(57)【要約】【課題】電流の状態に関する情報を提供する能力を有するように配置されたＩＩＩ族窒化物ベースの電力半導体装置を提供することである。【解決手段】本発明の電力半導体装置は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域と、該ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第１給電パッドに電気的に接続される第１電力電極と、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第２給電パッドに電気的に接続される前記第１電力電極に対向して離隔される第２電力電極と、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第３給電パッドに電気的に接続される前記第１電力電極に対向して離隔される第３電力電極と、を有する電力半導体装置。【選択図】図１Ａ
2006108679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域と、
該ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第１給電パッドに電気的に接続される第１電力電極と、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第２給電パッドに電気的に接続される前記第１電力電極に対向して離隔される第２電力電極と、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第３給電パッドに電気的に接続される前記第１電力電極に対向して離隔される第３電力電極と、を有する電力半導体装置。
【請求項２】
前記第１電力電極と前記第２電力電極との間に配置されたフィンガーと、前記第１電力電極と前記第３電力電極との間に配置された他のフィンガーと、を有するゲート構造物をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート構造物は、前記上面とショットキーコンタクトを形成することを特徴とする請求項２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記第１電力電極と前記第２電力電極のうち少なくとも一方は、前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域にオーミックに接続される請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項５】
低抵抗接触体は、前記電力電極と前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域との間に配置される請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記ヘテロ接合は、ＩｎＡｌＧａＮの合金からなる第１のＩＩＩ族窒化物半導体と、ＩｎＡｌＧａＮの他の合金からなる第２のＩＩＩ族窒化物半導体と、を有する請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記第１のＩＩＩ族窒化物半導体はＧａＮからなり、前記第２のＩＩＩ族窒化物半導体はＡｌＧａＮからなる請求項６に記載の電力半導体装置。
【請求項８】
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域は、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ、又はＧａＡｓからなる基板上に配置される請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域と前記基板との間に配置されるＡｌＮのバッファ層をさらに有する請求項８に記載の電力半導体装置。
【請求項１０】
前記第１電力電極と前記第２電力電極との間に配置される他のゲート構造物をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項１１】
前記第１電力電極を前記第１給電パッドに電気的に接続する第１給電部と、前記第２電力電極を前記第２電力パッドに電気的に接続する第２給電部と、をさらに有する請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項１２】
ＩＩＩ族窒化物活性領域と電流検出電極とを有し、
前記活性領域は複数のアクティブセルを有し、前記各セルはそれぞれのパッドにそれぞれ電気的に接続される少なくとも１つのソース電極と１つのドレイン電極とを有し、
前記電流検出電極は、前記ドレイン電極に対向して配置され、それぞれの電流検出パッドに電気的に接続される電力半導体装置。
【請求項１３】
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間、及び、前記ドレイン電極と前記電流検出電極との間に配置されるゲート構造物をさらに有する請求項１２に記載の電力半導体装置。
【請求項１４】
前記ＩＩＩ族窒化物活性領域は、ＩｎＡｌＧａＮの合金からなる第１の半導体とＩｎＡｌＧａＮの他の合金を含む第２の半導体とを含むヘテロ接合を有する請求項１２に記載の電力半導体装置。
【請求項１５】
前記第１半導体はＧａＮからなり、前記第２半導体はＡｌＧａＮからなる請求項１４に記載の電力半導体装置。
【請求項１６】
