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4.3.4 トランジスタ間の温度差低減の検討
HBT を 搭 載 す る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 小 型 化 は ， 携 帯 電 話 端 末 の 小 型 化 も し く は 高 機 能 化 の た め に 大 変 重 要 で あ る ． コ レ ク タ ア ッ プ HBT の 熱 抵 抗 は ，PHS 層 と エ ミ ッ タ 層 の 厚 さ が そ れ ぞ れ 24 t，0.03 t で あ れ ば ， 図 4.6 に 示 し た よ う に ， そ の 熱 抵 抗 は 通 常 用 い ら れ る エ ミ ッ タ ア ッ プHBTの 1/3以 下 に す る こ と が で き る ． こ れ は ，パ ワ ー ア ン プ の 小 型 化 に コ レ ク タ ア ッ プ HBTが 寄 与 で き る 可 能 性 を 示 し た も の で あ る ．
HBT を 用 い る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル で は ， 送 信 回 路 か ら 出 さ れ た 信 号 を 高 出 力 信 号 に 増 幅 す る た め に ，複 数 フ ィ ン ガ ー 構 成 の HBTを 必 要 と す る ．こ れ は ，HBT だ け で な く ，MOS ト ラ ン ジ ス タ を 用 い た 場 合 も も ち ろ ん 同 様 で あ る ． 従 っ て ， 上 記 の よ う な フ ィ ン ガ ー 単 体 で の 熱 抵 抗 だ け で な く ， 複 数 の フ ィ ン ガ ー が 並 列 に 置 か れ た 場 合 の 発 熱 特 性 を 評 価 し な け れ ば ， 製 品 へ の 適 用 可 能 性 に つ い て は 検 討 で き な い ． そ こ で ， 単 一 の 巨 大 な 放 熱 孔 の 上 に 4 本 の フ ィ ン ガ ー が 並 列 に 配 置 さ れ た 構 成 を ， パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル 小 型 化 の た め に 開 発 中 で あ る ． こ の 4 フ ィ ン ガ ー の 構 成 を 1 グ ル ー プ と し て ，数 10 グ ル ー プ 程 度 の グ ル ー プ で パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 出 力 段 を 形 成 す る こ と を 検 討 し て い る ．
図 4.7 は ， 巨 大 放 熱 孔 上 に 形 成 し た 4 フ ィ ン ガ ー 構 成 の HBT 列 を 示 し た も の で
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あ る ．HBT フ ィ ン ガ ー 間 の 温 度 差 が あ る と 電 流 の 集 中 を 引 き 起 こ す 可 能 性 が あ る た め ，個 々 の HBTフ ィ ン ガ ー か ら 生 じ た 熱 は ，極 力 そ の 影 響 を 他 の フ ィ ン ガ ー の 温 度 上 昇 に 与 え る こ と な く 外 部 に 放 熱 さ れ る よ う に 設 計 さ れ る べ き で あ る ． 例 え ば ，PHS 層 は ， 上 記 の よ う な フ ィ ン ガ ー 間 の 熱 的 な 干 渉 を 削 減 す る 効 果 が あ る と 期 待 さ れ る ． ま た ， フ ィ ン ガ ー の 間 隔 を 大 き く す れ ば ， フ ィ ン ガ ー 間 の 熱 的 な 干 渉 は 低 減 さ れ る は ず で あ る ．そ こ で ，図 4.7 に 示 す 4本 構 成 の コ レ ク タ ア ッ プ HBT の 熱 抵 抗 を ， フ ィ ン ガ ー の 中 心 間 隔 の 関 数 と し て 評 価 し た ．
図 4.8 は 巨 大 放 熱 孔 上 に 形 成 さ れ た 4 本 構 成 の コ レ ク タ ア ッ プ HBT の 熱 抵 抗 を 示 し た も の で あ る ． 図 4.7 に お い て ， フ ィ ン ガ ー の 中 心 間 隔 は 図 4.4.1 に 示 し た 標 準 構 造 の コ レ ク タ ア ッ プ HBTの ，GaAs層 の 15 倍 で あ る と 仮 定 し た ．こ の よ う に 中 心 間 隔 を 比 較 的 狭 く し て い る の は ，HBTの 構 造 を 小 型 化 す る ，ひ い て は HBTを 搭 載 す る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル を 小 型 化 す る た め に ， 中 心 間 隔 を 狭 く す る こ と が 有 利 に 働 く た め で あ る ．図 4.8 は ，フ ィ ン ガ ー の 中 心 間 隔 を 広 く す る か ，PHS層 の 厚 さ を 厚 く す る か ， あ る い は エ ミ ッ タ 層 の 厚 さ を 薄 く す る こ と が で き れ ば ， 熱 抵 抗 の 低 減 が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る ． こ の う ち ， 最 も 効 果 が 高 い の は ， や は り ， エ ミ ッ タ 層 の 厚 さ で あ る ．
