(57)【要約】【課題】ＨＥＭＴの温度を正確に測定する。【解決手段】能動素子領域１１０と、測温素子領域１２０を備える半導体装置１００であって、キャリア走行層１０３と、キャリア供給層１０４とを備え、能動素子領域１１０には、ゲート電極１１３と、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２とが形成され、測温素子領域１２０には、キャリア供給層１０４の上方に形成され、キャリア供給層１０４の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する歪生成部１２３と、第一電極１２１および第二電極１２２が形成される半導体装置１００。【選択図】図２
2019041083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に能動素子領域と、前記能動素子領域の側方に配置される測温素子領域とを備える半導体装置であって、
前記能動素子領域および前記測温素子領域には、
前記基板の上方に形成されるキャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上方に形成されるキャリア供給層とが形成され、
前記能動素子領域には、
ゲート電極と、
ソース電極およびドレイン電極とが形成され、
前記測温素子領域には、
前記キャリア供給層の上方に形成され、前記キャリア供給層の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する歪生成部と、
前記キャリア供給層の上方、かつ、前記歪発生部の側方に第一電極および第二電極が形成される
半導体装置。
【請求項２】
前記キャリア走行層および前記キャリア供給層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記能動素子領域と前記測温素子領域とを絶縁する分離領域を備える
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記測温素子領域は、複数の前記能動素子領域の間に配置される
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第一電極、前記第二電極および前記歪生成部は同じ材質かつ同層に形成される
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の上方に能動素子と測温素子とがモノリシックに形成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの高電流を制御する半導体装置は、自己損失が大きく発熱量が大きい。また、このような半導体装置は、所定の性能を発揮するために使用可能な温度に制限がある。このため、半導体装置の温度を正確に測定して半導体装置を適切に制御することが望まれている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ゲート電極が接触する障壁層の上方に別途温度測定用の抵抗層が形成された半導体装置が開示されている。また、特許文献２には、ＨＥＭＴを構成するｐ型ゲート層の一部を抵抗素子として利用する技術が開示されている。これらのように、能動素子の近傍にモノリシックに測温素子を設けることで、半導体装置の温度を正確に測定する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５２０４３号公報
【特許文献２】特開２０１６−２１９６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、測温素子として抵抗素子を別途設ける場合、当該抵抗素子の不純物濃度を調整することにより、所望の温度領域での測定が可能となる。しかし、抵抗素子を形成するために、能動素子には不必要なｐ型半導体層を別途形成する必要があるため、半導体装置の製造工程が複雑になるなどの課題が生じる。
【０００６】
また、特許文献２のように、測温素子として能動素子にも用いられるｐ型半導体層を用いると、製造工程は簡略化できるが、抵抗素子が能動素子の性能に影響するため、所望の温度領域での測定が可能となる抵抗素子を選択できるとは限らない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、製造工程の複雑化を抑制し、温度測定のための高い設計自由度を確保しうる半導体装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の１つである半導体装置は、基板の上方に能動素子領域と、前記能動素子領域の側方に配置される測温素子領域とを備える半導体装置であって、前記能動素子領域および前記測温素子領域には、前記基板の上方に形成されるキャリア走行層と、前記キャリア走行層の上方に形成されるキャリア供給層とが形成され、前記能動素子領域には、前記キャリア供給層の上方に形成されるゲート電極と、前記キャリア供給層の上方、かつ、前記ゲート電極の側方に形成されるソース電極およびドレイン電極とが形成され、前記測温素子領域には、前記キャリア供給層の上方に形成され、前記キャリア供給層の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する歪生成部と、前記キャリア供給層の上方、かつ、前記歪発生部の側方に第一電極および第二電極が形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、能動素子を形成する工程とほぼ同工程で測温素子を形成でき、歪生成部の材質や大きさにより測温素子の性能を自由に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る半導体装置を示す上面図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体装置の各層を示す断面図であり、図１のＩ−Ｉ線に対応する。
【図３】第一電極と第二電極間の通電抵抗の温度依存性を示すグラフである。
【図４】他の実施の形態に係る半導体装置を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１２】
