(57)【要約】【課題】動作電圧を高くしても、高い出力を得ることを可能にする。【解決手段】基板２上に形成された半導体膜３と、半導体膜のトランジスタ能動部形成領域となる第１領域上に離間して形成されたソース電極１０およびドレイン電極１２と、ソース電極とドレイン電極との間の第１領域上に形成されたゲート電極１４と、を有する電界効果トランジスタと、半導体膜、ソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極を覆うように形成された絶縁膜８、１６と、ソース電極に接続し、ゲート電極を覆うようにゲート電極の上方にまで延在するように絶縁膜上に形成された放熱プレート１８と、放熱プレート上に形成された放熱部２２、２４と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体膜と、
前記半導体膜のトランジスタ能動部形成領域となる第１領域に離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記第１領域上に形成されたゲート電極と、を有する電界効果トランジスタと、
前記半導体膜、前記ソース電極、前記ゲート電極、および前記ドレイン電極を覆うように形成された絶縁膜と、
前記ソース電極に接続し、前記ゲート電極を覆うように前記ゲート電極の上方にまで延在するように前記絶縁膜上に形成された放熱プレートと、
前記放熱プレート上に形成された放熱部と、
を備えていることを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項２】
前記半導体膜の前記第１領域と異なる第２領域上に形成され前記ゲート電極に接続する入力部と、
前記第２領域上に形成され前記ドレイン電極に接続する出力部と、
前記半導体膜の上面から前記基板の、前記半導体膜と反対側の面まで貫通するように形成され、前記入力部および前記出力部にそれぞれ接続する入力用コンタクトおよび出力用コンタクトと、
前記基板の、前記半導体膜と反対側の面に形成され、前記入力用コンタクトおよび前記出力用コンタクトにそれぞれ接続する入力用パッドおよび出力用パッドと、
を備えていることを特徴とする請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記入力部および前記出力部が形成された領域以外の前記第２領域に形成され前記放熱プレートと接続する接地接続部と、
前記半導体膜の上面から前記基板の、前記半導体膜と反対側の面まで貫通するように形成され、前記接地接続部に接続する接地用コンタクトと、
前記基板の、前記半導体膜と反対側の面に形成され、前記接地用コンタクトに接続する接地用パッドと、
を備えていることを特徴とする請求項２記載の高周波半導体装置。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタの前記ソース電極の電極長が、前記ドレイン電極の電極長よりも長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波半導体装置。
【請求項５】
前記電界効果トランジスタは複数個であって、これらの電界効果トランジスタは前記ソース電極または前記ドレイン電極を共有するように、一列に配列されるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波半導体装置。
【請求項６】
前記半導体膜が窒化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力の高周波半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力の高周波半導体装置は、通信システム、レーダシステム、高周波加熱装置などを実現するための、キーデバイスであり、システムの小型化、軽量化のために、出力電力の高密度化（単位サイズ当たりの高出力化）が望まれている。窒化物半導体からなる電界効果トランジスタは、従来の半導体を用いた高周波半導体装置に比べて、動作電圧を高く、また電流密度を高くすることができ、高周波で出力電力密度の高い素子を実現できる。しかし、電界効果トランジスタに入力された電力は、全て高周波電力として取り出すことは難しく、一部は素子内部で熱として消費される。出力電力の高密度化は、同時に発熱の高密度化（単位サイズ当たりの高発熱化）につながり、素子温度上昇による問題、すなわち出力電力の低下や信頼性の低下が生じる。
【０００３】
窒化物半導体の電界効果トランジスタは、窒化物半導体層下の基板に、熱伝導率の高いＳｉＣ基板を用いることで、この問題に対処してきた。ＳｉＣ基板の熱伝導率は、金属に匹敵する。これまでは、ＳｉＣ基板の、電界効果トランジスタを形成する半導体層とは反対側の面に放熱部材を接続し、熱を基板裏面に広く拡散させて、素子温度の上昇を回避する手法をとってきた。この手法で、動作電圧が５０Ｖ程度までは十分な高い出力特性と高い信頼性が得られた。しかし、今後、さらに動作電圧を上昇させて電力密度を高めると、素子温度が上昇し、高い出力と高い信頼性が得られなくなるという問題が生じる。
【０００４】
窒化物半導体の電界効トランジスタは、放熱に優れたＳｉＣ基板を用いるほかに、サファイア基板を用いる場合もある。サファイア基板の場合には、ＳｉＣ基板よりも熱伝導率が低いため、放熱が難しく、その放熱への対策と、高周波回路の小型化を目的とした構造が提案されている（特許文献１参照）。これらの構造は、サファイア基板上に窒化物半導体の電界効果トランジスタを形成後、基板を剥離し、電極上部に厚いソース電極用Ａｕメッキを付加する構造（特許文献１の図１）や、新たにＳｉＣ基板を接合する構造となっている（特許文献１の図３）。しかし、基板の剥離は極めて難しく、この構造の実現は容易でない。また、放熱の効果については、ソース電極やドレイン電極と、これらの電極上に形成された配線を介して、放熱される機構となっているが、電界効果トランジスタ内部での熱の主な発生点は、電流経路の電界強度が高い点、すなわちゲートのドレイン端近傍であることから、これらの構成では放熱の経路が長くなり、十分な効果が得られない問題がある。
【特許文献１】特開２００７−１４２１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の高周波半導体装置では、動作電圧を高くすると、放熱性が不十分であり、高い出力を得ることができなかった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、動作電圧を高くしても、高い出力を得ることのできる高周波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】
