[发明专利]一种具有反馈结构的半导体功率晶体管及集成电路与封装结构

说明书

本发明公开了一种具有反馈结构的半导体功率晶体管，包括水平结构晶体管、垂直结构晶体管，水平和垂直结构晶体管包括抑制本征反馈结构和周期性反馈结构；抑制本征反馈结构设置在所述半导体功率晶体管的电极上；周期性反馈结构设置在所述半导体功率晶体管的内部或/和外部；并提供了一种单片微波集成电路和内匹配晶体管电路封装结构。在进行抑制晶体管本征反馈的基础上,采用无源、有源耦合结构实现周期性反馈及调谐功能，改善了微波性能和宽带特性，解决了电路结构的小型化和可调谐，促进了周期性反馈结构在集成电路上的实现及高效率高性能的内匹配封装。上述实现可用于各类通信系统，特别是4G、5G移动通信系统的射频前端模块等领域。

技术领域

本发明属于反馈型半导体芯片领域，特别是涉及一种具有反馈结构的半导体功率晶体管及集成电路与封装结构。

背景技术

现代微波通信系统中，随着近年来移动通信系统对基站功率放大器和手机功率放大器性能要求的进一步提高，逐渐发展了一种新型射频功率器件，即功率晶体管。这样的功率晶体管具有工作性能高、寄生电容小、易于集成等特点，特别适合作为集成电路的功率器件使用。

目前，半导体功率晶体管存在两种结构：水平结构功率晶体管和垂直结构功率晶体管，其中，水平结构功率晶体管主要包括衬底和栅极、漏极、源极等结构，垂直结构功率晶体管包括衬底和基极、集电极、发射极等结构，三五族化合物半导体和硅基化合物半导体晶体管的结构类似，比较典型的如：图28所示的GaAs pHEMT水平结构功率晶体管衬底结构，图29所示的GaAs HBT垂直结构功率晶体管衬底结构。

所谓水平结构，是指PN结是相对于衬底，水平排列的。以GaAs为例，水平结构晶体管未掺杂InGaAs层与AlGaAs层在界面处形成异质结，产生二维电子气。栅极控制势垒高度，当栅极达到一定偏压时，二维电子气隧道穿越势垒，在源极和漏极间形成电流。为了防止电流泄露到GaAs衬底中，加入了未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层。所谓垂直结构，是指PN结是相对于衬底，垂直排列的。在垂直结构功率晶体管中，GaN、InP、SiC等化合物半导体晶体管，以及硅基、SOI晶体管结构与此类似。

在现有的水平结构功率晶体管中，栅极、漏极、源极是不带反馈结构的。栅极夹在漏极与源极之间，电极是相互平行的。现有技术典型的功率晶体管如图30所示，栅极做成多个插指插入到源极和漏极之间，在栅极、漏极、源极电极间平行，形成了法布里珀罗FP反射腔，构成本征反馈模式，这种模式的反馈强度要高于本发明提出的增益耦合和分布反馈DBR的强度，导致增益谱向低频移动，造成芯片容易自激，使得微波性能下降甚至完全失效。而垂直结构功率晶体管也与水平结构功率晶体管具有类似功能。

现有技术当中，在微波单片集成电路MMIC上实现的功率晶体管外的阻抗匹配电路IMN如图31所示。该MMIC阻抗匹配电路包括输入焊盘、输出焊盘、输入偏置焊盘、输出偏置焊盘、螺旋电感、片上电容、第1级功放、第2级功放、漏极偏置焊盘、栅极偏置焊盘。其中，输入、输出端和级间阻抗匹配都是由螺旋电感和片上电容构成。功率晶体管内部和外部都没有周期性反馈结构做阻抗匹配。

对于无周期性反馈结构的内匹配晶体管封装电路而言，由于功率晶体管最佳输出功率、效率对应的阻抗匹配点，通常与50欧姆标准阻抗失配比较大，如果对功率晶体管管芯直接封装，则外围匹配电路会由于失配过大而难以设计。内匹配功率晶体管是对功率晶体管管芯的一种封装形式，其通过在管壳内加入偏置电路、输入、输出匹配电路，对晶体管管芯进行一定程度的匹配，方便外围电路进一步进行匹配。内匹配晶体管还可以对多个管芯进行功率合成以提高输出功率。现有技术实现的内匹配功率晶体管及其外围匹配电路如图32所示，图中有两个管芯，通过键合线与壳内阻抗匹配电路，典型如平面电容连接，功率合成是通过功分器和合路器实现的。由于没有反馈结构的功率晶体管阻抗失配比较大，最佳功率和效率负载牵引匹配点在阻抗失配较大点，因此难以一次在管壳内完成阻抗匹配，需要在管壳外进行两次匹配。

实际应用中，不带周期性反馈结构的功率晶体管、MMIC集成电路以及内匹配晶体管封装电路存在如下问题：