また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係る半導体装置を示す上面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体装置の各層を示す断面図であり、図１のＩ−Ｉ線に対応する。
【００１４】
これらの図に示すように、半導体装置１００は、高電子移動度のトランジスタが形成される領域である能動素子領域１１０と、能動素子領域１１０の温度を測定する測温素子領域１２０とを基板１０１の上方にモノリシックに備える装置である。
【００１５】
なお、特許請求の範囲および本明細書において「上方」とは、基板１０１を基準として層が形成される方向を示す意味で記載している。また、「上方」は、直接接触する場合および別の層を介して層状に配置される場合も含む意味で用いている。
【００１６】
半導体装置１００は、能動素子領域１１０および測温素子領域１２０にまたがって基板１０１上方に層状に広がって配置される部材として、キャリア走行層１０３と、キャリア供給層１０４を備えている。本実施の形態の場合、半導体装置１００は、バッファ層１０２と、絶縁層１０５とをさらに備えている。
【００１７】
基板１０１は、前記各層を形成するための土台となる板状の部材であり、各層形成後は半導体装置１００の構造的基礎となる部材である。基板１０１の材質は、特に限定されるものでは無く、キャリア走行層１０３などの材質によって適宜選定される。基板１０１の材質を具体的に例示すると、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）などを挙示することができる。本実施の形態の場合、基板１０１の材質は、Ｓｉであるとして説明する。
【００１８】
バッファ層１０２は、基板１０１の上方に所望の性能のキャリア走行層１０３を積層するために、基板１０１とキャリア走行層１０３との格子定数、エネルギー準位などの相違を緩和するための緩衝用の層である。バッファ層１０２の材質は、基板１０１およびキャリア走行層１０３の材質などにより任意に選定されるが、例えば基板１０１の材質がＳｉ、キャリア走行層１０３の材質がＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、バッファ層１０２の材質としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などのＩＩＩ−Ｖ族結晶が用いられる場合がある。また、バッファ層１０２は、複数の材質からなる複数層であってもよく、また、厚さ方向に組成が変化する傾斜組成であってもかまわない。
【００１９】
キャリア走行層１０３は、基板１０１の上方であって、バッファ層１０２の上方に積層され、キャリア供給層１０４との境界の近傍に高移動度層１０６を形成する層である。キャリア走行層１０３の材質は、特に限定されるものではないが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を例示することができる。また、キャリア走行層１０３は、不純物がドープされず、高純度な材質で形成されることが好ましい。本実施の形態の場合、キャリア走行層１０３の材質は、高純度のＧａＮ（窒化ガリウム）であるとして説明する。また、高移動度層１０６は、二次元電子ガスであるとして説明する。
【００２０】
キャリア供給層１０４は、前記キャリア走行層１０３の上方に積層され、キャリア走行層１０３、特に高移動度層１０６に電子などのキャリアを供給する層である。キャリア供給層１０４の材質は、特に限定されるものではないが、キャリア走行層１０３と同じＩＩＩ−Ｖ族半導体を例示することができる。なお、キャリア供給層１０４は、キャリア走行層１０３よりもキャリアを豊富に備えている必要がある。本実施の形態の場合、キャリア供給層１０４の材質は、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）であるとして説明する。なお、キャリア供給層１０４におけるＡｌの割合は適宜選定される。ただし、Ａｌの割合を増加させることで、キャリア供給層１０４のキャリアの密度を増大させることができるが、Ａｌの割合を増大させていくと、キャリア供給層１０４に欠陥が発生しやすくなる。
【００２１】
絶縁層１０５は、キャリア供給層１０４の上方に積層され、絶縁性を有しキャリア供給層１０４等を保護する層である。絶縁層１０５の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、またはＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）等を例示することができる。
【００２２】
半導体装置１００の能動素子領域１１０には、ゲート電極１１３と、ソース電極１１１と、ドレイン電極１１２とが形成されている。
【００２３】
ソース電極１１１およびドレイン電極１１２は、高移動度層１０６を介して電流を流すためのオーミック電極であり、キャリア供給層１０４の上方に形成されている。なお、図中では、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２を固定的に記載しているが、ソースかドレインかは、接続される外部の回路によって決定されるものであり、半導体装置１００としては、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２は逆であってもかまわない。ソース電極１１１およびドレイン電極１１２の材質は、特に限定されるものではないが、例えばＡｌ、Ｃｕなどを例示することができる。なお、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２は、キャリア供給層１０４を通過して高移動度層１０６、またはその近傍にまで達する場合がある。
【００２４】
ゲート電極１１３は、印加される電圧により高移動度層１０６のキャリア密度を制御するための電極であり、キャリア供給層１０４の上方に形成されている。ゲート電極１１３の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、キャリア供給層１０４にショットキー接合された金属を挙示することができる。また、ゲート電極１１３は、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ等の絶縁膜の上方に形成された、アモルファスシリコン、または、ポリシリコンなどでもよい。
【００２５】
半導体装置１００の測温素子領域１２０には、第一電極１２１と、第二電極１２２と、歪生成部１２３とが形成されている。
