JP3921343B2 - パワートランジスタセル - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は特に、エアーブリッジによって熱的に最適化されている、ヘテロバイポーラートランジスターパワーセルまたはＭＭＩＣパワーセルに関する。
【０００２】
ヘテロバイポーラートランジスタ（ＨＢＴ）は、マイクロ波領域、例えば移動無線技術分野において多用されている。このＨＢＴやＨＢＴ−ＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit）の際だった利点は、高い電力増幅と相応に高い効率を生み出す高い電流密度での絶縁耐力である。これらの利点は、半導体（例えばガリウム砒素GaAs）からなる基板材料の劣悪な熱伝導性のために頻繁には利用できない。それ故にセル内に生じる熱の十分な放散に配慮する必要が生じる。これまでには、十分な熱放散の配慮のために種々異なる手段が用いられてきた。例えば、使用される基板を熱源との間隔に相応する厚さまで薄くしたり、金属の充填された基板裏側にエッチングされたウエルをトランジスタ裏側の熱低減手段として用いるなどである。あるいは基板裏側から表側の接続コンタクト面までの貫通孔（ビアホール）を設け、これを金でコーティングして熱放散に利用したりする。複数のトランジスタはフリップチップ形成技法によって組付けられる。また複数のトランジスタを、エミッタ端子面から支持バンプを介して熱低減手段に組付け、コレクタ領域とベース領域を基板裏側に接続することも可能である。電気的な接続に対しては相応の貫通孔（ビアホール）が存在する。それ以外にも、トランジスタの半導体層を良好な熱伝導性の基板までエピタキシャル成長させることも可能である。その他にトランジスタの電流安定性に対する発熱の悪影響は、エミッタまたはベース−バラスト抵抗によって低減することもできる。但しこれはトランジスタの高周波モード特性（パフォーマンス）の負担につながる。
【０００３】
トランジスタ領域の電気的な接続を介した熱放散の可能性は、エアーブリッジの適用によって与えられる。この種のエアーブリッジは、導電的でかつ熱伝導性の材料、例えば適切な金属によって形成され、セルの個々のトランジスタコンタクトをブリッジ状に電気的にかつ熱的に相互接続させる。この種のエアーブリッジは、以下の公知文献に記載されている。：
L.L.Liou et al.:“The Effect of Thermal Shunt on the Current Instability of Multiple-Emitter-Finger Heterojunction Bipolar Transistors”,IEEE 1993 Bipolar Circuits and Technology Meeting.pp.253-256,1993;
B.Bayraktaroglu et al.:“Very High-Power-Density CW Operation of GaAs/AlGaAs Microwave Heterojunction Bipolar Transistors”,IEEE Electron Device Letters 14, 493-495(1993);
T.Miura et al.:“High Efficiency AlGaAs/GaAs Power HBTs at a Low Supply Voltage for Digital Cellular Phones”,GaAs IC Symposium 1996 Dig.,pp.91-94,1996;
R.Anholt et al.:“Decoupled Electrical/Thermal Modeling of AlGaAs/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors”,IEEE GaAs ICSymposium Dig.1996,pp.167-170,1996.
これらのＨＢＴの場合ではそれぞれエミッタフィンガーがエアーブリッジと相互に接続されている。エアーブリッジ上の個々のＨＢＴ下方セルのコレクタ金属端子の接続は、例えば次の公知文献に記載されている。
【０００４】
H.-F.Chau et al.:“High-Power, High-Efficiency K-Band AlGaAs/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors”, IEEE GaAs IC Symposium 1996 Dig.,pp.95-98,1996.
