用于通信器件的電子元件以及用于轉換發射和接收的半導體器件的制作方法

專利名稱：用于通信器件的電子元件以及用于轉換發射和接收的半導體器件的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求于2003年8月27日提交的日本專利申請JP2003-208960的優先權，通過引用將其內容并入本申請。
背景技術：
本發明涉及一種技術，當該技術應用于無線通信系統中的發射/接收開關電路時以及由此通過減小插入損耗來改善天線與接收電路之間的隔離的情況下，是有效的。更為具體地，本發明涉及一種技術，當該技術應用于形成有發射/接收開關電路的半導體集成電路時，該半導體集成電路用于例如移動電話，并且當應用于安裝了所述半導體集成電路、低通濾波器、阻抗匹配電路等的前端模塊時，以及應用于用于通信的電子元件，例如通過將高輸出放大電路安裝在所述前端模塊而獲得的功率模塊時，是有效的。
已經有常規的雙頻帶移動電話，每一個所述電話能夠處理兩個頻帶中的信號，例如，范圍從880至915Mhz的GSM(移動通信全球系統)頻帶和范圍從1710至1785MHz的DCS(數字電話系統)頻帶。近些年來，還需求三頻帶移動電話，所述電話除了能處理GSM和DCS頻帶中的信號外，還能夠處理例如范圍從1850至1915MHz的PCS(個人通信系統)頻帶中的信號，并需求四頻帶移動電話，其能夠處理采用800MHz頻帶的EP GSM模式下的信號和采用850MHz的US GSM模式下的信號。
常規的移動電話一般由下述元件構成稱為功率模塊的電子元件，在該電子元件上安裝具有上變頻和調制要被發射的信號以及下變頻并解調接收信號的功能的半導體集成電路(一般稱為RF IC)、具有將被發射的數據轉換成I和Q信號以及存儲來自解調的I和Q信號的接收數據的功能的半導體集成電路(基帶IC)、RF功率放大器和用于該器件的偏壓電路、阻抗匹配電路等；稱為前端模塊的電子元件，在該電子元件上安裝有發射/接收開關電路、低通濾波器、阻抗匹配電路等；以及類似元件。
用于常規移動電話中的大多數發射/接收開關電路使用二極管來減小插入損耗。可以將在專利文獻1中公開的一個示例作為本發明的涉及前端模塊的一個實例，在該模塊上安裝有使用二極管的開關電路。在本說明書中，如下的多個半導體芯片和分離元件被稱為模塊，所述多個半導體芯片和分離元件安裝在絕緣基板上，例如在表面上或內側設置有印刷布線的陶瓷基板，且所述多個半導體芯片和分離元件可以被處理，好像它們由包含通過印刷布線和接合布線結合的獨立元件構成單個電子元件構成。日本未審專利公開No.2003-051751發明概述利用二極管的發射/接收開關電路使用分離的元件。因此，在需要多個二極管的系統中，諸如四頻帶系統，安裝該系統的模塊顯著地具有增加尺寸和高電流損耗的問題。除二極管元件外，利用二極管的發射/接收開關電路還需要具有大約5mm長的λ/4微帶線，這導致進一步增加組件的尺寸。
為了解決該問題，本發明者已經研究了利用FET(場效應晶體管)代替二極管的發射/接收開關電路。結果，證明利用FET的發射/接收開關電路具有下述問題。即，如果在利用FET的發射/接收開關電路中，輸入到處于關閉狀態下的晶體管的源極或漏極的信號電平高，則輸入功率將晶體管轉變為開啟。因此，功率放大器的輸出功率不被增加，而同時使輸出信號失真且由此增加諧波元件的數量。下面將詳細說明該問題。


圖11示出通過本發明者研究的利用HEMT(高電子遷移率晶體管)的發射/接收開關電路。圖11的發射/接收轉換電路由下述元件構成連接在發射器端子Tx與公共端子COM之間的第一開關晶體管Q1，所述發射器端子Tx連接于功率放大器的輸出端子，所述公共端子COM連接于天線；和連接在連接于天線的公共端子COM與接收器端子Rx之間的第二開關晶體管Q2，所述接收器端子Rx連接于諸如低噪音放大器的接收電路的輸入端子。將直流電壓Vdc經由各自的諸如扼流圈的電感L1和L2持續不變地施加于發射器端子Tx和接收器端子Rx。
使用耗盡型HEMT作為晶體管Q1和Q2。經由電阻Rg1和Rg2向各自的柵極端子施加控制電壓Vsw1和Vsw2，并將直流電壓Vdc施加于晶體管Q1和Q2的每一個的源極和漏極端子。因此，盡管它們是耗盡型，當將控制電壓Vsw1和Vsw2轉換到諸如地電勢GND(0V)的低電平時，晶體管Q1和Q2進入關閉狀態，而當將控制電壓Vsw1和Vsw2轉換到諸如電源電壓Vcc的高電平時，晶體管Q1和Q2進入開啟狀態。具體地說，在發射模式下，將控制電壓Vsw1轉換到高電平而將控制電壓Vsw2轉換到低電平，從而使晶體管Q1進入開啟狀態而使晶體管Q2進入關閉狀態。在接收模式下，將控制電壓Vsw1轉換到低電平而將控制電壓Vsw2轉換到高電平，從而使晶體管Q1進入關閉狀態而使晶體管Q2進入開啟狀態。
