具有被屏蔽传输线结构的RF放大器制造技术

RF晶体管放大器包括：具有半导体层结构的RF晶体管放大器管芯；在半导体层结构的上表面上的耦合元件；以及互连结构，其在耦合元件的上表面上，使得RF晶体管放大器管芯和互连结构处于堆叠布置中。耦合元件包括第一被屏蔽传输线结构。线结构。线结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有被屏蔽传输线结构的RF放大器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年6月1日提交的序列号16/888,957的美国专利申请的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及微电子设备，并且更具体地涉及高功率、高频晶体管放大器。

技术介绍

[0004]在高频(诸如R频带(0.5
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1GHz)、S频带(3GHz)、X频带(10GHz)、Ku频带(12
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18GHz)、K频带(18
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27GHz)、Ka频带(27
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40GHz)和V频带(40
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75GHz))下操作时要求高功率处置能力的电路已变得更加普遍。特别地，现在对用于放大例如500MHz和更高频率(包括微波频率)的RF信号的射频(“RF”)晶体管放大器有很高的需求。这些RF晶体管放大器可能需要表现出高可靠性、良好的线性度和处置高输出功率水平。
[0005]大多数RF晶体管放大器采用硅或宽带隙半导体材料(诸如碳化硅(“SiC”)和III族氮化物材料)实现。如本文所使用的，术语“III族氮化物”是指在氮和元素周期表的III族元素(通常是铝(Al)、镓(Ga)和/或铟(In))之间形成的那些半导体化合物。该术语还指三元和四元化合物，诸如AlGaN和AlInGaN。这些化合物具有经验式，其中一摩尔氮与总共一摩尔III族元素结合。
[0006]基于硅的RF晶体管放大器通常使用横向扩散金属氧化物半导体(“LDMOS”)晶体管来实现。硅LDMOS RF晶体管放大器可以表现出高水平的线性度，并且制造起来可以相对便宜。基于III族氮化物的RF晶体管放大器通常作为高电子迁移率晶体管(“HEMT”)实现，并且主要用在要求高功率和/或高频率操作的应用中，其中LDMOS RF晶体管放大器可以具有固有的性能限制。
[0007]RF晶体管放大器可以包括一个或多个放大级，每个放大级通常被实现为晶体管放大器。为了增加输出功率和电流处置能力，RF晶体管放大器通常以“单位单元”构造实现，其中大量个体“单位单元”晶体管电并联布置。RF晶体管放大器可以被实现为单个集成电路芯片或“管芯”，或者可以包括多个管芯。当使用多个RF晶体管放大器管芯时，它们可以串联和/或并联连接。
[0008]RF晶体管放大器常常包括匹配电路，诸如(1)阻抗匹配电路，其被设计为改善RF晶体管放大器管芯与连接到其的传输线之间的阻抗匹配(对于处于放大器的基本操作频率的RF信号)以及(2)谐波终止电路，其被设计为至少部分地终止会在设备操作期间生成的谐波，诸如二阶和三阶谐波。(一个或多个)RF晶体管放大器管芯以及阻抗匹配和谐波终止电路可以被封在包装中。电引线可以从包装延伸，其用于将RF晶体管放大器电连接到诸如输入和输出RF传输线和偏置电压源之类的外部电路元件。
[0009]如上所述，基于III族氮化物的RF晶体管放大器常常用在高功率和/或高频应用中。通常，在操作期间，基于III族氮化物的RF晶体管放大器管芯内生成大量热量。如果RF晶
体管放大器管芯变得太热，那么其性能(例如，输出功率、效率、线性度、增益等)会恶化和/或RF晶体管放大器管芯会损坏。因此，基于III族氮化物的RF晶体管放大器通常安装在可以针对散热进行优化的包装中。
[0010]图1A至1D是示意性图示常规的基于III族氮化物的RF晶体管放大器管芯10的各种视图。特别地，图1A是基于III族氮化物的RF晶体管放大器管芯10的示意性平面图，并且图1B是沿着图1A的线1B
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1B截取的RF晶体管放大器管芯10的侧视图。图1C是沿着图1B的线1C
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1C截取的示意性横截面视图，示出了RF晶体管放大器管芯10的半导体层结构的顶表面上的金属化，并且图1D是沿着图1C的线1D
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1D截取的RF晶体管放大器管芯10的横截面视图。图1E和1F是图示图1A
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1D的RF晶体管放大器管芯10可以被包装以分别提供包装的RF晶体管放大器1A和1B的两种示例方式的示意性横截面视图。将认识到的是，图1A
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1F(以及本申请的许多其它图)是高度简化的图，并且实际的RF晶体管放大器可以包括本文简化的图中未示出的更多单位单元和各种电路系统和元件。
[0011]如图1A中所示，RF晶体管放大器管芯10包括暴露在RF晶体管放大器管芯10的顶侧的栅极端子22和漏极端子24。第一电路元件(未示出)可以通过例如接合线(未示出)连接到栅极端子22，并且第二电路元件(未示出)可以通过例如接合线(未示出)连接到漏极端子24。例如，第一电路元件可以将要被放大的输入RF信号传递给RF晶体管放大器管芯10，而第二电路元件可以接收由RF晶体管放大器管芯10输出的放大的RF信号。保护性绝缘层或图案28可以覆盖RF晶体管放大器管芯10的顶表面的其余部分。
