(57)【要約】【課題】  高周波信号が入力端子に印加されたとき、保護素子であるｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合部からの高調波発生を抑制し、十分な静電耐圧を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】  高周波回路の入力端子と接地との間に、高周波回路を静電破壊から保護する保護ダイオードを備えた半導体装置において、保護ダイオードは、ｐｎ接合を構成するｐ型領域とｎ型領域の間に、ｐ型領域及びｎ型領域よりキャリア濃度の低い中間層を備え、中間層は、入力端子に入力する高周波信号の電圧変化にかかわらず、常に空乏化する厚さ及ぶキャリア濃度とし、形成される空乏層幅がほぼ一定となるようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波回路の入力端子と接地との間に、前記高周波回路を静電破壊から保護する保護ダイオードを備えた半導体装置において、
前記保護ダイオードは、ｐｎ接合を構成するｐ型領域とｎ型領域の間に、該ｐ型領域及びｎ型領域よりキャリア濃度の低い中間層を備え、
該中間層は、前記入力端子に入力する高周波信号の電圧変化にかかわらず、常に空乏化する厚さ及ぶキャリア濃度とし、前記高周波信号の電圧変化にかかわらず、前記ｐ型領域と前記ｎ型領域の間に形成する空乏層幅が、ほぼ一定であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電破壊から半導体回路を保護する保護ダイオードを備えた半導体装置に関し、特に高周波回路を静電破壊から保護する保護ダイオードを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高性能化、高密度化に伴い、静電耐圧が低下する傾向にある。そこで、静電気などの過大入力から半導体回路を保護するため、入力端子と接地との間に、ｐｎ接合ダイオードなどの保護素子を備える構造が採用されている。一方、携帯電話など高周波領域の分野で広く用いられているＧａＡｓなどの化合物半導体を用いた高周波回路においても、ｐｎ接合ダイオードが保護素子として使われはじめている。
【０００３】
従来の高周波回路用保護素子の例として、特許文献１には、印加される高周波電力の増大に伴いインピーダンスが低下する回路を、半導体装置の入力部に接続して保護を行う例が開示されている。具体的には、逆並列接続したダイオード対を一つあるいは多段に接続する保護ダイオードが開示されている。
【０００４】
また特許文献２には、複数個の順方向の第１のダイオードと第１のダイオードと同じ数の逆方向の第２のダイオードとを直列接続したダイオード列を介して、電界効果トランジスタのゲート電極を接地することにより、保護回路を構成する例が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９７９３４号公報
【特許文献２】特開２００２−５０６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、ｐｎ接合ダイオードを高周波回路の保護素子として用いる場合、高周波信号が入力端子に入力するとき、保護素子から高調波が発生する問題がある。特にスイッチ形式の高周波回路の場合、高周波入力端子をオフ状態にするため、保護素子が接続される入力端子は、電源電圧相当の電圧が印加される状態となり、保護素子から高調波が発生し、高周波回路の高調波特性の劣化の原因となることがわかってきた。
【０００７】
本発明は、高周波信号が入力端子に印加されたとき、保護素子であるｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合部からの高調波発生を抑制し、十分な静電耐圧を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本願発明は、高周波回路の入力端子と接地との間に、前記高周波回路を静電破壊から保護する保護ダイオードを備えた半導体装置において、前記保護ダイオードは、ｐｎ接合を構成するｐ型領域とｎ型領域の間に、該ｐ型領域及びｎ型領域よりキャリア濃度の低い中間層を備え、該中間層は、前記入力端子に入力する高周波信号の電圧変化にかかわらず、常に空乏化する厚さ及ぶキャリア濃度とし、前記高周波信号の電圧変化にかかわらず、前記ｐ型領域と前記ｎ型領域の間に形成する空乏層幅が、ほぼ一定であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置は、ｐ型領域、ｎ型領域の中間にキャリア濃度の低い中間層を備えるｐｎ接合ダイオードを保護素子とし、入力端子に高周波信号が入力した場合、その振幅電圧の変化にかかわらず、保護ダイオードの中間層は常に空乏化し、空乏層幅がほぼ一定となる構造とすることで、ｐｎ接合部からの高調波の発生を抑えるものである。具体的には、中間層の厚さを、キャリア濃度から算出される空乏層幅の１／３以下程度の厚さに設定するだけで、入力端子に印加される高周波信号の振幅電圧の変化によらず、中間層が常に空乏化している構造となり、高周波信号入力時の容量変化が小さくなり、高調波の発生を簡便に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の半導体装置は、ｐ型領域とｎ型領域の中間にキャリア濃度の低い中間層を備えるｐｎ接合ダイオードを保護素子とし、入力端子に高周波信号が入力した場合、その振幅電圧の変化にかかわらず、保護ダイオードの中間層が、ほぼ一定の幅で、常に空乏化する構造とすることで、ｐｎ接合部からの高調波の発生を抑えるものである。
【００１１】