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置される他のゲート構造物を有する請求項１２に記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体装置に関し、さらに詳細には、ＩＩＩ族窒化物電力半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、一般的な電力半導体装置の一例である。ＨＥＭＴは、ＩＩＩ族窒化物ベースの半導体ダイを用いて形成される。より具体的には、一般的に公知文献によるＨＥＭＴは、例えばドーピングされていないＧａＮからなる第１のＩＩＩ族窒化物半導体と、第１のＩＩＩ族窒化物半導体上に配置された、例えばＡｌＧａＮからなる第２のＩＩＩ族窒化物半導体とを有する。周知のように、第１のＩＩＩ族窒化物半導体と第２のＩＩＩ族窒化物半導体のヘテロ接合は、通常、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる導電領域を形成する。
【０００３】
典型的なＨＥＭＴは、少なくとも２つの電力電極をさらに有する。その回路は、２つの電力電極の間にある２ＤＥＧを介して導通する。
【０００４】
ＨＥＭＴは、要求に応じて２ＤＥＧを導通可能や導通不能に操作することができるゲート構造も有し、それによって、その装置をオンまたはオフにする。結果として、ＨＥＭＴは電界効果トランジスタのように操作することができる。実際に、そのような装置は、一般的にヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＥＦＴ）と呼ばれる。
【０００５】
それらの低い損失、高い電子輸送性能および高い降伏電圧性能のため、ＩＩＩ族窒化物ベースのヘテロ接合電力半導体装置は、パワーアプリケーションに適している。そのような多くのパワーアプリケーションでは、その装置に流れる電流の状態を把握することが望まれる。例えば、ブリッジアプリケーションでは、例えばシュートスルーや他の望まれない結果を避けるために、ブリッジ中のあるスイッチがオンする前に他のスイッチに流れる電流の状態を把握することが望まれる。さらに、破損や過度の電力損を避けるための定格電流を越えた電流がその装置に流れていないことを保証するために電流の状態を把握することが望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、装置に流れる電流の状態に関する情報を提供する能力を有するように配置されたＩＩＩ族窒化物ベースの電力半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるＩＩＩ族窒化物電力半導体装置は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域と、そのＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第１給電パッドに電気的に接続される第１電力電極と、そのＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第２給電パッドに電気的に接続される前記第１電力電極に対向して離隔される第２電力電極と、そのＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域及び第３給電パッドに電気的に接続されるその第１電力電極に対向して離隔される第３電力電極と、を有する。
【０００８】
本発明によれば、その第３電力電極と第１電力電極は、小型トランジスタを形成する。したがって、その第１パッドと第３パッドは、その装置に流れる電流の状態を決定するために用いられてもよい。例えば、本発明による装置は、ＩＩＩ族窒化物活性領域と電流検出フィンガー電極とを有し、その活性領域は複数のアクティブセルを有し、その各セルはそれぞれのパッドにそれぞれ電気的に接続される少なくとも１つのソース電極と１つのドレイン電極とを有し、その電流検出フィンガー電極は、そのドレイン電極に対向し、それぞれの電流検出パッドに電気的に接続される。電流検出端子は事実上第２のソースとして用いられ、電流はドレインから流れる。したがって、その電流検出端子は、正確な検出のために、ソース電圧に非常に近いバイアス電圧に保持されている。
【０００９】
本発明の第１形態による装置は、少なくとも第１電力電極と第３電力電極との間のゲートフィンガーを有し、それに加え、好ましくは、それぞれの第１電力電極とそれぞれの第２電力電極との間にそれぞれ配置される複数のゲートフィンガーを有するゲート構造物を含む。したがって、例えば、本発明の第１形態による装置は、ＩＩＩ族窒化物活性領域と電流検出電極とゲート構造物とを有し、前記活性領域は複数のアクティブセルを有し、各セルはそれぞれのパッドにそれぞれ電気的に接続される少なくとも１つのソース電極と１つのドレイン電極とを有し、前記電流検出電極は、前記ドレイン電極に対向して配置され、それぞれの電流検出パッドに電気的に接続され、前記ゲート構造物は、ソース電極とドレイン電極との間にそれぞれ配置される複数のゲートフィンガーと、ドレイン電極と電流検出電極との間に配置される少なくとも１つのフィンガーとを有する。
【００１０】
本発明の第２形態による装置は、少なくとも第１電力電極と第３電力電極との間に１つのゲートフィンガーを有し、それに加え、それぞれの第１電力電極とそれぞれの第２電力電極との間にそれぞれ配置される複数のゲートフィンガーを有するゲート構造物を含む。したがって、例えば、本発明の第２形態による装置は、ＩＩＩ族窒化物活性領域を有し、その活性領域は複数のアクティブセルを有し、それぞれのセルは、それぞれの電極パッドにそれぞれ電気的に接続された少なくとも第１のソース／ドレイン電極と、第２のソース／ドレイン電極を有し、さらに、それぞれの電流検出パッドに電気的に接続され、そのソース／ドレイン電極の１つに対向して配置される電流検出電極を有し、少なくとも２つのゲート構造物は、複数のゲートフィンガーを有し、第１のソース／ドレイン電極と第２のソース／ドレイン電極との間に配置され、それぞれのゲート構造物の少なくとも１つのゲートフィンガーは、ソース／ドレイン電極と電流検出電極との間に配置される。