[0012]如图1B
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1D中所示，RF晶体管放大器管芯10还包括半导体层结构30、顶侧金属化结构20和用作RF晶体管放大器管芯10的源极端子26的背侧金属化结构管芯10。
[0013]半导体层结构30包括多个半导体层。RF晶体管放大器管芯10可以是基于HEMT的RF晶体管放大器管芯，因此半导体层结构30可以至少包括沟道层和势垒层。参考图1D，在所描绘的示例中，总共示出了三层，即，依次形成在生长基板32上的半导体沟道层34和半导体势垒层36，生长基板32可以是半导体或绝缘基板(诸如SiC或蓝宝石基板)。即使由非半导体材料形成，生长基板32也被认为是半导体层结构30的一部分。
[0014]再次参考图1B，半导体层结构30具有顶侧12和底侧14。顶侧金属化结构20在半导体层结构30的顶侧12上形成并且源极端子26在半导体层结构30的底侧14上形成。顶侧金属化结构20包括(除其它事物以外)导电(通常是金属)栅极歧管42和导电(通常是金属)漏极歧管44、导电栅极和漏极通孔43、45、导电栅极和漏极端子22、24，以及栅极、漏极和源极指52、54、56(下面描述)。栅极歧管42通过栅极通孔43电连接到栅极端子22，并且漏极歧管44通过导电漏极通孔45电连接到漏极端子24。栅极和漏极通孔43、45可以包括例如通过介电材料(诸如氧化硅或氮化硅)形成的镀金属的通孔或金属柱。
[0015]如图1C中所示，RF晶体管放大器管芯10包括多个单位单元晶体管16，其中之一由图1C中的虚线框指示。每个单位单元晶体管16包括栅极指52、漏极指54和源极指56。栅极、漏极和源极指52、54、56在半导体层结构30的上表面上形成并且包括顶侧金属化结构20的一部分。顶侧金属化结构20还包括栅极歧管42和漏极歧管44。栅极指52电连接到栅极歧管42，并且漏极指54电连接到漏极歧管44。源极指56经由延伸穿过半导体层结构30的多个导电源极通孔66电连接到源极端子26(图1B)。导电源极通孔66可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种射频(“RF”)晶体管放大器，包括：RF晶体管放大器管芯，其具有半导体层结构；耦合元件，其在半导体层结构的上表面上；以及互连结构，其在耦合元件的上表面上，使得RF晶体管放大器管芯和互连结构处于堆叠布置中，其中耦合元件包括第一被屏蔽传输线结构。2.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构包括电连接到RF晶体管放大器管芯的第一输入/输出端子的第一导电柱以及在第一导电柱的相对侧的第一导电接地柱和第二导电接地柱，第一导电接地柱和第二导电接地柱电连接到RF晶体管放大器管芯的接地端子。3.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构还包括在第一导电柱的相对侧的第三导电接地柱和第四导电接地柱，第三导电接地柱和第四导电接地柱电连接到RF晶体管放大器的接地端子。4.如权利要求3所述的RF晶体管放大器，其中第一导电接地柱至第四导电接地柱包围第一导电柱。5.如权利要求2
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4中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电柱垂直地重叠RF晶体管放大器管芯的有源区域。6.如权利要求2
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5中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电接地柱垂直地重叠RF晶体管放大器管芯的歧管，其中歧管连接到跨RF晶体管放大器管芯的有源区域延伸的多个导电指。7.如权利要求2
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6中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第二导电接地柱垂直地重叠RF晶体管放大器管芯的有源区域之外的RF晶体管放大器管芯的一部分。8.如权利要求2
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7中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电柱和第一导电接地柱都垂直地重叠第一输入/输出端子。9.如权利要求2
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8中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一输入/输出端子包括栅极端子并且接地端子包括源极端子，其中耦合元件还包括第二被屏蔽传输线结构，该第二被屏蔽传输线结构包括电连接到RF晶体管放大器管芯的漏极端子的第二导电柱以及在第二导电柱的相对侧的第五导电接地柱和第六导电接地柱，第五导电接地柱和第六导电接地柱电连接到源极端子。10.如权利要求2
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8中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一输入/输出端子包括栅极端子并且接地端子包括源极端子，RF晶体管放大器管芯还包括漏极端子，并且其中源极端子在栅极端子的相对侧并且在漏极端子的相对侧。11.如权利要求2
‑
10中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电柱和第三导电柱电连接到RF晶体管放大器管芯的栅极歧管，并且其中第一导电接地柱定位在第一导电柱和第三导电柱之间。12.如权利要求2