これらの公知手段の複数の組合わせもまた可能である。
【０００５】
本発明の課題は、熱的な最適化に関してさらに改善されたパワートランジスタセルを提供することである。
【０００６】
前記課題は請求項１の特徴部分に記載の本発明によるパワートランジスタセルによって解決される。別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
【０００７】
本発明によるパワートランジスタセルでは、次のようなエアーブリッジが用いられている。すなわち一列に配列された一連の個別トランジスタの方向にだけ延在しているのではなく、この方向に対して垂直に基板表側の平面内にも実質的に延在しているエアーブリッジが用いられている。そのようなエアーブリッジは、一方では特に厚く、そのため良好な熱伝導性を形成し、他方では付加的な熱的コンタクトを介して比較的広く構成された接続コンタクト面もしくは基板表側に、良好な熱伝導性ないし熱放散性を備えている。前述した公知技術においては、エミッタフィンガー（フィンガー状のエミッタコンタクト）が上下でエアーブリッジと接続されており、その幅はエミッタフィンガーの長さよりも短い。このような通常の２０μｍ〜３０μｍの短いエミッタフィンガーのもとでは、このような実質的に一次元的に構成されたエアーブリッジの熱伝導性がブリッジに沿った一つの方向でしか作用しない。エアーブリッジの比較的僅かな側方への延在は発生した熱の収容のための相応に小さな容量しか提供しない（小さい熱容量）。チップ表面に対する総合的な熱放散性は、最も外側にある２つのトランジスタセルを介してしか行われない。それとは反対に、本発明によるパワートランジスタセルのもとで存在するエアーブリッジでは可及的に大面積が故に大きな熱容量を有している。エミッタフィンガーの長手方向にも実質的に延在するエアーブリッジは、その他にもチップ表側又はコンタクト面に載置される熱伝導性のコンタクトピラーもしくは支持体を用いてエアーブリッジを支えると同時に熱を基板内へもしくはそれに被着されている金属層に放散させることが可能である。またその他にもこの種の熱伝導性の結合を基板の貫通孔によって裏側へ導くことも可能である（ビアホール）。本発明によるパワートランジスタセルのもとで存在するエアーブリッジは、以下の明細書ではこれまでの公知文献で述べられてきたエアーブリッジと区別するために便宜的に“二次元エアーブリッジ”とも称する。
【０００８】
実施例
次に本発明によるパワートランジスタセルを図１〜図３に基づき以下の明細書で詳細に説明する。この場合
図１は、本発明によるエアーブリッジを備えたセルの断面図であり、
図２は、図１に示されている本発明によるセルの平面図であり、
図３は、選択的な実施例の平面図である。
【０００９】
図１には複数の個別トランジスタからなるパワーセルの断面が概略的に示されている。熱伝導性で有利には導電性のエアーブリッジ１は、コンタクトとしてエミッタ２上に被着されているエミッタフィンガー５を相互に接続させている。導電性のエアーブリッジの場合には、エミッタフィンガーの別個の電気的な端子は省かれる。ベース領域３上にはそれぞれフィンガー状に形成されたベースフィンガー６としての接続コンタクトが設けられている。コレクタ領域４には相応にコレクタコンタクト７が被着されている。コンタクトの形状に対しては本発明によれば従来のパワートランジスタセルのもとでの慣用の構成に対して何ら制限を加えることはなく、ただエアーブリッジに対して適切な使用面が存在することを考慮するだけでよい。図面後方のコンタクトピラー８も図中に示されている。このコンタクトピラー８を用いてエアーブリッジ１とチップ表面もしくはチップ上側に存在するエミッタ端子面との間の熱的および有利には電気的接続が形成される。コンタクトピラーの載置されている面は有利には可及的に大きくあるべきである。この面は、ベースおよびコレクタ端子面のための面を除いて総体的にフリーチップ面を受け入れる。
【００１０】
