JP2016171193A - High-frequency semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a high-frequency semiconductor device.
例えば無線通信に使用される受信装置等には、受信した高周波信号を増幅する低雑音増幅素子が使用される。低雑音増幅素子のNF(Noise Figure)特性は、動作させる温度を下げるほど向上することが一般に知られている。 For example, a low-noise amplification element that amplifies a received high-frequency signal is used in a receiving device or the like used for wireless communication. It is generally known that the NF (Noise Figure) characteristics of a low noise amplifying element are improved as the operating temperature is lowered.
低温下において低雑音増幅素子を動作させるための一手段として、低温の冷却体上に低雑音増幅素子を配置するとともに、冷却体上配置された低雑音増幅素子を断熱容器で密閉することが挙げられる。冷却体によって低雑音増幅素子が冷却される。さらに、冷却体上に配置された低雑音増幅素子は断熱容器で覆われるため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。 As one means for operating the low noise amplifying element at a low temperature, the low noise amplifying element is arranged on a low temperature cooling body, and the low noise amplifying element arranged on the cooling body is sealed with a heat insulating container. It is done. The low noise amplification element is cooled by the cooling body. Furthermore, since the low noise amplification element arranged on the cooling body is covered with the heat insulating container, the inflow of heat from the outside is suppressed, and the low temperature state can be efficiently maintained.
また、より良好なNF特性を得るために、低雑音増幅素子に対して高周波信号を入力する入力回路等に、超伝導回路を用いることが知られている。 In order to obtain better NF characteristics, it is known to use a superconducting circuit for an input circuit or the like for inputting a high frequency signal to a low noise amplifying element.
しかしながら、例えば低雑音増幅素子の一例であるGaAs系HEMTや超伝導回路は湿気に弱い。HEMTが水分に触れるとその特性が劣化し、超伝導回路が水分に触れると超伝導回路を低温にしても超伝導状態にならない場合がある。したがって、低雑音増幅素子や超伝導回路を湿気から保護するために、断熱容器内を高い真空度に保ち続ける必要がある。高い真空度に保ち続けるには、排気用ポンプを稼働し続けなければならないが、少なくとも経済的な視点において、この方法は現実的な手段ではない。このように、低雑音増幅素子および超伝導回路を含む従来の高周波半導体装置の運用性は悪い、という問題がある。 However, for example, GaAs HEMTs and superconducting circuits, which are examples of low-noise amplifier elements, are vulnerable to moisture. When the HEMT is exposed to moisture, its characteristics deteriorate, and when the superconducting circuit is exposed to moisture, the superconducting circuit may not be in a superconducting state even when the superconducting circuit is at low temperature. Therefore, in order to protect the low noise amplification element and the superconducting circuit from moisture, it is necessary to keep the inside of the heat insulating container at a high degree of vacuum. In order to keep a high degree of vacuum, the exhaust pump must continue to operate, but at least from an economic point of view, this method is not a practical means. Thus, there is a problem that the operability of the conventional high-frequency semiconductor device including the low noise amplification element and the superconducting circuit is poor.
実施形態は、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することを目的とする An object of the embodiment is to provide a high-frequency semiconductor device excellent in operability.
実施形態に係る高周波半導体装置は、冷却体上に配置され、前記冷却体とともに断熱容器内に配置して使用される。この高周波半導体装置は、基体と、一部に貫通孔を有する基板と、前記基板上に設けられた枠体と、および前記枠体上に固定される蓋体と、によって気密性パッケージを構成し、前記基体上に設けられた低雑音増幅素子を含む高周波回路を具備する。前記高周波回路の少なくとも一部は、超伝導回路によって構成され、前記超伝導回路は、前記基板の前記貫通孔内の基体上に配置される。 The high-frequency semiconductor device according to the embodiment is disposed on a cooling body, and is used by being disposed in a heat insulating container together with the cooling body. This high-frequency semiconductor device forms an airtight package by a base, a substrate partially having a through-hole, a frame provided on the substrate, and a lid fixed on the frame. And a high frequency circuit including a low noise amplifying element provided on the substrate. At least a part of the high-frequency circuit is constituted by a superconducting circuit, and the superconducting circuit is arranged on a base in the through hole of the substrate.
