(57)【要約】【課題】電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る高周波半導体装置は、複数段にわたってピラミッド状に接続された複数の第１の電力増幅ユニットをＧａＡｓ基板に備え、複数の出力端子を有する前段部と、並列に配列された複数の第２の電力増幅ユニットをＧａＮ基板に備え、前記前段部の前記出力端子の数と同一数の複数の入力端子を有する後段部と、前記前段部の前記複数の出力端子と、前記後段部の前記複数の入力端子と、を電気的に接続する複数の接続導体と、を具備する。【選択図】図１
2017046145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数段にわたってピラミッド状に接続された複数の第１の電力増幅ユニットをＧａＡｓ基板に備え、複数の出力端子を有する前段部と、
並列に配列された複数の第２の電力増幅ユニットをＧａＮ基板に備え、前記前段部の前記出力端子の数と同一数の複数の入力端子を有する後段部と、
前記前段部の前記複数の出力端子と、前記後段部の前記複数の入力端子と、を電気的に接続する複数の接続導体と、
を具備する高周波半導体装置。
【請求項２】
前記第１の電力増幅ユニットおよび第２の電力増幅ユニットはそれぞれ、
入力側整合回路と、
前記入力側整合回路に接続された高周波電力増幅素子と、
前記高周波電力増幅素子に接続された出力側整合回路と、
によって構成される、請求項１に記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記前段部の最終段の前記第１の電力増幅ユニットの前記出力側整合回路は、前記前段部の出力インピーダンスを所望の値に整合させ、
前記第２の電力増幅ユニットの前記入力側整合回路は、前記後段部の入力インピーダンスを前記所望の値に整合させ、
前記所望の値は、１０Ω以上５０Ω未満の範囲内のいずれか、または５０Ωを超過し１００Ω以下の範囲内のいずれか、である請求項２に記載の高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の半導体増幅素子において、飽和電力が同一の場合、動作周波数が高くなるにしたがって電力利得は低下する。また、動作周波数が同一の場合、飽和電力が高くなるにしたがって電力利得は低下する。このため、マイクロ波等の高周波の電力を増幅させる高周波半導体装置は、飽和電力の小さい高周波電力増幅素子を複数使用して構成される。高周波電力増幅素子の入出力には、使用周波数において電力利得を高くするために整合回路が設けられており、高周波電力増幅素子および整合回路を含む増幅ユニットを、分配回路と合成回路との間に並列に配置することによって、所望の出力電力を確保している。
【０００３】
近年、このような高周波半導体装置の電力付加効率の高効率化が望まれている。このため、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を用いた高周波半導体装置（以下、「ＧａＡｓ半導体装置」と称する。）と比較して電力付加効率の高効率化が実現される、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた高周波半導体装置（以下、「ＧａＮ半導体装置」と称する。）が多数開発されている。
【０００４】
しかしながら、ＧａＡｓ半導体装置と比較して、ＧａＮ半導体装置の入出力特性の線形性は悪い、という問題がある。このため、ＧａＮ半導体装置の裸特性ではパルス変調時の電波法の帯域外スプリアスを満足することが困難となっている。スプリアスを満足するためには、歪補償回路が必要となるが、増幅段数が増えるほど歪補償量が増加するため、ＧａＮ半導体装置および歪補償回路によって構成されるモジュールが大型化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４１６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態は、電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る高周波半導体装置は、複数段にわたってピラミッド状に接続された複数の第１の電力増幅ユニットをＧａＡｓ基板に備え、複数の出力端子を有する前段部と、並列に配列された複数の第２の電力増幅ユニットをＧａＮ基板に備え、前記前段部の前記出力端子の数と同一数の複数の入力端子を有する後段部と、前記前段部の前記複数の出力端子と、前記後段部の前記複数の入力端子と、を電気的に接続する複数の接続導体と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。
【図２】第１の比較例に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。
【図３】第２の比較例に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、実施形態に係る高周波半導体装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、実施形態に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。図１に示す高周波半導体装置１０は、マイクロ波等の高周波の電力を増幅する高周波電力増幅装置である。
【００１１】
この高周波半導体装置１０は、複数段にわたってピラミッド状に接続された複数の第１の電力増幅ユニット１２をＧａＡｓ基板１３に備えた前段部１１を有する。本実施形態において、前段部１１は、２段にわたってピラミッド状に接続された３個の第１の電力増幅ユニット１２をＧａＡｓ基板１３に備えている。