図２には図１の配置構成が平面図で示されている。ここでは大面積のエアーブリッジ１が図面の上方と下方においては直線的な輪郭で示され、左右においては波断線で（これはエアーブリッジがさらに延在していることを示唆する）示されている。この実施例ではエアーブリッジは、左方および右方に向けて既存の個別トランジスタの数に応じて継続される。覆われた輪郭として波線で示されているのは、エミッタフィンガー５と、ベースフィンガー６と、コレクタコンタクト７と、コンタクトピラー８である。ベースフィンガー６は、ベース端子面１２と導電的に接続されている。コレクタコンタクト７は、コレクタ端子面１３と導電的に接続されている。図示の構成部材は全てが同じ面内にあるわけではない。
【００１１】
エアーブリッジ１は、図示の実施例ではエミッタのコンタクトとして設けられた個別トランジスタのエミッタフィンガー５も、エアーブリッジのピラーのための載置面としてのエミッタ端子面１１も使用する。故にこのエアーブリッジは、図１からもわかるようにエミッタフィンガー５に載置される。コンタクトピラー８、８ａは、部分的に、半導体材料からなるチップの表側１４（図２のコンタクトピラー８ａ）に載置されてもよいし、部分的に、エミッタ端子面１１（図２のコンタクトピラー８）上に載置されてもよい。有利にはエアーブリッジ１おコンタクトピラー８は、導電的であり、エミッタフィンガー５の電気的な接続はエミッタ端子面１１に載置されたコンタクトピラー８を介して作用する。共通のコレクタ端子面１３は、完全にまたは部分的にエアーブリッジ１によって覆われてもよい。コレクタ端子面１３には個別トランジスタからの全コレクタ電流が集められる。エアーブリッジ１は、有利にはベース端子面１２を完全にまたは部分的に覆っていてもよい。このベース端子面１２を介して個別トランジスタのベース領域が制御される。これらの端子面は基本的には任意に配置構成されていてもよい。
【００１２】
有利には、エアーブリッジは可及的に大面積で金属からなるエミッタ端子面かないしはチップ上側に載置される。熱放散と熱結合は、基板の全上側で可能である。本発明によるパワートランジスタセルで著しく改善されている熱分散は、一次元的エアーブリッジを備えた従来のトランジスタセルに比べてトランジスタの熱抵抗を例えば６μｍの厚さの二次元的エアーブリッジが存在している場合には約３０％低減せしめる。例えば金からなる６μｍの厚さの二次元エアーブリッジを用いた８×３×３０μｍ2のエミッタ面を備えた８つのフィンガーＨＢＴの場合の熱抵抗は、従来の一次元エアーブリッジを用いた場合の１２０Ｋ/Ｗに比べて熱抵抗が８０Ｋ/Ｗで済む。
【００１３】
図３には、代替的な実施例が示されており、この場合はパワートランジスタセルがエアーブリッジ１０を備えており、このエアーブリッジ１０はベースフィンガー６と電気的にかつ熱的に相互に結合されている。図中にはエミッタフィンガー５と、ベースフィンガー６と、コレクタコンタクト７が、ブロック毎に所属しているエミッタ端子面１１と、共通のベース端子面１２と、ブロック毎に設けられるコレクタ端子面１３と共にこの種のパワートランジスタセル装置の一例として平面図で示されている。さらにその上に配設されるエアーブリッジ１０は、図面の下方と右方の直線縁部において破線で示されている。トランジスタ配置構成は、図面上方に向けて任意に続けられる。ベース端子面１２もその下方と右方の直線縁部において破線で示されており、さらに左方及び上方に向けて相応の破断線で任意の継続性が表されている。
【００１４】
エアーブリッジ１０はベースフィンガ６の上にそしてコンタクトピラー８を用いてベース端子面１２上に載置される。一例としてベース端子面１２上に異なる寸法のコンタクトピラーが破線で示されている。コンタクトピラー８ａは著しく長い側方寸法を有しており、それに対してコンタクトピラー８ｂは、ベース端子面１２の大半を覆っているか又は全てのベース端子面を覆っていてもよい。この実施例の場合コンタクトピラーの少なくとも一部が半導体材料からなるチップ上側に載置されていてもよい。この場合チップ上側に対して垂直方向の厚いエアーブリッジと共に、ベースフィンガー６からベース端子面１２又は基板への効果的な熱放散が実施され得る。
【００１５】