以下に、本発明の実施形態に係る高周波半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a high-frequency semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態に係る高周波半導体装置を含む高周波半導体モジュールを模式的に示す図である。図1に示す高周波半導体モジュール100は、冷却体101と、この冷却体101上に配置された高周波半導体装置10と、冷却体101および高周波半導体装置10を内部に収容する断熱容器102と、を具備する。高周波半導体装置10は冷却体101によって例えば80K程度に冷却される。そして、冷却体101および高周波半導体装置10が断熱容器102で覆われているため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。したがって、高周波半導体装置10は低温で動作することができ、増幅動作によるNF低下を抑制することができる。以下に、このような高周波半導体モジュール100に用いられる高周波半導体装置10について、図面を参照して説明する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a high-frequency semiconductor module including the high-frequency semiconductor device according to the first embodiment. A high-
図2は、第1の実施形態に係る高周波半導体装置を示す分解斜視図である。図2に示すように、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10は、基体11、枠体132の内部に高周波回路12を含む基板131、および蓋体133、によって、気密性パッケージ13(以下、パッケージ13と称する場合がある。)を構成する。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the high-frequency semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the high-
パッケージ13は、基体11、基体11上に配置された薄い板状の基板131、基板131の表面上に設けられる枠体132、および枠体132上に配置される板状の蓋体133、によって構成されている。
The
基体11は、金属製の板体である。基体11は、例えばモリブデンまたはタングステンに所定量の銅を配合した材料によって形成されている。なお、銅の配合量ついては後述する。
The
基板131と枠体132は、例えばアルミナ等の絶縁材料によって形成されている。なお、基板131と枠体132とは別部品であってもよいが、本実施形態においてはアルミナの焼成時に接合している。
The
枠体132で囲まれた基板131の表面上には、高周波回路12が設けられている。そして、この高周波回路12は、蓋体133の裏面に一様に設けられた金属膜14によってシールドされている。以下に、図2および図3を参照して金属膜14によるシールド効果について説明する。なお、図3は、パッケージの要部を示す部分断面図である。
The
枠体132には、枠体132および基板131を貫通する複数のスルーホール15が設けられている。これらのスルーホール15内には導体151(図3)が設けられておりは、基体11と蓋体133の裏面の金属膜14とは、スルーホール15内の導体151によって電気的に接続される。基体11は通常接地された状態となっているため、スルーホール15内の導体151、および蓋体133の金属膜14、も接地される。したがって、高周波回路12は、蓋体133の金属膜14、枠体132および基板131を貫通する複数のスルーホール15、および基体11によってシールドされる。
The
図2を参照する。このような基板131は、基体11の表面上に配置され、銀ナノ粒子を用い、200℃程度の接合温度で加圧することにより、基体11に接合されている。または、基板131は、常温接合(アルゴンビームエッチングなどにより活性化された金属層の表面同士を真空中で加圧して接合する技術)を用い、30℃程度の温度で加圧することにより、基体11に接合されている。
Please refer to FIG. Such a
蓋体133も同様に、枠体132の表面上に配置され、銀ナノ粒子を用い、200°の接合温度の下で加圧することにより、枠体132に接合されている。または、蓋体133は、常温接合を用い、30℃の接合温度で、枠体132に接合されている。なお、蓋体133は、枠体132に、エポキシ系の接着剤によって固定されてもよい。
Similarly, the
ここで、上述の基体11を構成する銅の配合量は、基板131と基体11との接合温度と、高周波半導体装置10の使用温度と、の中間温度において、基体11の熱膨張率が基板131の熱膨張率に概ね一致するような配合量となっている。例えば接合温度が200℃、使用温度が−196℃(77K)である場合、0℃における基体の熱膨張率がパッケージの熱膨張率に概ね一致するような配合量(15%)となっている。
Here, the amount of copper constituting the
図4は、第1の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図4は、基板131に設けられた高周波回路12を示している。図4に示すように、パッケージ13の基板131の表面上に設けられる高周波回路12は、例えばGaAs系HEMTによって構成される低雑音増幅素子16および整合回路18a、整合回路18bを含む増幅回路121、ランゲカプラ17aによって構成される分岐回路122、およびランゲカプラ17bによって構成される合成回路123、によって構成される。