以下、ＧａＡｓからなるｐｎ-ｎ構造で形成されている保護素子を例にとり、本発明について説明する。まず、キャリア濃度４×１０19ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｐ型領域と、キャリア濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｎ型領域との間に、中間層として１００ｎｍのｎ-ＧａＡｓ層を配置し、ｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度を変化させた。高調波特性の測定は、入力端子に２．７Ｖの電圧を印加し、周波数１．９ＧＨｚ、２４ｄＢｍの高周波信号を入力し、２次高調波を測定している。図１はｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度と高調波特性の関係を示した図で、横軸はｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度、縦軸はｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度が１×１０17 ｃｍ-3の場合に発生する高調波の大きさとの差を示している。図１に示すように、ｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度が低い程、高調波特性が改善され、特にキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3以下の場合に、高調波特性が改善することが確認された。なお図１に、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｐ-ＧａＡｓ層を中間層として用いた場合の高周波出力を図示している。ｐ-ＧａＡｓ層においても、高調波特性の改善が確認され、導電型によらず、本発明の効果が確認された。また真性領域の半導体層、即ちｉＧａＡｓ層においても、本発明の効果が発揮されることも確認された。
【００１２】
このように、中間層の厚さが一定の場合には、キャリア濃度を所定の濃度より低く設定することで、高周波特性を改善できることが確認された。これは、入力端子に印加する高周波信号の電圧振幅の範囲で、中間層が常に空乏化し、その空乏層幅の変化が少なく、ほぼ一定となり、容量変化が発生しないため、ｐｎ接合ダイオードからの高調波の発生が抑えられているからと考えられる。
【００１３】
当然ながら、中間層の厚さが変われば、高調波特性に影響を与えるキャリア濃度は、図１で示したキャリア濃度とは異なることになる。そこで、空乏層幅と中間層の厚さの関係を図２に示す。図２は横軸が空乏層幅Ｗと中間層の厚さｄとの比（Ｗ／ｄ）、縦軸がｐｎ接合ダイオードから発生する２次高調波出力を示した図である。高調波の測定は、前述の条件と同様とした。図２に示すようにＷ／ｄ＞３で、２次高調波出力が低下していることが確認された。なお、空乏層幅Ｗは、Ｗ＝√（２εoεsＥg／qＮ）と表すことができる。ここで、εoは真空誘電率、εsはＧａＡｓの誘電率、Ｅgはエネルギーギャップ、ｑは電荷である。
【００１４】
これらの結果から、本発明はｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度Ｎと中間層の厚さｄとｎ-ＧａＡｓ層の空乏層幅Ｗにおいて、Ｗ＞３ｄの関係を満たすことにより、高周波信号入力時の高調波特性が改善されることが確認された。なお中間層の厚さは、保護素子として機能するために要求されるｐｎ接合ダイオードのブレークダウン電圧に応じて設定されるので、中間層の厚さの上限は適宜設定されることになる。
【００１５】
なお、キャリア濃度の高いｐ型層およびｎ型層においては、空乏層幅の広がりは小さくなるので、高周波入力信号の振幅電圧の変化に応じて変化する空乏層幅は非常に小さく、空乏層幅は、ほぼ一定となる。また、空乏層幅の変化があっても、中間層がほぼ空乏化する条件であれば、空乏層幅の変化による接合容量の変化も少なくなり、高調波特性は劣化しないと考えられる。
【実施例１】
【００１６】
次に実施例を説明する。保護素子としてＧａＡｓからなるｐｎ-ｎ構造で形成されているｐｎ接合ダイオードを用い、中間層ｎ-ＧａＡｓ層のキャリア濃度をＮ＝１×１０16 ｃｍ-3、厚さを１００ｎｍとした。前述のように算出される空乏層幅Ｗは、約３５０ｎｍとなり、ｎ-ＧａＡｓ層の厚さを１００ｎｍとすれば、入力端子に高周波信号が入力した場合、常に中間層は空乏化することになり、キャリア濃度の高いｐ型領域あるいはｎ型領域に広がる空乏層幅はわずかとなる。つまり、入力端子に入力する高周波信号の電圧振幅によって変化する空乏層幅は、常に中間層幅とほぼ等しいことになり、接合容量の変化がわずかになる。その結果、高周波信号によるダイオードの容量変化がわずかとなり、高調波特性が改善されることになる。
【００１７】
以上本発明について説明したが、本発明は、上記実施例の他、中間層としてｐ-ＧａＡｓ層、ｉＧａＡｓ層を用いたｐｎ接合ダイオードの他、ＧａＡｓの代わりに、他の化合物半導体で構成することが可能である。また、保護ダイオードは、ｐｎ接合ダイオード単体で用いるほか、保護ダイオードとして公知の複数のｐｎ接合ダイオードをアンチパラレル型に接続したり、逆方向に直列に接続する等、種々変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の半導体装置のキャリア濃度と高調波出力特性の関係を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置のＷ／ｄと２次高調波出力特性の関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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