比較的大面積の二次元的エアーブリッジの形成は、標準リソグラフィにおいて典型的には３μｍの厚さで可能である。このエアーブリッジはこれまでのエアーブリッジに比べて著しく大きな厚さ（例えばこれまでの６μｍの代わりに２０〜３０μｍ）でも通常の方法で製造可能である。それに対して必要とされる２つの二次元エアーブリッジ間の間隔の維持は（エアーブリッジの高さに依存して）何ら制約を与えない。なぜならチップ毎に通常はごく僅かなエアーブリッジのみが存在するだけだからである。厚いラック層での作業と相応の厚さをガルバニック作用のもとで達成することも可能である。それによりエアーブリッジは少なくとも２０μｍの厚さで製造されてもよい。その場合熱抵抗は新たに典型的には３０％ほど低減される。エアーブリッジのブリッジ湾曲部は、有利には最大でもチップ上側から約３μｍ〜５μｍの間隔を有する。
【００１６】
本発明によるパワートランジスタセルによれば、複数のパワーセルが一緒に接続される大面積のパワーブロックの熱結合の付加的問題が解決される。この場合パワートランジスタセルにおいては複数の個別トランジスタが一緒に接続されている。複数のパワーセルは相互に共にパワーブロックに接続されていてもよい。大面積のエアーブリッジを用いて可能なことは、エミッタフィンガーが単に個々のパワーセルに結合されるのではなく、そのような複数のパワーセルからなるブロックの全てのエミッタフィンガーが熱的に相互に結合されることである。このエアーブリッジを介したエミッタフィンガーの結合は、基本的にはパワーセルの任意の数を見込むことが可能である。大面積のエアーブリッジを用いることによりパワーセルの電流安定性も十分に改善され、エミッタ抵抗ないしベースバラスト抵抗も低減されるか全く排除され得る。コレクタ電流に対する初期特性マップもこの種のエアーブリッジの適用により高いコレクタ−エミッタ電圧まで安定して維持される。このような効果は従来の一次元的エアーブリッジのもとでは達成不可能であった。
【００１７】
熱的な抵抗ないしはトランジスタセル稼働中に生じる結合部温度はＨＢＴセル及び回路の高周波データ及び電力データに著しく影響を及ぼす。例えば２０Ｋの結合部温度の上昇は、約０.４ｄＢの利得（ゲイン）の低減につながる。一次元エアーブリッジの場合には、いわゆる“電流ホッギング”の作用の現れの際に個別トランジスタの大部分（たとえば半分）が不所望な寄生キャパシタンスに影響する。これは直流電流増幅、出力側パワー、効率、高周波ゲインの低減と、パワーセルの過負荷などにつながる。それに対して本発明による実施例のもとでは徹底的な熱結合と改善された熱放散が、熱抵抗の低減に基づいて均質に分散された低い結合部温度と個別トランジスタの均等な負荷に作用する。それ故にマルチエミッタＨＢＴが著しく大きなエミッタ面でもって同時に高い利得と共に実現され得る。
【００１８】
本発明によるパワートランジスタセルの代替的な実施形態はＨＢＴ−ＭＭＩＣである。この場合パワートランジスタ配置構成は、著しく縮小されたチップ面（典型的には例えば係数６）で実現される。
【００１９】
ベース接続のためにエアーブリッジの用いられている図３による実施形態は、特にさらに改善された熱放散の利点を有している。この熱放散と熱結合は、次のように効果的である。すなわち面積が大きければ大きいほどその上にエアーブリッジが載置されている金属コンタクトの熱伝導性が良好となり、さらにこの金属コンタクトが熱発生源の箇所に近ければ近いほど良好となる。高い電力のもとでは大抵の熱がコレクタ層の薄いベース層の下方に生じる。それ故ベースコンタクトが可及的に近傍に（例えばエミッタフィンガーに対してセルフアライン的に）ベースフィンガー６としてエミッタの周りで対称的に可及的に大面積に実施される。それにより最大周波数領域での適用に対して非常に狭幅なエミッタフィンガーでもって実現可能である（例えば１μｍ幅）。それにより作動特性（パフォーマンス）は、比較的高い周波数領域で著しく改善される。但し狭幅なエミッタフィンガーは、熱抵抗を高めることにもなる。ベースに対する二次元的エアーブリッジ１０は、特に狭幅なエミッタの場合でも発生する熱を特に効果的に分散させ得る。それにより相応に低減された熱抵抗を介してＨＢＴの直流電圧および高周波特性は有利となる。