圖12示出等效于在發射模式下的發射/接收開關電路的電路，其中晶體管Q1進入開啟狀態而使晶體管Q2進入關閉狀態。在發射模式下，由源-漏電阻Ron1、柵-源電容Cgs1和柵-漏電容Cgd1表示晶體管Q1，如圖12中所示。Ron1表示晶體管Q1的開啟狀態電阻(溝道電阻)。另一方面，由源-漏電容Cds2、柵-源電容Cgs2和柵-漏電容Cgd2表示晶體管Q2。在發射模式下需要的特性為在發射端子Tx與連接于天線的公共端子COM之間的小插入損耗和連接于天線的公共端子COM與接收器端子Rx之間的高隔離。
通常，在開啟狀態下的FET的溝道電阻Ron1低(1Ω或更低)，從而來自晶體管Q1的插入損耗也低(0.5dB或更低)。因此，將要從功率放大器發射的已經輸入到發射器端子Tx的輸出經過電阻Ron1并以低損耗傳送到連接于天線的公共端子COM。然而，在RF信號的情況下，信號會經由圖12中示出的晶體管Q1的柵-源電容Cgs1而泄漏，因此通過提供大約10kΩ的柵電阻Rg1來抑制由信號泄漏引起的插入損耗的增加。該布置允許以低損耗將輸出從功率放大器經由晶體管Q1傳送到連接于天線的公共端子COM，所以在圖11的開關電路的情況中，要從功率放大器發射的輸出還直接輸入到晶體管Q2。結果，晶體管Q2的隔離特性確定了最大容許輸入功率。
圖13示出當構成圖11的開關電路的晶體管Q2處于關閉狀態下時施加到柵-源電容Cgs2的RF電壓的波形(i)，以及當晶體管Q1處于開啟狀態下時施加到柵-源電容Cgs1的RF電壓的波形(ii)。在發射模式下，處于開啟狀態下的晶體管Q1的源-漏電阻Ron1低(1Ω或更低)，所以源電勢與漏電勢之間的差小。因此，施加到晶體管Q1的柵-源電容Cgs1的RF電壓的波形(i)具有小振幅。
通過比較，在關閉狀態下的晶體管Q2的源極和漏極經由電容彼此耦合，同時通過利用作為偏壓點的直流電壓Vdc使在天線端子的信號改變，并向晶體管Q2的柵極端子施加0V電壓。因此，如果假設向晶體管Q1的柵-源電容Cgs1施加的RF電壓的波形(ii)的中心電勢為“0”，則向關閉狀態下的晶體管Q2的柵-源電容Cgs2施加具有中心在-Vdc值附近且振幅為2(|Vdc|-|Vth|)的波形(i)的RF電壓。這里，Vth表示晶體管Q1和Q2的每一個的閾值電壓，所以，如果將高于給定的|Vdc|-|Vth|的值的電壓施加在晶體管Q2的柵與源之間，則晶體管Q2轉換為開啟，且經由晶體管Q1傳送到天線端子的RF信號泄漏到接收器端子Rx。
因此，在圖11的開關電路中的最大容許輸入功率的振幅變為2(|Vdc|-|Vth|)。如果功率放大器輸出功率高于此的RF信號，會相應增加開關電路的插入損耗且產生諧波。雖然如果減小晶體管Q1和Q2每一個的閾值電壓Vth能夠增加最大容許輸入功率的振幅，但是如果減小閾值電壓Vth則會增加開啟狀態電阻Ron，并由此增加插入損耗，所以減小閾值電壓Vth不是優選的。
因此，本發明的目的是提供一種發射/接收開關電路，通過減小構成系統和模塊的元件數量并由此增加組裝密度，能夠減小該電路的尺寸和電流消耗，以及提供一種用于通信的在其上安裝有該發射/接收開關電路的電子元件。本發明的另一目的是提供一種發射/接收開關電路，該電路有小的插入損耗和諧波失真，并提供一種用于通信的在其上安裝有該發射/接收開關電路的電子元件。
本發明的又一目的是提供一種發射/接收開關電路，該電路允許增加功率放大器的輸出功率，并提供一種用于通信的在其上安裝有該發射/接收開關電路的電子元件。
本發明的上述和其它目的以及新穎特征通過本說明書的說明和附圖將變得顯而易見。
下面是對在本申請中公開的本發明的代表性方案的概要的簡單描述。
具體地說，使用串聯的FET或多柵FET代替二極管作為構成在無線通信系統中的發射/接收開關電路的元件，以使得連接在單個的柵極端子與控制端子之間的柵極電阻器的電阻值在從施加了最高電壓的柵極向施加了最低電壓的柵極的方向上逐漸變低。或者，在由第一晶體管和第二晶體管構成的開關電路中，優選地，向發射器端子與連接于天線的端子的每一個施加用于偏置的直流電壓，所述第一晶體管連接在向其輸入要被發射的信號的發射器端子與連接天線的端子之間的，所述第二晶體管連接在與天線連接的端子和用于向接收電路供給接收信號的接收器端子之間。
采用前述裝置，通過利用所述FET或多個FET替換二極管作為構成開關電路的元件，可以減小構成系統和模塊的元件數量，且可以增加安裝密度。在從施加最高電壓的柵極向施加最低電壓的柵極的方向上通過逐漸地減小柵極電阻器的電阻值，能夠防止輸入了較高電壓的FET較早進入開啟狀態的情況，減小插入損耗，且由此減小諧波失真。通過向發射器端子和連接于天線的端子的每一個施加用于偏置的直流電壓，可以增加輸入到發射器端子的RF信號的最大容許功率。