【００１１】
本発明の他の特徴や利点は、添付した図を参照して説明する本発明の以下の記述によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１Ａまたは図１Ｂを参照すると、本発明の第１形態による電力半導体装置は、インターデジタルパターンに配列された複数の第１電力電極（ドレイン電極）１２と複数の第２電力電極（ソース電極）１４とを有するＩＩＩ族窒化物ベースの金属絶縁体へテロ接合電界効果トランジスタ（ＭＩＳＨＦＥＴ）１０である。ドレイン電極１２は、それぞれのドレイン給電部１６によってお互い電気的に接続されており、ソース電極１４は、それぞれのソース給電部１８によってお互いに電気的に接続されている。ドレイン給電部１６は、第１給電パッド（ドレインパッド）２０にも電気的に接続されており、ソース給電部１８は、第２給電パッド（ソースパッド）２２にも電気的に接続されている。ドレインパッド２０とソースパッド２２は、ダイの所定の位置に配置されており、それらは外部電力接続に使用される。
【００１３】
第１形態による装置１０は、ゲート構造物２４をさらに有する。ゲート構造物２４は、ドレイン電極１２とソース電極１４との間にそれぞれ配置された複数のゲートフィンガー２６を有する。ゲートフィンガー２６は、共通ゲート給電部３０によってゲートパッド２８にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１４】
本発明によれば、第３電力電極（電流検出電極）３２は、ドレイン電極１２に対向して配置されており、ゲートフィンガー２６は、電流検出電極３２と電流検出電極３２に対向して配置されたドレイン電極１２との間に配置されており、電流検出電極３２は、本装置の他のどの電極にも電気的に接続されない第３給電パッド（電流検出パッド）３４に電気的に接続されている。結果として、本装置は、本装置に流れる電流の状態についての情報を得るために用いられることができる小型トランジスタを有する。
【００１５】
図１Ｂを詳細に参照すると、本発明の第１形態による装置１０は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域３６を有する。ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域３６は、第１のＩＩＩ族窒化物半導体３８と、第１のＩＩＩ族窒化物半導体３８と上に形成された第２のＩＩＩ族窒化物半導体４０とを有する。それぞれのＩＩＩ族窒化物半導体３８，４０は、従来周知のように、２つの構造体のヘテロ接合が２ＤＥＧ４２をもたらすように、選択されたＩｎＡｌＧａＮの合金から構成される。
【００１６】
ヘテロ接合３６は、好ましくは、基板４６上に形成されたバッファ層４４上に形成される。それぞれのドレイン電極１２とそれぞれのソース電極１４と電流検出電極３２は、ヘテロ接合３６に電気的に接続されている。例えば、好ましい形態では、低抵抗接触層４８は第２のＩＩＩ族窒化物半導体４０上に配置され、それぞれの電極１２，１４，３２は、低抵抗接触層４８にオーミックに接続され、そして、それによってヘテロ接合４８に電気的に接続される。場合によっては、本発明の精神や目的から逸脱せずに、低抵抗接触層４８は省略され、電極１２，１４，３２は、オーミックにＩＩＩ族窒化物半導体４０に接続される。
【００１７】
本発明の好ましい形態では、それぞれのゲートフィンガー２６は、ゲート絶縁層５０と、ゲート絶縁層５０上に配置されたゲート電極５２と、を有する。場合によっては、本発明の精神や目的から逸脱せずに、ゲートフィンガー２６は、第２のＩＩＩ族窒化物半導体４０とショットキーコンタクトを形成し、それによって、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）を形成する。
【００１８】
本発明の好ましい形態は、本装置の保護のために保護体５４をさらに有する。
【００１９】
図２Ａないし２Ｃを参照すると、本発明の第２形態による電力半導体装置５６は、それぞれゲート構造物６０に電気的に接続される第２ゲートパッド５８を有する。第２ゲート構造物６０は、ゲート給電部６２と、それぞれのソース／ドレイン電極１２’とソース／ドレイン電極１４’との間にそれぞれ配置されている複数の第２ゲートフィンガー６４とを有する。第２形態による装置５６は、双方向スイッチである。したがって、第２形態による装置のそれぞれの電力電極は、そのバイアスの方向によってドレインまたはソースとして機能する。双方向装置は、本願の出願人によって出願された「ＩＩＩ族窒化物双方向スイッチ」（米国特許出願番号１１／０５６，０６２）で詳細に検討されており、その内容は、参考としてここに組み込まれている。
【００２０】
本発明によれば、第２形態による装置は、ソース／ドレイン電極１２’と対向して配置された電流検出電極３２を有する。第１ゲートフィンガー２６と第２ゲートフィンガー６４は、電流検出電極３２と電流検出電極３２に対向して配置されたソース／ドレイン電極１２’との間に配置されており、それによって、その装置に流れる電流についての情報を提供する小型トランジスタを形成する。
【００２１】