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11中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第二导电接地柱包括金属块，该金属块在平行于RF晶体管放大器管芯的主表面的第一平面中具有至少五倍于第一导电柱在第一平面中的横截面面积的横截面面积。13.如权利要求2
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12中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电接地柱具有第
一端和第二端，并且第二端不连接到导电元件。14.如权利要求2
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13中的任一项所述的RF晶体管放大器，耦合元件还包括包围第一导电柱以及第一导电接地柱和第二导电接地柱的可注入底部填充材料。15.如权利要求1
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14中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中互连结构包括第二被屏蔽传输线结构。16.如权利要求15所述的RF晶体管放大器，其中第二被屏蔽传输线结构包括带状线传输线片段。17.如权利要求15所述的RF晶体管放大器，其中第二被屏蔽传输线结构包括共面波导传输线片段。18.如权利要求15所述的RF晶体管放大器，其中第二被屏蔽传输线结构包括接地共面波导传输线片段。19.如权利要求1
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18中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中半导体层结构包括基于III族氮化物的半导体层结构。20.如权利要求1
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19中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中互连结构包括再分布层层压结构。21.如权利要求1
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19中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中互连结构包括印刷电路板。22.如权利要求1
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21中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中多个电路元件安装在互连结构上。23.如权利要求22所述的RF晶体管放大器，其中电路元件包括表面安装电容器和表面安装电感器中的至少一个。24.如权利要求22所述的RF晶体管放大器，其中RF晶体管放大器管芯的未连接到互连结构的侧面被封装。25.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中RF晶体管放大器管芯还包括在半导体层结构的上表面上的栅极端子、漏极端子和源极端子。26.如权利要求25所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构包括电连接到栅极端子的栅极柱以及在栅极柱的相对侧的第一接地柱和第二接地柱，第一接地柱和第二接地柱电连接到源极端子。27.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构包括多个导电柱，所述多个导电柱被布置为使得导电柱中的第一导电柱是信号承载柱，所述信号承载柱在至少两侧被耦合到地电压源的导电柱中的附加导电柱包围。28.如权利要求27所述的RF晶体管放大器，其中导电柱中的第一导电柱在至少三侧被耦合到地电压源的导电柱中的一些导电柱包围。29.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中耦合元件具有扇入配置。30.一种射频(“RF”)晶体管放大器，包括：RF晶体管放大器管芯，其具有基于III族氮化物的半导体层结构以及在半导体层结构的上表面上延伸的栅极指和漏极指；以及第一被屏蔽传输线结构，其垂直于半导体层结构的上表面延伸。31.如权利要求30所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构电连接到栅极
指和漏极指中的一个。32.如权利要求30所述的RF晶体管放大器，还包括互连结构，其中第一被屏蔽传输线结构将RF晶体管放大器管芯电连接到互连结构。33.如权利要求30所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构包括电连接到栅极指中的一个或漏极指中的一个的第一导电柱，以及在第一导电柱的相对侧的第一导电接地柱和第二导电接地柱，第一导电接地柱和第二导电接地柱电连接到RF晶体管放大器管芯的源极指。34.如权利要求33所述的RF晶体管放大器，其中第一被屏蔽传输线结构还包括在第一导电柱的相对侧的第三导电接地柱和第四导电接地柱，第三导电接地柱和第四导电接地柱电连接到源极指。35.如权利要求33或34所述的RF晶体管放大器，其中第一导电柱垂直地重叠RF晶体管放大器管芯的有源区域。36.如权利要求33
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35中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中第一导电接地柱垂直地重叠电连接到或者栅极指或者漏极指的R...

【专利技术属性】
技术研发人员：林广模，B，
申请(专利权)人：沃孚半导体公司，
类型：发明
国别省市：