附圖的簡要描述圖1是示出根據本發明的發射/接收開關電路的第一實施例的結構的電路圖；圖2是示出根據本發明的發射/接收開關電路的第二實施例的結構的電路圖3是示出由本發明者研究的發射/接收開關電路的一個實例的結構的電路圖；圖4是示出根據本發明的發射/接收開關電路的第三實施例的結構的電路圖；圖5是示出根據本發明的發射/接收開關電路的第四實施例的結構的電路圖；圖6是示出由根據本發明的發射/接收開關電路、功率放大器和低通濾波器構成的模塊的優選實施例的示意性結構的框圖；圖7是示出由根據本發明的發射/接收開關電路、功率放大器和低通濾波器構成的模塊的第二實施例的示意性結構的框圖以及利用該模塊的無線通信系統的框圖；圖8是示出根據實施例的整個SWIC的布局結構的平面圖；圖9是示出通過放大由圖8中的參考標記A標示的范圍的內部而獲得的布局的平面圖；圖10A至10C是沿圖9的線A-A的橫截面圖，按制作步驟的順序示出了單個制造步驟；圖11是示出由本發明者研究的利用HEMT(高電子遷移率晶體管)的發射/接收開關電路的結構的電路圖；圖12是在發射模式下發射/接收開關電路的等效電路圖，其中使圖11的晶體管Q1和Q2分別進入開啟狀態和關閉狀態；和圖13是當構成圖11的開關電路的晶體管Q2處于關閉狀態時施加到柵-源電容Cgs2的RF電壓的波形(i)和當晶體管Q2處于開啟狀態時施加到柵-源電容Cgs1的RF電壓的波形(ii)。
發明的詳細描述圖1示出根據本實施例的發射/接收開關電路的第一實施例。本實施例的發射/接收開關電路是在諸如GaAs芯片的半導體襯底上形成的半導體集成電路。
本實施例的發射/接收開關電路包括連接在發射器端子Tx與連接到天線的公共端子COM之間的第一開關晶體管Q1，所述發射器端子Tx連接于功率放大器輸出端子；和連接在前述公共端子COM與接收端子Rx之間的第二開關晶體管，其中諸如低噪音放大器的接收電路的輸入端子連接于該接收端子Rx。經由各自的外部電阻器Rd1和Rd2向前述發射器端子Tx與公共端子COM施加直流電壓Vdc。
使用耗盡型P-溝道HEMT作為晶體管Q1和Q2。晶體管Q1和Q2的每一個形成為三柵元件，在該三柵元件中相對于一個溝道形成三個柵極。經由各自的電阻器R11、R12和R13向晶體管Q1的柵極施加控制電壓Vsw1，同時經由各自的電阻器R21、R22和R23向晶體管Q2的柵極施加控制電壓Vsw2。因為已經向晶體管Q1和Q2每一個的源極端子施加直流電壓Vdc，所以當將控制電壓Vsw1和Vsw2轉換到諸如地電勢GND(0V)的低電平時，晶體管Q1和Q2進入關閉狀態，而當將控制電壓Vsw1和Vsw2轉換到諸如電源電壓Vcc的高電平時，晶體管Q1和Q2進入開啟狀態，盡管它們是耗盡型。
具體地說，在發射模式下，將控制電壓Vsw1轉換到高電平而將控制電壓Vsw2轉換到低電平，因此晶體管Q1進入開啟狀態而晶體管Q2進入關閉狀態。在接收模式下，將控制電壓Vsw1轉換到低電平而將控制電壓Vsw2轉換到高電平，從而使晶體管Q1進入關閉狀態而使晶體管Q2進入開啟狀態。
雖然在本實施例中電阻器Rd1和Rd2由外部電阻器構成，容易理解它們可以由單片電阻器構成。還可以使用諸如扼流圈的電感器代替電阻器Rd1和Rd2。然而，電阻器的使用促進了使用單片構造，實現元件數量的減少，并允許系統尺度減小。由于電阻器Rd1和Rd2的電阻值更大，能夠更可靠地防止RF元件泄漏到用于供給控制電壓Vsw1和Vsw2的信號線是并防止插入損耗的增加。然而，過大電阻值導致緩慢地開關響應，所以將它們設置在5kΩ至20kΩ的范圍內。
在本實施例中，將用于晶體管Q1的柵極電阻器(gate resister)R11、R12和R13各自的電阻值r11、r12和r13設置成滿足，例如r11＝3×r13和r12＝2×r13，從而建立r11＞r12＞r13的關系。同樣，將用于晶體管Q2的柵極電阻器R21、R22和R23各自的電阻值r21、r22和r23也設置成滿足r21＞r22＞r23，例如r21＝3×r23和r22＝2×r23。這里，對于r13和r23的每一個選擇諸如5kΩ的值。
如圖2中所示，雖然源-漏電阻比圖1的電路略高，發射/接收開關電路可以由串聯連接的三個HEMT Q21、Q22和Q23構成的開關組成，使得柵極電阻器R21、R22和R23各自的電阻值r21、r22和r23滿足這樣給出的關系，例如r21∶r22∶r23＝3∶2∶1，并且所述發射/接收開關電路可以由串聯連接的三個晶體管Q11、Q12和Q13構成的開關(省略對其描述)組成，使得柵極電阻器R11、R12和R13各自的電阻值r11、r12和r13同樣滿足這樣給定的關系，例如r11∶r12∶r13＝3∶2∶1。
在發射/接收開關電路中，該電路使用如圖3中所示的由晶體管Q21、Q22和Q23構成的開關和相似地由晶體管Q11、Q12和Q13構成的開關(因此偏壓電源提供點為發射器端子Tx)，晶體管Q21、Q22和Q23各自具有和如圖2所示的晶體管相同結構并被連接成三級，使得各柵極電阻器具有相同的電阻值，且其中經由電阻器Rd2向接收器端子Rx施加偏置電壓Vdc，而晶體管Q11、Q12和Q13被連接成三級，使得各柵極電阻器具有相同的電阻值，在較接近于處于關閉狀態(Vsw2＝0V)下的晶體管Q21、Q22和Q23的源極的各節點Nd1、Nd2和Nd3的電勢Vd1、Vd2和Vd3滿足Vd1＞Vd2＞Vd3，所以從源極流向柵極的電流Ig1、Ig2和Ig3滿足Ig1＞Ig2＞Ig3。