本発明による装置では、第１のＩＩＩ族窒化物半導体３８はＧａＮから構成され、第２のＩＩＩ族窒化物半導体４０はＡｌＧａＮから構成され、低抵抗層４８は低抵抗のＡｌＧａＮから構成され、バッファ層４４はＡｌＮから構成されてもよい。さらに、ドレイン電極１２、ソース電極１４、ソース／ドレイン電極１２’，１４’および電流検出電極３２は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｈｆ、Ｓｉ、または合金を含む他のＳｉのような相応しい材料の何れから構成されてもよい。ゲート絶縁層５０に相応しい材料は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はダイヤモンドであってもよく、ゲート電極５２に相応しい材料は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｈｆ、Ｓｉ、または合金を含むＳｉであってもよい。保護体５４は、如何なる形態のＳｉＯ２のような如何なる保護材料からでも構成されてもよいが、窒素リッチ材料のように窒素の外方拡散を防止する材料から構成されることが好ましい。保護体５４に相応しい材料は、ＳｉＯ２（如何なる形態であってもよい）、ＡｌＮ、ＨｆＮ、ＡｌＧａＮ、高濃度ドーピングのＧａＮ、高濃度ドーピングのポリガリウム窒素（Ｐｏｌｙ  ＧａＮ）または低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）で形成されたＳｉ３Ｎ４の１つまたはそれ以上であってもよい。
【００２２】
さらに、基板６は、好ましくは経済的理由からＳｉから形成される。しかしながら、ＳｉＣ、サファイア、またはＧａＡｓのような他の基板材料を用いてもよい。基板６が第１のＩＩＩ族窒化物半導体３８と互換性のある（コンパチブル）材料からなる場合、バッファ層８は省略されてもよいことに留意されたい。例えば、基板６は、バルクなＧａＮ、又はＧａＮのようなバルク材から形成されてもよい。
【００２３】
さらに、好ましい形態はインターデジタルな電極を有するけれども、横型装置用として他の配置も可能である。例えば、本発明の精神および目的を逸脱せずに、電力電極は、細胞パターンやチェッカーボードパターンに配置されてもよい。
【００２４】
本発明は特定の実施形態に関して記述されているが、他の多くの変形と修正および他の用途は、当業者にとって明らかである。さらに、本発明は、ここに記載の特定の開示によって限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲によって定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の第１形態による電力半導体装置のアクティブセルの上部平面を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】矢印の方向に見られる１Ｂ−１Ｂ線に沿う図１Ａの装置の断面を模式的に示す図である。
【図２Ａ】本発明の第２形態による電力半導体装置の複数のアクティブセルの上部平面を模式的に示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第２形態による電力半導体装置のアクティブセルの２Ｂ部分（図２Ａ）の拡大上面図を模式的に示した図である。
【図２Ｃ】矢印の方向に見られる２Ｃ−２Ｃ線（図２Ｂ）に沿う図２Ａの装置の部分断面図を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ＭＩＳＨＦＥＴ
１２  ドレイン電極（第１電力電極）
１２’、１４’  ソース／ドレイン電極
１４  ソース電極（第２電力電極）
１６  ドレイン給電部
１８  ソース給電部
２０  ドレインパッド（第１給電パッド）
２２  ソースパッド（第２給電パッド）
２４  ゲート構造物
２６  ゲートフィンガー
２８  ゲートパッド
３２  電流検出電極（第３電力電極）
３４  電流検出パッド（第３給電パッド）
３６  ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合領域
３８  第１のＩＩＩ族窒化物半導体
４０  第２のＩＩＩ族窒化物半導体
４２  ２ＤＥＧ
４４  バッファ層
４６  基板
４８  低抵抗接触層
５０  ゲート絶縁層
５２  ゲート電極
５４  保護体
５８  第２ゲートパッド
６０  第２ゲート構造物
６２  ゲート給電部
６４  ゲートフィンガー
【図１Ａ】
2006108679.tif 000003
【図１Ｂ】
2006108679.tif 000004
【図２Ｃ】
2006108679.tif 000005
【図２Ａ】
2006108679.tif 000006
【図２Ｂ】
2006108679.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月13日(2006.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2006108679.tif 000008
【図１Ｂ】
2006108679.tif 000009
【図２Ａ】
2006108679.tif 000010
【図２Ｂ】
2006108679.tif 000011
【図２Ｃ】
2006108679.tif 000012
【外国語明細書】
2006108679.tif 000013
2006108679.tif 000014
2006108679.tif 000015
2006108679.tif 000016
2006108679.tif 000017
2006108679.tif 000018
2006108679.tif 000019
2006108679.tif 000020
2006108679.tif 000021
2006108679.tif 000022
2006108679.tif 000023
2006108679.tif 000024
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2006108679.tif 000026
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