FIG. 4 is a top view showing a main part of the high-frequency semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 4 shows the high-
また、高周波回路12は、分岐回路122の入力側に接続される入力線路124、および合成回路123の出力側に接続される出力線路125、を有する。入力線路124および出力線路125はそれぞれ、枠体132の外部まで延出されている。
The high-
このような高周波回路12において、入力線路124の一部は、超伝導回路19によって構成されている。超伝導回路19は、超伝導基板191(酸化マグネシウム(MgO)基板等の基板上に、YBCO薄膜(不図示)と保護層となる金(Au)薄膜(不図示)が一様に設けられた基板)上のYBCO薄膜及び金薄膜をドライエッチングすることにより、超伝導基板191に配線192を設けることによって構成されている。
In such a
このような超伝導回路19は、パッケージ13の基板131に貫通孔20を設け、この貫通孔20内の基体11上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔20から露出する基体11に固定される。なお、超伝導回路19の配線192は、この回路19の周囲の入力線路124と、ワイヤー等の接続導体21によって電気的に接続されている。
Such a
超伝導回路19の配線192は、常温の環境下においては例えば金の1000倍程度の高い抵抗となるが、−200℃程度の低温の環境下においては実質的に抵抗がゼロとなる。したがって、超伝導回路19を低温の環境下において使用することにより、この回路19を通過する高周波信号の損失を抑制し、NF(Noise Figure)劣化を抑制することができる。
The
以上に説明した第1の実施形態に係る高周波半導体装置10によれば、低雑音増幅素子16および超伝導回路19がパッケージ13内に密閉されている。そして、このように低雑音増幅素子16および超伝導回路19を密閉した高周波半導体装置10を、図1に示すように、断熱容器102内に配置している。したがって、断熱容器102内の真空度が低下しても、低雑音増幅素子16および超伝導回路19は気密性が高いパッケージ13空間内に配置されるため、湿気から保護することができる。この結果、低雑音増幅素子16および超伝導回路19の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置10を提供することができる。
According to the high
また、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10によれば、基体11とパッケージ13との接合温度、およびパッケージ13の枠体132と蓋体133との接合温度が、銀銅ロウなどの従来技術と比較して低くなっている。したがって、高周波半導体装置10を例えば−200℃程度の低温にしても、高周波半導体装置10が破損することを回避することができる。
Further, according to the high-
すなわち、金属製基体およびセラミック製枠体を備える従来の高周波半導体装置は、銀銅ロウによる800℃程度の高温の接合温度で両者をすることによって製造される。このような高周波半導体装置を構成する各種材料は、例えば800℃程度の高い接合温度から室温までの温度変化に対して、各部分にかかる応力が最低になるように設計されている。このような高周波半導体装置をさらに−200℃程度の低温にすると、接合温度との温度差は1000℃程度となり、各部分にかかる応力は極めて大きくなる。したがって、このような従来の高周波半導体装置を低温にすると、高周波半導体装置が破損する可能性がある。 That is, a conventional high-frequency semiconductor device including a metal base and a ceramic frame is manufactured by performing both at a high bonding temperature of about 800 ° C. with silver-copper solder. Various materials constituting such a high-frequency semiconductor device are designed so that the stress applied to each portion is minimized with respect to a temperature change from a high junction temperature of about 800 ° C. to room temperature, for example. When such a high-frequency semiconductor device is further lowered to a low temperature of about −200 ° C., the temperature difference from the bonding temperature becomes about 1000 ° C., and the stress applied to each part becomes extremely large. Therefore, when such a conventional high-frequency semiconductor device is brought to a low temperature, the high-frequency semiconductor device may be damaged.
