３で形成されるバイポーラトランジスタで発生した熱を、図１に示した高周波電力増幅器１０と比較して、さらに効率よく外部へ放出させることが可能になる。
【００４７】
高周波電力増幅器の別の例を示す。図４は、高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。図４に示したのは、図３に示した高周波電力増幅器１００の、上層メタル１０２の高さまで引き出したエミッタ配線の上に、パッド１１１を配置したものである。もちろん、図中に示した各メタルの大きさや幅は、図に示したものに限定されるものではない。
【００４８】
図４に示した高周波電力増幅器１００は、上層メタル１０２の高さまで引き出したエミッタ配線の上に形成された複数のパッド１１１の間を、例えばワイヤボンド１１２で接続することにより、図３に示した高周波電力増幅器１００と比較して、より熱的に安定して動作することができる。
【００４９】
高周波電力増幅器の別の例を示す。図５は、高周波電力増幅器１００の断面を模式的に示す説明図である。図５に示したのは、図３に示した高周波電力増幅器１００の、上層メタル１０２の高さまで引き出したエミッタ配線のさらに上層にメタル配線１２１を配置したものである。もちろん、図中に示した各メタルの大きさや幅は、図に示したものに限定されるものではない。
【００５０】
図５に示した高周波電力増幅器１００は、メタル配線１２１によって、上層メタル１０２の高さまで引き出したエミッタ配線同士を接続することにより、図３に示した高周波電力増幅器１００と比較して、より熱的に安定して動作することができる。
【００５１】
続いて、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置の構成例について説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置１０００の構成例を示す説明図である。
【００５２】
図６に示した無線通信装置１０００は、シンセサイザ１０１０と、変調回路１０２０と、高周波増幅器１０３０、１０７０と、フィルタ１０４０、１０８０と、アイソレータ１０５０と、デュプレクサ１０６０と、復調回路１０９０と、アンテナ１１００と、を含んで構成される。高周波増幅器１０３０、１０７０として、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える。
【００５３】
シンセサイザ１０１０は、変調回路１０２０での送信信号の変調や、復調回路１０９０での受信信号の復調に用いられる信号を出力する。変調回路は、供給される送信信号を所定の送信周波数の送信信号に変換する。高周波増幅器１０３０は、変調回路１０２０の出力信号を増幅する。フィルタ１０４０は、例えばバンドパスフィルタで構成され、高周波増幅器１０３０で増幅された高周波信号から、送信波帯域の信号を抽出する。アイソレータ１０５０は、フィルタ１０４０の出力信号をデュプレクサ１０６０へ一方向で供給する。
【００５４】
デュプレクサ１０６０は、アイソレータ１０５０の出力端子に接続される端子、高周波増幅器１０７０の入力端子に接続される端子、アンテナ１１００に接続される端子の３端子を有する。
【００５５】
高周波増幅器１０７０は、アンテナ１１００で受信され、デュプレクサ１０６０から出力される信号を増幅する。フィルタ１０８０は、例えばバンドパスフィルタで構成され、高周波増幅器１０７０の出力信号から送信波帯域の信号を抽出する。復調回路１０９０は、フィルタ１０８０で抽出された信号と、シンセサイザ１０１０から供給される局部発振信号と、を混合することで信号を復調する。
【００５６】
本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置は係る例に限定されるものではない。マイクロ波帯の信号を増幅する高周波電力増幅器が用いられるものであれば図６に示したもの以外にも適用が可能である。本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置は、低電圧動作化、高効率化、小型・軽量化を図ることが可能となる。
【００５７】
＜３．まとめ＞
以上説明したように本発明の一実施形態によれば、上層メタル１０２を所定の範囲で間引くとともに、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出している高周波電力増幅器１００が提供される。
【００５８】
本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００は、このように上層メタル１０２を所定の範囲で間引くとともに、上層メタル１０２が間引かれている領域に、下層メタル１０１からエミッタ配線を上層メタル１０２の高さまで引き出すことで、バイポーラトランジスタパタン領域１０３で形成されるバイポーラトランジスタで発生した熱を外部へ効率よく放出させることが可能になる。
【００５９】
なお上記実施例では、エミッタの配線が下層メタル、コレクタの配線が上層メタルである例を示したが、本発明はかかる例に限定される。コレクタの配線が下層メタル、エミッタの配線が上層メタルであってもよい。
【００６０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６１】
１０      ：高周波電力増幅器
１１      ：下層メタル
１２      ：上層メタル
１３      ：バイポーラトランジスタパタン領域
１４      ：ベース
１００    ：高周波電力増幅器
１０１    ：下層メタル
１０２    ：上層メタル
１０３    ：バイポーラトランジスタパタン領域
１０４    ：ベース
１０５    ：バックビア
１１０    ：半導体基板
１１１    ：パッド
１１２    ：ワイヤボンド
１２１    ：メタル配線
１０００  ：無線通信装置
１０１０  ：シンセサイザ
１０２０  ：変調回路
１０３０  ：高周波増幅器
１０４０  ：フィルタ
１０５０  ：アイソレータ
１０６０  ：デュプレクサ
１０７０  ：高周波増幅器
１０８０  ：フィルタ
１０９０  ：復調回路
１１００  ：アンテナ
【図１】
2016111100.tif 000003
【図２】
2016111100.tif 000004
【図３】
2016111100.tif 000005
【図４】
2016111100.tif 000006
【図５】
2016111100.tif 000007
【図６】
2016111100.tif 000008