因此，晶體管Q21、Q22和Q23的柵-源電壓Vgs1、Vgs2和Vgs3滿足Vgs1＞Vgs2＞Vgs3。結果，當向較接近于天線端子的晶體管Q21的源極施加諸如具有圖13中示出的波形(i)的RF電壓Vin時，柵-源電壓Vgs1達到開啟電壓(|Vdc|-|Vth|)且比其它晶體管Q22和Q23更早切換到開啟狀態。結果，當晶體管Q21、Q22和Q23處于關閉狀態時，開關電路的最大容許輸入電壓不增高那么多。
通過比較，如果使用如圖2中示出的開關，則將柵極電阻器R21、R22和R23各自的值r21、r22和r23設置成滿足由r21∶r22∶r23＝3∶2∶1給出的關系。結果，電流Ig1、Ig2和Ig3在柵極電阻器R21、R22和R23中流動，由于電壓降，使得在晶體管Q21、Q22和Q23的柵極的各電壓按照晶體管Q21、Q22和Q23的順序逐漸降低，而晶體管Q21、Q22和Q23的柵-源電壓Vgs1、Vgs2和Vgs3基本相同。這防止了這樣一種情況，在這種情況中接近于天線端子的晶體管Q21比其它晶體管Q22和Q23早進入開啟狀態，從而增加了最大容許輸入電壓。這對于圖1中利用三柵HEMT作為開關晶體管的開關電路也是有效的。
在發射期間也進入開啟狀態的晶體管Q11、Q12和Q13中，在晶體管Q11、Q12和Q13的每一個的源與漏之間分配輸入RF電壓Vin，且柵-源電壓Vgs1、Vgs2和Vgs3滿足Vgs1＞Vgs2＞Vgs3。因此，如果柵電阻相同，最接近于發射器端子Tx的晶體管Q11的柵-源電壓最先超過被稱為內建電勢的電壓Vbi，在該電壓下，當由圖13的波形(ii)表示的RF電壓增加并產生大量諧波成分時，使正向電流流入柵極中。
通過比較，如在該實施例中那樣，通過將柵極電阻器R11、R12和R13的電阻值r11、r12和r13之間的比率調節為3∶2∶1，晶體管Q11、Q12和Q13的柵-源電壓Vgs1、Vgs2和Vgs3變得基本相同。這防止了電流最先流進最接近于發射器端子Tx的晶體管Q11的柵極中。這還適用于圖1的利用三柵極HEMT作為開關晶體管的開關電路。因為在根據圖1的實施例的開關電路和根據圖2的實施例的開關電路的每一個中，將在輸入RF功率一側的晶體管的柵極電阻器的電阻值調節得更大，所以可以將最大容許輸入電壓設置為大于圖11中示出的開關電路中的值。
另外，由于沒有可以在中間設置源極和漏極的區域，因而溝道較短，并且由于沒有源極電阻和漏極電阻因而可以減小開啟狀態電阻Ron，這實現了插入損耗的減小，所以使用三柵極HEMT的圖1的開關電路優于圖2中第三晶體管串聯連接的開關電路。而且由于對被輸入RF功率的晶體管Q1和Q2的每一個的端子施加用于給定RF信號工作點的偏置電壓Vdc，從而減小諧波失真，所以根據圖1和2的實施例的開關電路是有利的。
雖然可以想到能夠使用和輸入RF功率的晶體管Q2的端子相對的端子作為向其施加偏置電壓的點，如圖11中所示，該布置包括這樣的可能性，即，由于晶體管Q2的柵-源電容Cgs2的非線性，RF信號(圖13的波形(i))的工作點如圖13中的箭頭X所示移動至超出閾值電壓Vth的線并增加諧波失真。通過比較，在根據圖1和2的實施例的開關電路中，偏置電壓Vd施加于被輸入RF功率的晶體管Q2的端子，從而減小諧波失真。
同樣地，在晶體管Q1中，還能夠使用在另一側上的連接于天線的公共端子COM而非發射器端子Tx作為向其施加偏置電壓的點。然而，該布置包括這樣的可能性，由于晶體管Q1的開啟狀態電阻Ron的非線性，RF信號(圖13的波形(ii))的工作點如圖13中的箭頭Y所示移動以導致在漏電流特性非線性的區域中工作并增加諧波失真。通過比較，因為在根據圖1和2的實施例的開關電路的每一個中，偏置電壓Vdc施加于被輸入RF功率的晶體管Q1的發射端子Tx，因此可以減小諧波失真。
圖4示出根據本發明的發射/接收開關電路的第三實施例。
在該實施例中，將開關晶體管Q3設置在連接于天線的公共端子COM與第二接收器端子Rx2之間以與圖1的實施例中的開關晶體管Q2并聯。與晶體管Q2相似，晶體管Q3由三柵極HEMT構成。連接于柵極的電阻器R31、R32和R33的電阻值r31、r32和r33設置為3∶2∶1。該實施例的開關電路常規地適用于構成能夠發射可接收兩種不同頻帶的信號的系統，例如GSM模式的信號和DCS模式的信號。
圖5示出根據本發明的發射/接收開關電路的第四實施例。