これに対して第1の実施形態に係る高周波半導体装置10によれば、接合温度が低いため、−200℃程度の低温にした場合でも、接合温度との温度差は400℃程度であり、各部分にかかる応力は小さくなる。したがって、高周波半導体装置10を例えば−200℃程度の低温にしても、装置10が破損することを回避することができる。
On the other hand, according to the high-
さらに、従来の高周波半導体装置においては、基体を構成する銅の配合量は、室温における枠体の熱膨張率に一致するように定められていた。これに対して、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10において、基体11を構成する銅の配合量は、接合温度と使用温度との中間温度におけるパッケージ13の熱膨張率に一致するように定められている。したがって、高周波半導体装置10を−200℃程度の低温にした場合に、基体11とパッケージ13との間に発生する応力をより小さくすることができる。その結果、高周波半導体装置10を例えば−200℃程度の低温にした場合に、装置10が破損することをより回避することができる。
Further, in the conventional high-frequency semiconductor device, the amount of copper constituting the substrate is determined so as to match the thermal expansion coefficient of the frame at room temperature. On the other hand, in the high-
<第2の実施形態>
図5は、第2の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図5も、図4と同様に、パッケージ13に設けられた高周波回路22を示している。図5に示す高周波回路22も、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10の高周波回路12と同様に、例えばGaAs系HEMTによって構成される低雑音増幅素子16および整合回路18a、整合回路18bを含む増幅回路121、ランゲカプラ23によって構成される分岐回路24、およびランゲカプラ17bによって構成される合成回路123、によって構成される。
<Second Embodiment>
FIG. 5 is a top view showing a main part of the high-frequency semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 5 also shows the high-
また、高周波回路22は、分岐回路24の入力側に接続される入力線路124、および合成回路123の出力側に接続される出力線路125、を有する。入力線路124および出力線路125はそれぞれ、枠体132の外部まで延出されている。
The
ここで、第2の実施形態に係る高周波半導体装置の高周波回路22においては、分岐回路24のランゲカプラ23が、超伝導回路によって構成されている。超伝導回路の構成についてはすでに説明されているため、ここでは説明を省略するが、ランゲカプラ23を構成する超伝導回路は、パッケージ13の基板131の所定部分に貫通孔25を設け、この貫通孔25内の基体11上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔25から露出する基体11に固定される。そして、超伝導回路の配線は、この回路の周囲の配線と、ワイヤー等の接続導体26によって電気的に接続されている。
Here, in the high-
以上に説明した第2の実施形態に係る高周波半導体装置においても、低雑音増幅素子16およびランゲカプラ23を構成する超伝導回路がパッケージ13内に密閉されている。したがって、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10と同様の理由により、低雑音増幅素子16および超伝導回路の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することができる。
Also in the high-frequency semiconductor device according to the second embodiment described above, the superconducting circuit constituting the low
また、第2の実施形態に係る高周波半導体装置においても、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10と同様の理由により、高周波半導体装置を例えば−200℃程度の低温にした場合における装置の破損を回避することができる。
In the high-frequency semiconductor device according to the second embodiment, for the same reason as that of the high-
<第3の実施形態>
図6Aは、第3の実施形態に係る高周波半導体装置の要部を示す上面図である。図6Aも、図4と同様に、パッケージ13に設けられた高周波回路27を示している。図6Aに示す高周波回路27も、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10の高周波回路12と同様に、例えばGaAs系HEMTによって構成される低雑音増幅素子16および整合回路18a、整合回路18aを含む増幅回路28、ランゲカプラ17aによって構成される分岐回路122、およびランゲカプラ17bによって構成される合成回路123、によって構成される。
<Third Embodiment>
FIG. 6A is a top view showing the main part of the high-frequency semiconductor device according to the third embodiment. 6A also shows the high-
また、高周波回路27は、分岐回路122の入力側に接続される入力線路124、および合成回路123の出力側に接続される出力線路125、を有する。入力線路124および出力線路125はそれぞれ、枠体132の外部まで延出されている。
The high-
図6Bは、増幅回路の要部を拡大して示す上面図である。図6Bに示すように、第3の実施形態に係る高周波半導体装置の高周波回路27においては、増幅回路28の一部であり、分岐回路122と低雑音増幅素子16とを接続する配線29の一部が、超伝導回路30によって構成されている。超伝導回路30の構成についてはすでに説明されているため、ここでは説明を省略するが、このような超伝導回路30は、パッケージ13の基板131の所定部分に貫通孔31を設け、この貫通孔31内の基体11上に配置される。そして、例えば銀ナノ粒子によって、貫通孔31から露出する基体11に固定される。そして、超伝導回路30において、超伝導基板301上の配線302は、この回路30の周囲の配線29と、ワイヤー等の接続導体32によって電気的に接続されている。
