多区射频晶体管放大器制造技术

RF晶体管放大器包括具有基于III族氮化物的半导体层结构以及各自都在半导体层结构的上表面上的多个栅极端子、多个漏极端子和至少一个源极端子的的RF晶体管放大器管芯，在RF晶体管放大器管芯的上表面上的互连结构，以及在RF晶体管放大器管芯与互连结构之间将栅极端子、漏极端子和源极端子电连接到互连结构的耦合元件。合元件。合元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多区射频晶体管放大器


[0001]本申请要求于2020年6月25日提交的美国专利申请序列号No.16/911,757的优先权，其全部内容通过引用并入本文，如同其完整内容在此阐述一样。
[0002]

[0003]本专利技术涉及微电子装置，更具体地涉及射频(“RF”)晶体管放大器。

技术介绍

[0004]在高频下(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))操作同时要求高功率处置能力的电路变得更加普遍。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RF晶体管放大器有很高的需求。这些RF晶体管放大器常常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晶体管放大器可能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(unit cell)”构造实现，其中大量单独“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，其被设计用于改善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，其被设计用于至少部分地终止可以在装置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封装中。电引线可以从封装延伸，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封装中。
[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的横截面视图。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可以被封装以分别提供封装的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，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，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)可以通过例如键合线(未示出)连接到栅极端子22，并且第二电路元件(未示出)可以通过例如键合线(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]参考图1B
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1D，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。
[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，半导体层结构30总共包括三层，即，生长基板32、在生长基板32上形成的半导体沟道层34、与生长基板32相对在沟道层34上形成的半导体势垒层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：导电的(通常是金属)栅极歧管42和导电的(通常是金属)漏极歧管44，导电的栅极和漏极通孔43、45、导电的栅极和漏极端子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可以包括例如穿过介电材料(诸如氧化硅或氮化硅)形成的金属柱。
[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，其中之一在图1C中以虚线框指示。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，具有基于III族氮化物的半导体层结构以及各自都在所述半导体层结构的上表面上的多个栅极端子、多个漏极端子和至少一个源极端子；互连结构，在所述RF晶体管放大器管芯的上表面上；以及耦合元件，在所述RF晶体管放大器管芯与所述互连结构之间，将所述栅极端子、所述漏极端子和所述源极端子电连接到所述互连结构。2.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中所述RF晶体管放大器管芯被划分为多个区，其中所述区中的每个区包括多个单位单元晶体管，并且其中所述区中的至少一个区能够独立于所述区中的其它区操作。3.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区被配置为放大第一频率范围中的RF信号，并且所述区中的第二区被配置为放大与所述第一频率范围不同的第二频率范围中的RF信号。4.如权利要求2或3所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的每个区包括相应的多个单位单元晶体管，并且其中所述区中的第一区中的栅极指具有第一长度，所述区中的第二区中的栅极指具有与所述第一长度不同的第二长度。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，其中所述RF放大器被配置为将RF信号路由到所述区的第一子集以在输出功率水平的第一范围中操作，并将RF信号路由到所述区的与所述第一子集不同的第二子集以在与所述第一输出功率水平范围不同的第二输出功率水平范围中操作。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，还包括输入开关网络和输出开关网络，所述输入开关网络和所述输出开关网络能够被配置为将所述区中的一些切换到在到所述RF晶体管放大器的输入端与所述RF晶体管放大器的输出端之间的RF传输路径。7.如权利要求6所述的RF晶体管放大器，其中所述输入开关网络和所述输出开关网络中的至少一个设置在所述互连结构上和/或所述互连结构内。8.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中所述区之一包括冗余区，所述RF晶体管放大器还包括开关网络，该开关网络能够被设置为将传输路径从所述区中的第一区切换到所述冗余区。9.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区的单位单元晶体管与所述区中的第二区的单位单元晶体管串联电耦合。10.如权利要求9所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区的单位单元晶体管被配置为前置放大器，并且所述区中的第二区的单位单元晶体管被配置为主放大器。11.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区的单位单元晶体管具有与所述区中的第二区的单位单元晶体管不同的构造，并且其中所述区中的第一区的单位单元晶体管和所述区中的第二区的单位单元晶体管并联电连接。12.如权利要求11所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区的单位单元晶体管被配置为Doherty放大器的主放大器，并且所述区中的第二区的单位单元晶体管被配置为Doherty放大器的峰化放大器。13.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中用于所述区中的第一区的栅极端子耦合到接地连接，并且用于所述区中的第二区的源极端子耦合到接地连接。
14.如权利要求13所述的RF晶体管放大器，其中所述第一区和所述第二区形成共栅极共源极放大器。15.如权利要求13所述的RF晶体管放大器，还包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络耦合在所述第一区的输出端和所述第二区的输入端之间。16.如权利要求15所述的RF晶体管放大器，其中所述阻抗匹配网络在所述互连结构上和/或在所述互连结构内。17.如权利要求12所述的RF晶体管放大器，其中所述互连结构包括并联地电连接所述区的子集的组合网络。18.如权利要求11所述的RF晶体管放大器，其中每个栅极端子通过相应的RF传输路径耦合到所述RF晶体管放大器的输入端，其中所述RF传输路径的电气长度基本相等。19.如权利要求1所述的RF晶体管放大器，其中所述漏极端子中的第一漏极端子串联电耦合到所述栅极端子中的第二栅极端子。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，其中所述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，其中所述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所述互连结构上。23.如权利要求22所述的RF晶体管放大器，其中所述电路元件包括表面贴装电容器和表面贴装电感器中的至少一种。24.如权利要求22所述的RF晶体管放大器，其中所述RF晶体管放大器管芯的不连接到所述互连结构的侧面被封装。25.如权利要求2所述的RF晶体管放大器，其中每个区包括所述栅极端子中的相应栅极端子和所述漏极端子中的相应漏极端子。26.如权利要求1
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25中的任一项所述的RF晶体管放大器，其中栅极端子的数量与漏极端子的数量不同。27.一种射频(“RF”)晶体管放大器，包括：RF晶体管放大器管芯，具有基于III族氮化物的半导体层结构以及各自位于所述半导体层结构的上表面上的多个栅极端子、多个漏极端子和源极端子，其中所述RF晶体管放大器管芯被划分为多个区，其中所述区中的每个区包括多个单位单元晶体管，并且其中所述区中的第一区与所述区中的第二区串联电耦合。28.如权利要求27所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第一区与所述区中的第三区并联电耦合。29.如权利要求28所述的RF晶体管放大器，其中所述区中的第二区与所述区中的第四区并联电耦合。30.如权利要求27
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29中的任一项所述的RF晶体管放大器，还包括：互连结构，在所述RF晶体管放大器管芯的上表面上；以及耦合元件，在所述RF晶体管放大器管芯与所述互连结构之间，将所述栅极端子、所述漏极端子和所述源极端子电连接到所述互连结构。
31.如权利要求27
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【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：