在該實施例中，將并聯結構的開關晶體管Q3和Q4設置在圖1的實施例中的開關晶體管Q2與第一接收器端子Rx1之間和開關晶體管Q2與第二接收其端子Rx2之間，以進一步提高在接收器處的隔離。晶體管Q3和Q4的每一個由雙柵極HEMT構成。將電阻器R31、R32、R41和R42的電阻值r31、r32、r41和r42設置成滿足r31≥r32和r41≥r42。該實施例的開關電路還可容易地用于構成能夠發射可接收兩種不同的頻帶的信號的系統，例如GSM模式中的信號和DCS模式中的信號。
圖6示出了一個模塊的優選實施例示意結構，所述模塊由根據本發明的發射/接收開關電路、功率放大器和低通濾波器組成。
根據該實施例的所述模塊包括形成于半導體集成電路中的開關電路(SWIC)110；功率放大器121，用于放大要發射的1800MHz的DCS信號和要發射的1900MHz的PCS信號；功率放大器122，用于放大要被發射的800MHz至850Mhz的GSM信號；控制電路130，用于產生控制功率放大器121和122的增益的信號和用于在圖110中的開關的開啟/關閉控制的信號；低通濾波器141和142，用于從被功率放大器121和122放大的RF信號中除去諧波；信號分離器150，用于將DCS和PCS發射/接收信號與GSM發射/接收信號分離，以及類似的器件，所述器件安裝在有多個層疊的介質層組成的陶瓷基板100上，每一介質層由氧化鋁或等同物制成，并具有布線或微帶線，每一布線或微帶線由形成在介質層頂部和底部表面上的導電層構成。
SWIC 110由圖4或圖5的實施例中使用的形成在單個半導體芯片上的兩個開關電路構成。該開關各自的柵極的寬度設計成，構成GSM開關電路SW2的晶體管Q1的柵極寬度大于構成DCS/PCS開關電路SW1的晶體管Q1的柵極寬度。GSM最大輸出功率為36dB，而DCS/PCS最大輸出功率為34dB。這是因為，由于GSM最大輸出功率較高，如果不將柵極寬度如上設置，則GSM開關電路和DCS/PCD開關電路沒有相同的插入損耗。代替改變構成開關電路SW1和SW2的晶體管的柵極寬度，還能夠改變晶體管Q1中的柵極的數量。具體地說，將GSM開關電路SW2的晶體管Q1中的柵極數量調至較小。由插入損耗與接收器隔離之間的權衡決定在GSM開關電路SW2和DCS/PCD開關電路SW1中的晶體管Q2的柵極寬度。
功率放大器121和122以及控制電路130的每一個由單個或多個半導體芯片構成。低通濾波器141和142的每一個由用陶瓷基板100上的導電層形成的電阻器和導電層之間的電容構成，或由安裝在基板上的電阻器元件與電容器元件構成。雖然沒有繪出，由微帶線和層間電容構成的阻抗匹配電路設置在功率放大器121和122與低通濾波器141和142之間。將偏置電壓Vdc分別經由外部電阻器Rd21和Rd22施加于SWIC 100的公共端子COM1和COM2。同樣地，雖然沒有繪出，偏置電壓Vdc還施加于發射器端子Tx1和Tx2。信號分離器150由允許DCS和PCS發射/接收信號從其通過的高通濾波器HFT和允許GSM發射/接收信號從其通過的低通濾波器構成。
該實施例的模塊外側，天線ATN連接于信號分離器150，而用于放大接收信號的低噪音放大器221至224帶通濾波器211至214連接于SWIC 110的接收器端子Rx1、Rx2、Rx3和Rx4，其中帶通濾波器211至214的每一個由SAW濾波器構成。低噪音放大器221至224可以與用于調制要被發射的信號的調制電路、用于執行上變頻的混合器、用于解調接收信號的解調電路、用于執行下變頻的混合器等一起形成于單個半導體集成電路(稱之為RF IC)中。
根據由基帶電路提供的輸出電平指示信號Vramp，控制電路130產生用于控制功率放大器121和122的增益的信號，并根據表示模式的信號產生用于SWIC 110中的開關電路的發射/接收開關電壓Vsw1和Vsw2，其中所述基帶電路用于根據要被發射的數據(基帶信號)產生I和Q信號，并產生來自解調的I和Q信號的基帶信號。基帶電路可以構造為在單個半導體芯片上的半導體集成電路(IC)。
通常公知，發射線的阻抗根據由發射線發射的信號的頻率而變化。因此，在圖6的實施例中，將從低通濾波器142至SWIC 110的線(微帶線)L2的長度設置成大于(大約二倍)從低通濾波器141至SWIC 110的線L1的長度，從而線L1的阻抗與線L2的阻抗匹配。這是因為由線L2傳送的GSM信號的頻率低于(大約1/2)DCS信號(1800MHz)和PCS信號(1900MHz)的頻率。通常，在印刷基板上的線主要設計成具有通過線L1傳送的最短距離。因此，在該實施例中，線L2設置成彎曲的結構以具有比線L1的路徑更長的路徑，或者，低通濾波器142設置在比低通濾波器141更遠離SWIC 110的位置。
圖7示出由根據本發明的發射/接收開關電路、功率放大器和低通濾波器構成的模塊以及利用該模塊的無線通信系統的的第二實施例示意性結構。在圖7中，用相同的參考數字表示與圖6中示出的電路相同的電路并省略對其重復描述。