【００２０】
当該実施例は、コレクタコンタクトに対するエアーブリッジと共に相応に変更可能である。エアーブリッジは有利には、ベースフィンガーないしエミッタフィンガーを制御するベース端子面とエミッタ端子面に大面積に延在する。この熱結合は（相互に結合された複数のパワーセルの）、コレクタコンタクト７に被着されている二次元的エアーブリッジを介して行われる。この場合このコレクタコンタクト７は可及的に密にそのつどのベース−エミッタコンプレックスに近づけられる。
【００２１】
さらに別の実施形態では、熱的結合と場合によっては導電的結合が基板内の基板裏側までの貫通孔によって導かれる。この種の接続９は図１と図３に破線で示されている。例えば基板の裏側には、アース端子が設けられていてもよい。フリップチップ技法の適用下では、該フリップチップ技法で組付けに利用されヒートシンクに熱を伝達する比較的高い***部または台座（バンプ）を越える前に二次元的エアーブリッジが熱放散のための最短距離を保証する。またエアーブリッジを備えた基板の上側をケーシングの冷却体に組付けることも可能である。ベース及びコレクタのコンタクトはボンディングパッド（コンタクト面）に被着される。これは基板裏側に設けられ、基板内の貫通孔によって導電的にベース−コレクタ領域と接続される。
【００２２】
その他では、完全なエアーブリッジの代わりに、エミッタフィンガーないしベースフィンガないしコレクタコンタクトへの構成素子に対してまずコンタクトピラーのみを被着させ、このコンタクトピラーをヒートシンクまたはケーシング壁部に接続させるだけで十分である。それによりヒートシンク又はケーシング壁部は、二次元的エアーブリッジを形成する。この場合には、本発明によるパワートランジスタセルのもとではエアーブリッジがヒートシンクかまたは組付けに利用されるケーシングの集積化された構成部材であってもよい。ここでも重要なことはエアーブリッジの大面積の寸法である。
【００２３】
本発明によるパワートランジスタセルに存在する、これまでに実施例に基づいて説明してきた二次元的エアーブリッジは、有利には、その他の全てのパワーセルに適用可能である。例えばパワーダイオードや任意の基板材料（例えばＳｉ,ＧａＡｓ,インパットダイオード、レーザーダイオード）のダイオードアレイ、任意の基板材料（バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ,ＨＥＭＴ,ＪＦＥＴ）上のパワートランジスタ。
【００２４】
本発明によるパワートランジスタセルのもと又は複数のそのようなパワートランジスタセルの連結された配置構成のもとでは、エアーブリッジがチップの表側平面内で全方向に向けて最小の凸領域（これはエミッタフィンガー,ベースフィンガー,コレクタコンタクトなどのコンタクトによって占められその上にエアーブリッジが載置されている）を越えている。この場合この凸領域とは、それらの２つのポイント毎に各接続区間を含む１つの面と理解されたい。直線的に一列に相前後して配設された多数の個別トランジスタを備えたパワートランジスタセルの場合では、最小の凸領域がチップ表側の全てのエミッタフィンガを含んだ最小矩形部である。複数の連結されたパワートランジスタセルのもとでは図示の最小の凸領域は、エアーブリッジが載置される全てのコンタクトフィンガを含む。
【００２５】
有利な実施形態によれば、エアーブリッジがエミッタフィンガーの長手方向においてエミッタフィンガーをエミッタ領域の長さの少なくとも３０％だけ突出している。約３０μｍの典型的エミッタフィンガーの長さを有しているヘテロバイポーラトランジスタの場合には、エアーブリッジは、エミッタ領域の長さの１００％だけ突出していてもよい。電界効果トランジスタの場合には、コンタクトフィンガーが通常は著しく長く、例えば典型的には１００μｍかまたはそれ以下であり、この場合はエアーブリッジも電気的な端子の比較的大きな所要スペースのためにコンタクトフィンガーの長さの少なくとも約３０％だけ突出する。さらに長いコンタクトフィンガ、例えば５００μｍのコンタクトフィンガーが求められる場合には、エアーブリッジは、コンタクトフィンガーの方向でコンタクトフィンガーの１５〜２０％だけ突出する寸法に制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるエアーブリッジを備えたセルの断面図である。