FIG. 6B is an enlarged top view showing a main part of the amplifier circuit. As shown in FIG. 6B, in the high-
以上に説明した第3の実施形態に係る高周波半導体装置においても、低雑音増幅素子16および超伝導回路30がパッケージ13内に密閉されている。したがって、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10と同様の理由により、低雑音増幅素子16および超伝導回路30の湿気による特性劣化を抑制することができ、運用性に優れた高周波半導体装置を提供することができる。
Also in the high-frequency semiconductor device according to the third embodiment described above, the low
また、第3の実施形態に係る高周波半導体装置においても、第1の実施形態に係る高周波半導体装置10と同様の理由により、高周波半導体装置を例えば−200℃程度の低温にした場合における装置の破損を回避することができる。
Also, in the high-frequency semiconductor device according to the third embodiment, the device is damaged when the high-frequency semiconductor device is brought to a low temperature of about −200 ° C. for the same reason as the high-
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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10・・・高周波半導体装置
11・・・基体
12、22、27・・・高周波回路
121、28・・・増幅回路
122、24・・・分岐回路
123・・・合成回路
124・・・入力線路
125・・・出力線路
13・・・気密性パッケージ
131・・・基板
132・・・枠体
133・・・蓋体
14・・・金属膜
15・・・スルーホール
151・・・導体
16・・・低雑音増幅素子
17a、17b・・・ランゲカプラ
18a、18b・・・整合回路
19、30・・・超伝導回路
191、301・・・超伝導基板
192、302・・・配線
20、25、31・・・貫通孔
21、26、32・・・接続導体
23・・・ランゲカプラ(超伝導回路)
29・・・配線
100・・・高周波半導体モジュール
101・・・冷却体
102・・・断熱容器
DESCRIPTION OF
29 ... Wiring 100 ... High-
Claims (4)
基体と、前記基体上に設けられた、一部に貫通孔を有する基板と、前記基板上に設けられた枠体と、および前記枠体上に固定される蓋体と、によって構成される気密性パッケージと、
前記気密性パッケージの前記基板に設けられた、低雑音増幅素子を含む高周波回路と、
を具備し、
前記高周波回路の少なくとも一部は、超伝導回路によって構成され、
前記超伝導回路は、前記基板の前記貫通孔内の前記基体上に配置されることを特徴とする高周波半導体装置。 A high-frequency semiconductor device disposed on a cooling body and used in a heat insulating container together with the cooling body,
An airtight structure constituted by a base body, a substrate provided on the base body and having a part of a through hole, a frame body provided on the substrate, and a lid body fixed on the frame body Sex package,
A high frequency circuit including a low noise amplifying element provided on the substrate of the hermetic package;
Comprising
At least a part of the high-frequency circuit is constituted by a superconducting circuit,
The high-frequency semiconductor device according to claim 1, wherein the superconducting circuit is disposed on the base in the through hole of the substrate.
前記枠体と前記蓋体とは、前記銀ナノ粒子または前記常温接合によって接合されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の高周波半導体装置。 The base and the substrate are bonded by silver nanoparticles or room temperature bonding,
The high-frequency semiconductor device according to claim 1, wherein the frame body and the lid body are bonded by the silver nanoparticles or the room temperature bonding.
前記枠体および前記基板を貫通する複数のスルーホールと、
前記複数のスルーホール内にそれぞれ設けられた導体と、
を有し、
前記金属膜と前記基体とは前記スルーホール内の前記導体によって電気的に接続されることを特徴とする請求項3に記載の高周波半導体装置。 A metal film uniformly provided on the back surface of the lid,
A plurality of through holes penetrating the frame and the substrate;
A conductor provided in each of the plurality of through holes;
Have
The high-frequency semiconductor device according to claim 3, wherein the metal film and the base are electrically connected by the conductor in the through hole.
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