與圖6的構造成能夠發射/接收四種頻帶下的信號的實施例的模塊相比較，圖7的實施例的模塊構造成能夠發射/接收兩種頻帶下的信號，例如，例如GSM信號和DCS信號。圖7的實施例使用在圖1的實施例中使用的呈并聯結構的兩個開關電路和連接于天線并公共連接于兩個開關電路的公共端子COM以作為SWIC 110，所述元件形成在單個半導體芯片上。換句話說，圖7的實施例使用圖4中設置有兩個發射器端子Tx的開關電路和設置在第二發射器端子Tx2與公共端子COM之間的與發射器晶體管Q1并聯的三柵晶體管，所述元件形成在單個半導體芯片上。
將由用于調制&上變頻的混合器240調制的RF信號輸入到功率放大器121和122，該混合器根據從基帶電路300輸入的I和Q信號調制從RF振蕩器230發射的信號。將由低噪音放大器221和222放大的接收信號提供到用于解調&下變頻的混合器250，在混合器250中解調該接收信號。將被解調的I和Q信號提供到基帶電路300，在基帶電路中處理被解調的I和Q信號。RF振蕩器230與混合器240和250形成為在單個半導體芯片上的半導體集成電路(RF IC)。
同樣，在圖7的實施例中，還將從低通濾波器142到SWIC 110的線L2(微帶線)的長度設置為長于從低通濾波器141到SWIC 110的線L1的長度。
下面參考圖8至10介紹當前述實施例的開關電路(SWIC 100)形成在半導體芯片上時的器件結構的實施例。
圖8示出根據該實施例的整個SWIC 100的布局結構。圖9示出通過放大由圖8中的參考標記A表示的范圍內的部分而獲得的布局。通過將圖1中示出的具有單個發射器端子Tx和單個接收器端子Rx的開關電路構造為半導體集成電路而獲得圖8中示出的SWIC 100。
在圖8中，參考標記P1表示作為發射器端子Tx的接合焊盤，P2表示作為公共端子COM的接合焊盤，P3表示作為接收器端子Rx的接合焊盤，P4和P5表示向其輸入用于開關晶體管Q1和Q2的開啟/關閉控制的電壓Vsw1和Vsw2的接合焊盤。另一方面，參考標記L11表示由用氧化鋁或等同物制成的導電層構成的并連接到作為發射器端子Tx的接合焊盤P1的線，L12表示連接于作為公共端子COM的接合焊盤P2的線，而L13表示連接于作為接收器端子Rx的接合焊盤P3的線。
將由開關晶體管Q1的有源層(positive layer)、載流子供給層和接觸層、其連接于接觸層的源/漏極、其設置在源/漏極之間的柵極等形成的晶體管形成區域TAR1設置在位于線L11和L12之間的半導體芯片的表面部分上。另外，將由開關晶體管Q2的有源層、載流子供給層和接觸層、其連接于接觸層的源/漏極、其設置在源/漏極之間的柵極等形成的晶體管形成區域TAR2設置在位于線L12和L13之間的半導體芯片的表面部分上。而且，由用作晶體管Q1的柵極電阻器R11至R13和晶體管Q2的柵極電阻器R21至R23的電阻器層形成的電阻器形成區域PAR1和PAR2形成在這些晶體管Q1和Q2的一側(附圖的右側)。
如圖9中的放大關系所示，在本實施例中，形成在電阻形成區域PAR1和PAR2中的柵極電阻器R11至R13和R21至R23由電阻器層MR1至MR6構成，該電阻器層MR1至MR6用設置為特定長度的WSiN(硅化鎢)或等同物制成的。具體地說，各自具有最小電阻值的柵極電阻器R13和R23由單個電阻器層MR1構成，各自具有柵極電阻器R13和R23的電阻值二倍的電阻值的柵極電阻器R12和R22由兩層電阻器層MR2和MR3構成，而各自具有柵極電阻器R13和R23的電阻值三倍的電阻值的柵極電阻器R11和R21由三層電阻器層MR4至MR6構成。將電阻器層MR1至MR6設計成具有相同的長度和相同的電阻值。在使用多層電阻器層例如柵極電阻器R11、R21、R12和R22的情況中，單獨的電阻器層通過互聯層M1至M4被串聯連接。
在晶體管形成區域TAR1中，源極S1、S2、……在從線L11朝向線L12的方向上形成為梳形結構，而漏極D1、D2、……在從線L12朝向線L11的方向上形成為梳形結構。在這些電極之間，將用作柵極的金屬層GM1、GM2和GM3布置成相互平行和彎曲的關系。
下面參考圖10A至10C給出構成SWIC的開關晶體管Q1和Q2與柵極電阻器R11至R23的橫截面結構的實例及其制造方法的說明，圖10A至10C是沿圖9的線A-A’截取的橫截面圖，并按照它們形成的順序示出了單獨的制造步驟。
首先，以與常規HEMT制造工藝相同的方式，在半導體絕緣GaAs基板120上順序形成GaAs外延層121、用作工作層的GaAs層122、用作載流子提供層的AlGaAs層123和用作低電阻接觸層的n-GaAs層124。然后，蝕刻掉除晶體管形成區域之外的部分并形成由PSG膜和SiO膜構成的絕緣膜131。隨后，將WSiN膜形成在絕緣膜上，然后將其構圖以形成用作柵極電阻器的電阻器層141從而實現圖10A中示出的狀態。