図4.9 お よ び 図 4.10 は 4 フ ィ ン ガ ー 構 成 の コ レ ク タ ア ッ プ HBTの 温 度 分 布 を 示 す 図 で あ る ． こ の う ち ， 図 4.9.1 は 4 フ ィ ン ガ ー 構 成 の コ レ ク タ ア ッ プ HBT の ， 解 析 モ デ ル の 断 面 図 で あ り ，図 4.9.2 は 図 4.9.1に 示 し た 4 フ ィ ン ガ ー の HBTの 断 面 温 度 分 布 で あ る ．図 4.9.2 に よ れ ば ，4 本 の う ち 中 央 2本(図 4.7の No.2 と No.3) のHBTフ ィ ン ガ ー の 温 度 は 他 の 端 部 に あ るHBTの 温 度 よ り 高 く な っ て い る こ と が わ か る ．図 4.9 は フ ィ ン ガ ー の 中 心 間 隔 が GaAs層 の 厚 さ tに 対 し そ の 15 倍 の 場 合 の ，コ レ ク タ 内 の 発 熱 領 域 の 温 度 分 布 を 示 し た も の で あ る ．個 々 の HBTフ ィ ン ガ ー の 最 高 温 度 は ，そ れ ぞ れ ，異 な っ た 値 と な っ て い る ．当 初 は 巨 大 な 放 熱 孔 が HBT フ ィ ン ガ ー 間 の 熱 的 な 干 渉 を 無 視 で き る ほ ど 小 さ く す る 効 果 ， 即 ち ， 遮 蔽 効 果 を 有 す る も の と 期 待 し て い た が ，実 際 に は ，4フ ィ ン ガ ー 構 成 の 場 合 で す ら 熱 的 干 渉 が 存 在 す る こ と が わ か る ．巨 大 放 熱 孔 上 の GaAs層 の 厚 さ tは 薄 す ぎ て ，今 の 構 造 に 加 え て さ ら に 熱 拡 散 効 果 を 有 す る 構 造 を 成 膜 プ ロ セ ス で 作 る こ と は 困 難 で あ る た め ，フ ィ ン ガ ー の 中 心 間 隔 を 適 当 な 値 に 調 整 す る こ と が HBTフ ィ ン ガ ー 間 の 熱 的 な 干 渉 を 低 減 す る た め に 効 果 的 な 手 法 で あ る よ う に 思 わ れ る ．
図 4.11と 表 4.2 は ， 表 4.1 に 示 し た 4 フ ィ ン ガ ー 構 成 の コ レ ク タ ア ッ プ HBT列 に つ い て ，個 々 の HBTフ ィ ン ガ ー か ら ，PHS層 へ 伝 え ら れ る 熱 の 流 れ を 詳 し く 評 価 し た 結 果 を 示 し た も の で ，個 々 のHBTフ ィ ン ガ ー か ら ，他 のHBTフ ィ ン ガ ー へ ，
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コ レ ク タ 配 線 層 を 通 過 し て 伝 わ る 熱 の 量 を 評 価 し た 結 果 で あ る ． 図 4.11 は 図 4.7 に 示 し た No.1の HBTフ ィ ン ガ ー か ら の 放 熱 経 路 の 概 略 を 示 し た 図 で あ る ．図 4.11 と 表 4.2で は ，い ず れ も ，一 つ の フ ィ ン ガ ー の み が 発 熱 し た 場 合 に ，他 の フ ィ ン ガ ー に ど れ だ け の 熱 が 伝 わ る か を 示 し て い る ．
図 4.11に 示 す よ う に ，No.1 の HBTフ ィ ン ガ ー か ら 生 じ た 熱 の 72 %が 直 接 PHS 層 に 伝 え ら れ ， 残 り 28 %は コ レ ク タ 配 線 層 に 伝 え ら れ る ． こ の う ち ，7 %，4 %， 3 %が ，そ れ ぞ れ ，No.2，No.3，No.4 の フ ィ ン ガ ー に コ レ ク タ 配 線 層 経 由 で 伝 え ら れ る ．つ ま り ，No.1の HBTフ ィ ン ガ ー で 生 じ て コ レ ク タ 配 線 層 に 伝 わ っ た 熱 の う ち ，ほ ぼ 半 分 の ト ー タ ル 14 %が コ レ ク タ 配 線 層 経 由 で 他 の HBTフ ィ ン ガ ー へ 放 熱 さ れ ， 残 り は 配 線 層 か ら 絶 縁 層 を 介 し て PHS層 へ 放 熱 さ れ る こ と が わ か っ た ． 表 4.2 は 図 4.7 の 各 HBT フ ィ ン ガ ー が そ れ ぞ れ 1 本 だ け 発 熱 し た 場 合 に ， 熱 が ど う 流 れ る の か の 概 略 を 示 し た も の で あ る ．解 析 モ デ ル は ，No.2 と No.3 の フ ィ ン ガ ー の ， 中 間 の 位 置 を 対 称 の 軸 と し て ， 線 対 称 の モ デ ル と な っ て い る た め ，No.1 と No.4，No.2 と No.3 の フ ィ ン ガ ー か ら PHS層 に 直 接 放 熱 さ れ る 熱 量 や 他 の フ ィ ン ガ ー へ 伝 わ っ て し ま う 熱 量 は そ れ ぞ れ 対 称 性 を 有 す る 結 果 と な っ た ．