【図２】 図１に示されている本発明によるセルの平面図である。
【図３】 選択的な実施例の平面図である。

Claims (13)

1. それぞれ少なくとも１つの別個の接続コンタクトを備えた個別トランジスタからなるパワートランジスタセルにおいて、
   前記接続コンタクトがエアーブリッジ（１）を介して相互に熱伝導的に接続されており、
   前記エアーブリッジ（１）はコンタクトの平面内で、該当するコンタクトを含んだ最小の凸領域を越えて全ての方向に突出する寸法を有し、
   前記エアーブリッジは、設けられているヒートシンク又はケーシングによって形成されていることを特徴とする、パワートランジスタセル。
2. 前記エアーブリッジに接続される接続コンタクトが縦長であり、該エアーブリッジはコンタクトの長手方向において当該コンタクトを該コンタクトの長さの少なくとも１５％だけ突出している、請求項１記載のパワートランジスタセル。
3. 前記エアーブリッジに接続される接続コンタクトが縦長であり、該エアーブリッジは、コンタクトの長手方向において当該コンタクトを該コンタクトの長さの少なくとも３０％だけ突出している、請求項１記載のパワートランジスタセル。
4. 前記エアーブリッジに接続される接続コンタクトが縦長であり、該エアーブリッジは、コンタクトの長手方向において当該コンタクトを該コンタクトの長さの少なくとも１００％だけ突出している、請求項１記載のパワートランジスタセル。
5. 前記エアーブリッジの扁平な延在部に対して垂直方向のエアーブリッジ寸法は、２０μｍ〜３０μｍである、請求項１〜４いずれか１項記載のパワートランジスタセル。
6. 前記エアーブリッジがパワートランジスタセルを備えたチップ上側に、熱伝導性のコンタクトピラー（８）を用いて載置されている、請求項１〜５いずれか１項記載のパワートランジスタセル。
7. 前記エアーブリッジは接続コンタクトの共通の端子面に熱伝導性のコンタクトピラー（８）を用いて載置されている、請求項１〜６いずれか１項記載のパワートランジスタセル。
8. 前記エアーブリッジはコンタクトピラーと導電的に接続されており、接続される接続コンタクトはエアーブリッジとコンタクトピラーによって導電的に端子面に接続されている、請求項７記載のパワートランジスタセル。
9. 個別トランジスタが、エミッタ（２）とベース（３）とコレクタ（４）を有するバイポーラトランジスタであり、
   各トランジスタ毎に、エミッタの接続コンタクトとしてのエミッタフィンガー（５）と、ベースの接続コンタクトとしてのベースフィンガー（６）と、コレクタ接続コンタクトとしてのコレクタコンタクト（７）を有し、
   エミッタフィンガーまたはベースフィンガーがまたはコレクタコンタクトが、相互に熱伝導的にエアーブリッジ（１）を用いて接続されている、請求項１〜８に記載のパワートランジスタセル。
10. 前記エアーブリッジは導電的であり、エミッタ端子面（１１）、ベース端子面（１２）、またはコレクタ端子面（１３）に、熱伝導的及び導電的なコンタクトピラー（８）が載置されている、請求項９記載のパワートランジスタセル。
11. 前記エアーブリッジはベースフィンガー（６）およびベース接続面（１２）に載置されている、請求項９又は１０記載のパワートランジスタセル。
12. 前記エミッタフィンガーは、最大でも１μｍの幅である、請求項１１記載のパワートランジスタセル。
13. 他のパワートランジスタセルと共に１つのブロックに統合されており、エアーブリッジを介してブロックのその他のパワートランジスタセルに熱的に結合されている、請求項１〜１２いずれか１項記載のパワートランジスタセル。

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