其后，在位于晶體管形成區域之上的絕緣膜131的部分上通過選擇性蝕刻形成開口。然后，在開口中形成用作源/漏極的金屬層151和152從而實現圖10B中示出的狀態。隨后，選擇蝕刻位于金屬層151與152之間的絕緣膜131和n-GaAs層124的各自的部分以便于形成三個開口。在三個開口的每一個中形成金屬層153，用作與AlGaAs層123接觸的柵極，從而實現如圖10C中示出的狀態。
雖然至此已經給出了本發明者所做出的本發明的實施例的具體說明，本發明不限于前述實施例。很容易意識到在不脫離本發明宗旨的情況下可以做出各種修改和變化。
例如，雖然前述實施例通過所述電阻器將直流電壓Vdc施加到發射器端子Tx和公共端子COM的每一個，該直流電壓Vdc提供偏壓點，還可以經由諸如扼流圈的電感器施加直流電壓Vdc。在那種情況中，電感器也可以由外部元件或在形成有晶體管Q1和Q2的同一芯片上形成的單片元件構成。
雖然，在圖5的例子中，雙柵晶體管Q3和Q4串聯連接至三柵晶體管Q2，晶體管Q3和Q4還可以是單柵晶體管。雖然前述實施例已經描述了作為晶體管用于構成開關電路的HEMT，還可以使用諸如MESFET的其它FET替換HEMT。
雖然前述實施例使用WSiN作為連接于開關晶體管Q1和Q2的柵極的柵極電阻器，還可以通過利用具有相對較高的表面電阻的難熔金屬，而不是WSi、難熔金屬硅化物或其構成的多層疊層，來形成柵極電阻器。
雖然，已經給出了本發明應用于適合于四頻帶系統和雙頻帶系統的開關電路的情況的說明，其中所述四頻帶系統構造成能夠按照GSM 800、GSM 850、DCS 1800和PCS 1900的四種模式通信，所述雙頻帶系統構造成能夠按照GSM和DCS兩種模式通信，并且給出了該開關電路與功率放大器一起安裝于其上的模塊的說明，但是本發明不限于此。本發明還可用于在這樣一個系統中使用的開關電路，例如發射和接收2.4GHz頻帶和5GHz頻帶的信號的無線LAN系統。
下面是對本申請中公開的本發明的代表性方面可達到的效果的簡單說明。
具體地，根據本發明通過利用FET替換二極管作為構成開關電路的元件，可以減小構成通信系統和模塊(用于通信的電子元件)的元件數量，且可以提高安裝密度。通過控制柵極電阻器的電阻值，使得所述電阻值在從施加了最高電壓的柵極朝向施加了最低電壓的柵極的方向上逐漸變小，能夠防止被輸入較高電壓的FET更早地進入開啟狀態的情況，減小插入損耗，并減小了諧波失真。
通過進一步地將用于偏置的直流電壓施加到發射器端子和連接于天線的端子，可以提高輸入到發射器端子的RF信號的最大容許功率。結果，即使當使用具有大的最大輸出功率無線通信系統時，插入損耗小且從發射器到接收器的泄漏功率總量小，從而減小諧波失真。
權利要求
1.一種用于通信的電子元件，包括第一功率放大電路，用于放大要被發射的第一頻帶下的RF信號；第二功率放大電路，用于放大要被發射的第二頻帶下的RF信號；連接于發射/接收天線的第一端子；第二端子，連接到用于處理接收的第一頻帶下的RF信號的第一接收電路；第三端子，連接到用于處理接收的第二頻帶下的RF信號的第二接收電路；第一開關電路，設置在所述第一端子與所述第一功率放大電路之間和所述第一與第二端子之間；以及第二開關電路，設置在所述第一端子與所述第二功率放大電路之間和所述第一與第三端子之間，其中，構成所述第一開關電路的晶體管和構成所述第二開關電路的晶體管具有各自彼此不同的特性，從而使第一開關電路的插入損耗與第二開關電路的插入損耗平衡。
2.根據權利要求1所述的用于通信的電子元件，其中構成所述第一開關電路的晶體管和構成所述第二開關電路的晶體管具有不同特性，其柵極寬度不同。
3.根據權利要求1所述的用于通信的電子元件，其中所述第一開關電路包括設置在所述第一端子與第一功率放大電路之間的第一開關裝置和設置在所述第一與第二端子之間的第二開關裝置，其中所述第二開關電路包括設置在所述第一端子與第二功率放大電路之間的第三開關裝置和設置在所述第一與第三端子之間的第四開關裝置，所述第二和第四開關裝置的每一個由單個多柵晶體管或多個串聯的晶體管構成，各自的電阻器元件連接在晶體管的多個柵極端子或晶體管與其中被公共使用的控制輸入端子之間，將電阻器元件的電阻值設置成，使得與更接近所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更大的電阻值。
4.根據權利要求3所述的用于通信的電子元件，其中第一和第三開關裝置的每一個由單個多柵晶體管或多個串聯連接的晶體管構成，各自的電阻器元件連接在晶體管多個柵極端子或晶體管與在其間被公共使用的控制輸入端子之間，且將電阻器元件的電阻值設置成，使得與更接近于所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更小的電阻值。