表 4.2に よ れ ば ，4 つ の HBT フ ィ ン ガ ー が 同 時 に 発 熱 し た 場 合 は ， 表 4.2 の 結 果 を 線 形 に 足 し 合 わ せ れ ば よ い た め ，個 々 の HBTか ら 発 生 し た 熱 の う ち ，ほ ぼ 13 %〜14 %が コ レ ク タ 配 線 層 を 経 由 し て 他 の フ ィ ン ガ ー や 絶 縁 層 へ 伝 わ っ て し ま う こ と が わ か る ． こ の ，コ レ ク タ 配 線 層 へ 個 々 の HBTフ ィ ン ガ ー か ら 伝 わ る 熱 量 の 差 を 小 さ く す る こ と に よ り ， フ ィ ン ガ ー 間 の 熱 的 な 干 渉 を 低 減 す る こ と が 可 能 で あ る こ と も わ か っ た ．そ の た め の 簡 単 な 方 法 の 一 つ は ，フ ィ ン ガ ー 間 隔 の う ち ，No.2と No.3の 間 隔 を 広 げ て ，No.1 と No.2，No.3 と No.4 の 間 隔 を 狭 め る こ と に よ り ， フ ィ ン ガ ー の 間 隔 を 不 等 間 隔 に す る こ と で あ る ． こ の 不 等 間 隔 化 に よ る 熱 的 干 渉 の 抑 制 効 果 と 熱 抵 抗 そ の も の の 低 減 の 効 果 に つ い て は ， 次 節 以 降 で 通 常 の エ ミ ッ タ ア ッ プ HBTを 用 い た モ デ ル に お い て 詳 し く 検 証 す る ．
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Collector wiring
Conductive epoxy PHS
GaAs substrate
100 75 50 25 0
∆T [%]
Isothermal boundary (T
b=const.) Adiabatic boundary T
jmax[%]
100
max
− ×
≡ −
∆
b j
b
T T
T T T
Insulator Metal 2
Collector (heat-generating layer) Base
Emitter
図 4.5.1 コレクタアップ HBT の解析 図 4.5.2 コレクタアップ HBT の モデルの断面図 温度分布
図 4.5 コレクタアップ HBT の解析モデルと温度分布
解 析 モ デ ル 各 位 置 とGaAs基 板 裏 面 の 間 の 温 度 差 は ，
コ レ ク タ ア ッ プ HBTの 最 高 温 度 Tj m axと 裏 面 温 度 Tbの 温 度 差∆Tで 無 次 元 化 し た ．
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100 95 90 85 80 75
0 0.04 t 0.08 t 0.12 t 0.16 t 0.20 t : Thickness of PHS = 12.0 t : Thickness of PHS = 24.0 t
Thickness of emitter layer, normalized based on the thickness of the GaAs layer "t " in Fig. 4.4.1
T h er m al r esistanc e o f c o ll ec to r-up HBT s, no rm aliz ed bas ed o n th e o ri g inal co nfi g urati o n in Fi g . 4.4.1 [ % ]
0 0.08 t 0.16 t 225
200 175 150 125 100 75
Original configuration Ordinary emitter-up HBT
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図 4.6 コレクタアップ HBT の熱抵抗
熱 抵 抗 は 図 4.4.1の 基 本 構 造 の 値 に よ り 無 次 元 化 ．
PHSと エ ミ ッ タ 層 の 厚 さ は そ れ ぞ れ ， 図 4.4.1のGaAs層 の 厚 さtに よ り 無 次 元 化 し た ．
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GaAs layer (thickness = t) Conductive epoxy
Finger pitch = 15 t, 20 t, 30 t, and 40 t (15 t, in original)
PHS (thickness = 12 t and 24 t) GaAs substrate Emitter
No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 Base Collector
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図 4.7 4 フィンガー構成のコレクタアップ HBT 断面図
基 本 構 成 で は フ ィ ン ガ ー 中 心 間 隔 を 15 tと す る
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