【００１２】
ここで、第１の電力増幅ユニット１２は、入力側整合回路１２ａ、高周波電力増幅素子１２ｂ、および出力側整合回路１２ｃ、がこの順に直列に接続されることによって構成されている。なお、高周波電力増幅素子１２ｂは、例えば電界効果トランジスタである。
【００１３】
各々がこのように構成された複数の第１の電力増幅ユニット１２において、１段目の第１の電力増幅ユニット１２と、２段目の並列に配置された２個の第１の電力増幅ユニット１２と、は、ＧａＡｓ基板１３に設けられた１入力２出力の分配回路１４によって、電気的に接続されている。このようにして、複数の第１の電力増幅ユニット１２は、ピラミッド状に接続されている。
【００１４】
なお、前段部１１は、ｎ（だたしｎは自然数）段にわたってピラミッド状に接続された（２ｎ−１）個の第１の電力増幅ユニット１２をＧａＡｓ基板１３に備えていてもよい。この場合であっても、互いに隣接する段の第１の電力増幅ユニット１２が１入力２出力の分配回路１４によって接続されることによって、複数の第１の電力増幅ユニット１２がピラミッド状に接続される。
【００１５】
この前段部１１は、１個の入力端子１５と、前段部１１の最終段の第１の電力増幅ユニット１２の数に一致した数の出力端子１６を有する。本実施形態において、最終段には２個の第１の電力増幅ユニット１２が設けられているため、前段部１１には、２個の出力端子１６が設けられている。
【００１６】
そして、初段の第１の電力増幅ユニット１２と入力端子１５とが、例えばＧａＡｓ基板１３の上面上に設けられた配線パターン等によって電気的に接続されており、最終段の第１の電力増幅ユニット１２の各々と、複数の出力端子１６の各々と、がそれぞれ、同じく例えばＧａＡｓ基板１３の上面上に設けられた配線パターン等によって電気的に接続されている。
【００１７】
また、高周波半導体装置１０は、並列に配列された複数の第２の電力増幅ユニット２２をＧａＮ基板２３に備えた後段部２１を有する。本実施形態において、後段部２１は、４個の第２の電力増幅ユニット２２がＧａＮ基板２３に並列に備えられている。なお、前段部１１が（２ｎ−１）個の第１の電力増幅ユニット１２をＧａＡｓ基板１３に備える場合、後段部２１は、２ｎ個の第２の電力増幅ユニット２２がＧａＮ基板２３に並列に備えられている。
【００１８】
第２の電力増幅ユニット２２は、基板材料が異なる他は、第１の電力増幅ユニット１２と同様に構成されており、入力側整合回路２２ａ、例えば電界効果トランジスタによって構成される高周波電力増幅素子２２ｂ、および出力側整合回路２２ｃ、がこの順に直列に接続されることによって構成されている。
【００１９】
このような複数の第２の電力増幅ユニット２２において、互いに隣接する第２の電力増幅ユニット２２同士は、ＧａＮ基板２３に設けられた１入力２出力の分配回路２４によって電気的に接続されている。
【００２０】
この後段部２１は、前段部１１の出力端子１６の数に一致した数の入力端子２５と、一つの出力端子２６と、を有する。本実施形態において、前段部１１には２個の出力端子１６が設けられているため、後段部２１には２個の入力端子２５が設けられている。
【００２１】
そして、後段部２１の複数の入力端子２５と、複数の第２の電力増幅ユニット２２と、が分配回路２４を介して、例えばＧａＮ基板２３の上面上に設けられた配線パターン等によって電気的に接続されている。また、複数の第２の電力増幅ユニット２２と、後段部２１の出力端子２６とが、合成ユニット２７を介して、例えばＧａＮ基板２３の上面上に設けられた配線パターン等によって電気的に接続されている。なお、合成ユニット２７は、前段部１１の第１の電力増幅ユニット１２の数と同数の２入力１出力の合成回路２７ａを、ＧａＮ基板２３の上面上にピラミッド状に設けることによって構成された回路である。
【００２２】
このような高周波半導体装置１０において、前段部１１の最終段（実施形態においては第２段）の第１の電力増幅ユニット１２に含まれる出力側整合回路１２ｃは、前段部１１の出力インピーダンスを調節する。また、後段部２１の第２の電力増幅ユニット２２に含まれる入力側整合回路２２ａは、後段部２１の入力インピーダンスを調節する。これらの整合回路１２ｃ、２２ａは、前段部１１の出力インピーダンスと後段部２１の入力インピーダンスとが整合するように、各インピーダンスを調節する。
【００２３】
ここで、上述の各整合回路１２ｃ、２２ａが調節するインピーンダンスの値は、汎用的な５０Ωとは異なる所望の値である。所望の値とは、１０Ω以上５０Ω未満の範囲内のいずれか、または５０Ωを超過し１００Ω以下の範囲内のいずれか、であって、前段部１１の最終段（実施形態においては第２段）の第１の電力増幅ユニット１２に含まれる高周波電力増幅素子１２ｂのインピーンダンスおよび第２の電力増幅ユニット２２に含まれる高周波電力増幅素子２２ｂのインピーンダンスに応じて決められる値である。例えば各高周波電力増幅素子１２ｂ、２２ｂのインピーンダンスが５０Ωより小さければ、この値に応じて、前段部１１の出力インピーダンスおよび後段部２１の入力インピーダンスは、１０Ω以上５０Ω未満の範囲内のいずれかに調節され、各高周波電力増幅素子１２ｂ、２２ｂのインピーンダンスが５０Ωより大きければ、この値に応じて、前段部１１の出力インピーダンスおよび後段部２１の入力インピーダンスは、５０Ωを超過し１００Ω以下の範囲内のいずれかに調節される。このように、上述の各整合回路１２ｃ、２２ａは、前段部１１の出力インピーダンスおよび後段部２１の入力インピーダンスを微調整する。
【００２４】