【００２６】
歪生成部１２３は、キャリア供給層１０４の上方に形成され、キャリア供給層１０４の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する部材である。歪生成部１２３は、温度に従ってキャリア供給層１０４よりも膨張・収縮することで、キャリア供給層１０４、キャリア走行層１０３の歪を増大させ、高移動度層１０６などのキャリアの密度を温度に依存して変化させる部材である。本実施の形態の場合、歪生成部１２３は、キャリア供給層１０４の上方であって絶縁層１０５の上方に形成されている。歪生成部１２３の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、熱膨張係数の高いＡｌやＣｕなどを例示できる。また、歪生成部１２３の形状、面積、厚さは、特に限定されるものでは無く、測定が必要な温度帯や精度により任意に選定することができる。つまり、歪生成部１２３の材質、形状、面積、厚さにより測温素子としての特性を任意に設計することが可能となる。また、歪生成部１２３は、正確な結晶である必要は無く、また、金属でもよいため、半導体装置１００の形成工程においてキャリア供給層１０４の上方に形成することが可能となる。
【００２７】
第一電極１２１および第二電極１２２は、キャリア供給層１０４の上方、かつ、歪生成部１２３の側方に形成され、歪生成部１２３によって、キャリア供給層１０４、キャリア走行層１０３に発生した歪による通電抵抗を測定するための電極である。第一電極１２１および第二電極１２２の材質は、特に限定されるものではないが、ソース電極１１１、ドレイン電極１１２と同じ材質かつ同層に形成されることが好ましい。ソース電極１１１、ドレイン電極１１２と同じ材質かつ同層であれば、半導体装置１００の製造工程において、ソース電極１１１、ドレイン電極１１２、第一電極１２１および第二電極１２２を同工程で形成することができるため別材質で形成した場合に比べて工程を削減できて好ましい。
【００２８】
また、本実施の形態の場合、能動素子領域１１０と測温素子領域１２０とを絶縁する分離領域１３０が設けられている。分離領域１３０は、少なくともキャリア供給層１０４とキャリア走行層１０３とにおいて能動素子領域１１０と測温素子領域１２０とを分断することで、能動素子領域１１０と測温素子領域１２０とを近くに配置した場合でも、歪生成部１２３の影響が能動素子領域１１０に及ぶことを抑制し、かつ、能動素子領域１１０における電流が、測温素子領域１２０にノイズとして影響することを抑制できる。
【００２９】
分離領域１３０の材質は、特に限定されるものではないが、例えば絶縁層１０５と同じ材質を例示することができる。また本実施の形態の場合、分離領域１３０は、測温素子領域１２０を囲む様に配置されている。
【００３０】
以上に説明した半導体装置１００によれば、共通の基板１０１の上方に、能動素子（ＨＥＭＴ）と測温素子が形成されている。このため、能動素子と測温素子とが近く配置され、能動素子の温度を測温素子により正確に検出することができる。
【００３１】
図３は、第一電極と第二電極間の通電抵抗の温度依存性を示すグラフである。同図に示す第一線３０１は、歪生成部１２３が存在しない場合における第一電極１２１と第二電極１２２との間の通電抵抗の温度依存性を示している。第二線３０２は、条件として歪生成部１２３が存在することのみが異なる場合（本実施の形態）における第一電極１２１と第二電極１２２との間の通電抵抗の温度依存性を示している。同図に示すように、歪生成部１２３をキャリア供給層１０４の上方に設けることで、同一の温度差では通電抵抗の変化率は、歪生成部１２３が無い場合よりも高くなっている。つまり、第一電極１２１と第二電極１２２との通電抵抗を外部から測定することで半導体装置１００の温度をより正確に検出することができる。
【００３２】
従って、半導体装置１００の温度制御をより正確に行うことができ、あまり余裕度を設けることなく許容する温度ぎりぎりまで半導体装置１００を使用することができる。また、半導体装置１００の小型化を図った場合でも、小型化のために比較的急速に上昇する温度を正確に測定できるため、半導体装置１００に不具合が生じる前に半導体装置１００に流れる電流を抑制するなど実際の状況に即座に対応する制御を実行することができる。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、構成、構造、材質、製造方法等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。
【００３４】
例えば、図４に示すように、半導体装置１００は、能動素子領域１１０を複数備え、測温素子領域１２０は、能動素子領域１１０の間に配置されていてもかまわない。
【００３５】
また、第一電極１２１、第二電極１２２および歪生成部１２３は同じ材質で形成されてもよく、同層に形成されても構わない。さらに、歪生成部１２３は直接キャリア供給層１０４に直接接続されてもかまわない。また、キャリア供給層１０４とゲート電極１１３との間に、他の機能層が設けられてもよく、この場合、歪生成部１２３は、前記機能層の上方に形成されてもかまわない。
【００３６】
また、半導体装置１００は、各電極と外部とを接続するワイヤなどの配線を備え、樹脂等にてモールドされてもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、大電流を頻繁にオンオフすることが必要なモータを制御するためのインバータに用いられるスイッチング素子、その他、大電流を制御し、かつ、正確な温度管理が必要なトランジスタなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  半導体装置、１０１  基板、１０２  バッファ層、１０３  キャリア走行層、１０４  キャリア供給層、１０５  絶縁層、１０６  高移動度層、１１０  能動素子領域、１１１  ソース電極、１１２  ドレイン電極、１１３  ゲート電極、１２０  測温素子領域、１２１  第一電極、１２２  第二電極、１２３  歪生成部、１３０  分離領域
【図１】
2019041083.tif 000003
【図２】
2019041083.tif 000004
【図３】
2019041083.tif 000005
【図４】
2019041083.tif 000006