5.一種用于通信的電子元件，包括第一功率放大電路，用于放大要被發射的第一頻帶下的RF信號；第二功率放大電路，用于放大要被發射的第二頻帶下的RF信號；連接于發射/接收天線的第一端子；第二端子，連接到用于處理接收的第一頻帶下的RF信號的第一接收電路；第三端子，連接到用于處理接收的第二頻帶下的RF信號的第二接收電路；第一開關電路，設置在所述第一端子與所述第一功率放大電路和所述第二端子之間；以及第二開關電路，設置在所述第一端子與所述第二功率放大電路和所述第三端子之間，其中，將所述第二頻帶中的頻率調節至小于所述第一頻帶中的頻率，且將形成在所述第二功率放大電路與第二開關電路之間用于傳送要被發射的RF信號的第一信號線設計成比第二信號線長，所述第二信號線形成在所述第一功率放大電路與第一開關電路之間以傳送要被發射的RF信號。
6.一種用于通信的電子元件，包括第一功率放大電路，用于放大要被發射的第一頻帶下的RF信號；第二功率放大電路，用于放大要被發射的第二頻帶下的RF信號；連接于發射/接收天線的第一端子；第二端子，連接到用于處理接收的第一頻帶下的RF信號的第一接收電路；第三端子，連接到用于處理接收的第二頻帶下的RF信號的第二接收電路；第一開關電路，設置在所述第一端子與所述第一功率放大電路和所述第二端子之間；和第二開關電路，設置在所述第一端子與所述第二功率放大電路和所述第三端子之間，其中，經由電阻器元件，向所述第一開關電路的信號輸入端子和所述第二開關電路的信號輸入端子以及所述第一端子的每一個施加特定的直流電壓，其中所述第一開關電路被輸入了要發射的所述第一頻帶下的RF信號，所述第二開關電路被輸入要發射的所述第二頻帶下的RF信。
7.根據權利要求6所述的用于通信的電子元件，其中至少所述第一和第二開關電路形成在單個半導體芯片上，且連接于所述信號輸入端子與所述第一端子的每一個的所述電阻器元件連接至半導體芯片外側的所述半導體芯片的特定端子。
8.一種用于轉換發射和接收的半導體器件，包括連接于發射/接收天線的第一端子；連接于發射電路的第二端子；連接于接收電路的第三端子；設置在所述第一與第二端子之間的第一開關裝置；和設置在所述第一與第三端子之間的第二開關裝置，所述半導體器件通過所述第一和第二開關裝置的開啟/關閉操作來在要被發射的信號與接收信號之間進行轉換，其中所述第二開關裝置由單個多柵晶體管或多個串聯的晶體管構成，各電阻器元件連接在晶體管的多個柵極端子或晶體管與在其間被公共使用的控制輸入端子之間，并且將電阻器元件的電阻值設置成使得與更接近于所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更大的電阻值。
9.根據權利要求8所述的用于轉換發射和接收的半導體器件，其中所述第一開關裝置由單個多柵晶體管或多個串聯的晶體管構成，各電阻器元件連接在晶體管的多個柵極端子或晶體管與在其間被公共使用的控制輸入端子之間，將電阻器元件的電阻值設置成使得與更接近所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更大的電阻值。
10.根據權利要求8所述的用于轉換發射和接收的半導體器件，其中所述電阻器元件的每一個由難熔金屬層或難熔金屬的硅化物層構成，所述難熔金屬層或難熔金屬的硅化物層在形成有所述晶體管或多個晶體管的半導體襯底的晶體管形成區域外側的絕緣膜上形成特定圖形。
11.根據權利要求8所述的用于轉換發射和接收的半導體器件，其中所述第二開關裝置由多柵晶體管和第二晶體管構成，所述第二晶體管連接在所述第一與第三端子之間與所述多柵晶體管串連，各自的電阻器元件連接在所述多柵晶體管的多個柵極端子與在其間被公共使用的控制輸入端子之間，將所述電阻器元件的電阻值設置為，使得與更接近于所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更大的電阻值。
12.根據權利要求8所述的用于轉換發射和接收的半導體器件，還包括連接于第二接收電路的第四端子；和連接在所述第一與第四端子之間的第三開關裝置，其中所述第三開關裝置由單個多柵晶體管或多個串聯的晶體管構成，各自的電阻器元件連接在晶體管的多個柵極端子或晶體管與在其間被公共使用的控制輸入端子之間，將所述電阻器元件的電阻值設置為，使得與更接近所述第一端子的柵極端子相連接的電阻器元件具有更大的電阻值。
全文摘要
提供一種發射/接收開關電路，其有小的插入損耗和諧波失真，并允許功率放大器的輸出功率的提高，還提供一種用于通信的電子元件，在該電子元件上安裝該發射/接收開關電路。使用串聯的FET或多柵FET代替二極管作為構成無線通信系統中的發射/接收開關電路的元件。將連接在單個的柵極端子與控制端子之間的柵極電阻器設置成具有從施加了最高電壓的柵極朝向施加了最低電壓的柵極逐漸變小的電阻值。
文檔編號H03F3/72GK1592088SQ20041005870
公開日2005年3月9日 申請日期2004年7月28日 優先權日2003年8月27日
發明者中島秋重, 小川貴史, 末永英典, 丹下英吾, 長壁伸也, 重野靖 申請人:株式會社瑞薩科技