上述の各整合回路１２ｃ、２２ａがそれぞれこのようにインピーダンスを微調節することにより、インピーンダンスを５０Ωに調節する場合と比較して、出力側整合回路１２ｃおよび入力側整合回路２２ａを小型化でき、各整合回路１２ｃ、２２ａにおける損失を低減することができる。
【００２５】
以上のように出力インピーダンスが調整された前段部１１と、入力インピーダンスが調節された後段部２１と、は、前段部１１の各出力端子１６と後段部２１の各入力端子２５とを金ワイヤ等の接続導体３１で接続することによって、互いに電気的に接続される。
【００２６】
以上に説明した本実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、この装置１０の電力付加効率を最も支配する後段部２１に、電力付加効率を高くすることができるＧａＮ基板２３を用いている。また、高周波半導体装置１０を構成する全ての高周波電力増幅素子１２ｂ、２２ｂのうちの大部分は、線形性の良好なＧａＡｓ基板１３に設けられている。したがって、電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置１０を提供することができる。
【００２７】
なお、電力付加効率とは、{（出力電力−入力電力）／消費電力}によって定義される。
【００２８】
さらに、本実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、前段部１１に複数の出力端子１６を設け、後段部２１に複数の入力端子２５を設けている。そして、前段部１１と後段部２１とを、これらの複数の端子１６、２５を用いて接続している。したがって、前段部１１の出力直前に合成ユニットを配置して複数の高周波を一つに合成する必要がなくなる。さらに、後段部２１の入力直後に設けられる分配回路の数も減らすことができ、後段部２１に入力される高周波の再分配の回数を減らすことができる。このため、高周波の合成、分配に伴う電力付加効率の低下を抑制することができる。
【００２９】
図２は、第１の比較例に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。なお、図２に示す高周波半導体装置１００において、本実施形態に係る高周波半導体装置１０と同一部分または対応する部分については同一符号を付しており、以下、その説明を省略している。
【００３０】
本実施形態に係る高周波半導体装置１０に対して、図２に示すように、全ての電力増幅ユニット１２、２２が、ＧａＮ基板１０１またはＧａＡｓ基板１０２に設けられている場合、電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置１００を提供することは困難となる。全ての電力増幅ユニット１２、２２をＧａＮ基板１０１に設ければ、電力付加効率が高い高周波半導体装置１００を提供することができるが、この高周波半導体装置１００の線形性は悪くなる。また、全ての電力増幅ユニット１２、２２をＧａＡｓ基板１０２に設ければ、線形性の良好な高周波半導体装置１００を提供することができるが、この高周波半導体装置１００の電力付加効率は悪くなる。このように、全ての電力増幅ユニット１２、２２が、ＧａＮ基板１０１またはＧａＡｓ基板１０２に設けられている場合、電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置１００を提供することは困難となる。
【００３１】
図３は、第２の比較例に係る高周波半導体装置を示す概略構成図である。なお、図３に示す高周波半導体装置２００において、本実施形態に係る高周波半導体装置１０と同一部分または対応する部分については同一符号を付しており、以下、その説明を省略している。
【００３２】
本実施形態に係る高周波半導体装置１０に対して、図３に示すように、全ての電力増幅ユニット１２、２２のうち、最終段の前段までを構成する複数の第１の電力増幅ユニット１２をＧａＡｓ基板１３に設け、最終段を構成する複数の第２の電力増幅ユニット２２をＧａＮ基板２３に設けた場合、本実施形態に係る高周波半導体装置１０と同様に、電力付加効率が高くかつ線形性の良好な高周波半導体装置２００を提供することができる。しかしながら、ＧａＡｓ基板１３上においては増幅された複数の高周波を合成回路２０１を用いて合成し、ＧａＮ基板２３上においては、分配回路２０２を用いて合成された高周波を再分配している。したがって、高周波信号の合成、分配に伴って、高周波半導体装置２００の電力付加効率を低下させる。
【００３３】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１０、１００、２００・・・高周波半導体装置
１１・・・前段部
１２・・・第１の電力増幅ユニット
１２ａ・・・入力側整合回路
１２ｂ・・・高周波電力増幅素子
１２ｃ・・・出力側整合回路
１３・・・ＧａＡｓ基板
１４・・・分配回路
１５・・・入力端子
１６・・・出力端子
２１・・・後段部
２２・・・第２の電力増幅ユニット
２２ａ・・・入力側整合回路
２２ｂ・・・高周波電力増幅素子
２２ｃ・・・出力側整合回路
２３・・・ＧａＮ基板
２４・・・分配回路
２５・・・入力端子
２６・・・出力端子
２７・・・合成ユニット
２７ａ・・・合成回路
３１・・・接続導体
１０１・・・ＧａＮ基板
１０２・・・ＧａＡｓ基板
２０１・・・合成回路
２０２・・・分配回路
【図１】
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【図２】
2017046145.tif 000004
【図３】
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