【０００７】
本発明の一態様による高周波半導体装置は、基板上に形成された半導体膜と、前記半導体膜のトランジスタ能動部形成領域となる第１領域上に離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記第１領域上に形成されたゲート電極と、を有する電界効果トランジスタと、前記半導体膜、前記ソース電極、前記ゲート電極、および前記ドレイン電極を覆うように形成された絶縁膜と、前記ソース電極に接続し、前記ゲート電極を覆うように前記ゲート電極の上方にまで延在するように前記絶縁膜上に形成された放熱プレートと、前記放熱プレート上に形成された放熱部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、動作電圧を高くしても、高い出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
（一実施形態）
本発明の一実施形態による高周波半導体装置を図１乃至図３に示す。図１は本実施形態の高周波半導体装置の平面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図、図３は図１に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図である。なお、図１は、後述する放熱装置、および放熱装置接続部が形成される直前の平面図を示している。
【００１１】
本実施形態の高周波半導体装置は、図２に示すように、基板２、例えばＳｉＣ基板２上に窒化物半導体膜３が形成されている。この窒化物半導体膜３は、例えばＧａＮ層４およびＡｌＧａＮ層５を順次積層した積層構造を有し、この２層の界面には２次元電子が蓄積している。この窒化物半導体膜３上に絶縁膜８が形成されている。この絶縁膜８に、窒化物半導体膜３のトランジスタ能動部形成領域に通じる複数の開口が設けられ、これらの開口を埋め込むように、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４が形成されている。したがって、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４は、窒化物半導体膜３のトランジスタ能動部形成領域上に形成され、かつソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４は、絶縁膜８によって電気的に絶縁されている。ソース電極１０およびドレイン電極１２は、例えばＴｉ層／Ａｌ層／Ｔｉ層／Ａｕ層の順で積層された積層構造を有している。また、ゲート電極は、例えばＮｉ層／Ａｕ層の順で積層された積層構造を有している。そして、図１に示すように、ソース電極１０およびドレイン電極１２は交互にかつ一列に配置され、ソース電極１０とドレイン電極１２との間にゲート電極１４が形成されている。すなわち、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４は、それぞれ複数個設けられている。そして、複数のドレイン電極１２は、引き出し配線１３に共通に接続され、複数のゲート電極１４は、引き出し配線１５に共通に接続されている。すなわち、本実施形態の高周波半導体装置は、複数の電界効果トランジスタがソース電極１０またはドレイン電極１２を共有するように一列に配列された構成となっている。
【００１２】
また、図１に示すように、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４が一列に配列されている第１の領域に隣接する第２の領域には、引き出し配線１５を介してゲート電極１４に接続される、ＲＦ信号を入力する入力部２６が絶縁膜８上に設けられている。この第２の領域は、第一の領域と異なり、イオン注入を施すか、またはＡｌＧａＮ層５を除去して、２次元電子が蓄積しない構造となっている。この入力部２６は、図３に示すように、絶縁膜８、窒化物半導体膜３、および基板２に設けられた貫通孔に埋め込まれた、例えば金属からなるコンタクト３０に接続されている。このコンタクト３０は、基板２の裏面（窒化物半導体膜３とは反対側の面）に設けられた入力パッド３２に接続している。すなわち、入力部２６はコンタクト３０を介して入力パッド３２に接続している。この入力パッド３２に高周波半導体装置の外部からＲＦ信号が入力される。
【００１３】
また、図１に示すように、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４が一列に配列されている領域に対して、入力部２６が設けられた領域と反対側の領域には、引き出し配線１３を介してドレイン電極１２に接続される、ＲＦ信号を出力する出力部２８が設けられている。この出力部２８は、入力部２６と同様に、絶縁膜８、窒化物半導体膜３、および基板２に設けられた貫通孔（図示せず）に埋め込まれた、例えば金属からなるコンタクト（図示せず）に接続されている。このコンタクトは、基板２の裏面（窒化物半導体膜３とは反対側の面）に設けられた出力パッド（図示せず）に接続している。すなわち、出力部２８は上記コンタクトを介して上記出力パッドに接続している。この出力パッドから高周波半導体装置の出力が外部に出力される。なお、入力部２６および出力部２８は、トランジスタ能動部形成領域以外の領域に形成される。
【００１４】
本実施形態の高周波半導体装置においては、更に、図２に示すように、ソース電極１０、ドレイン電極１２、およびゲート電極１４を覆うように層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６に、ソース電極１０に通じる開口が形成され、この開口を埋め込むように、金属（例えばＡｕ）からなる放熱プレート１８が形成されている。また、図３に示すように、入力部２６および出力部２８が形成された領域では、底面に絶縁膜８が露出する開口を層間絶縁膜１６に形成し、この開口を埋め込むように、例えば金属からなる接地接続部１９が形成されている。放熱プレート１８は、図１に示すように接地接続部１９と接続されている。この接地接続部１９は、外部の接地電源に接続される。したがって、ソース電極１０は、放熱プレート１８および接地接続部１９を介して接地電源に接続される。なお、放熱プレート１８および接地接続部１９は、上面が同一面となるように、同時に形成することが好ましい。なお、ゲート電極１４と放熱プレート１８との間には、層間絶縁膜１６が存在している。
【００１５】
放熱プレート１８は、図１、図２に示すように、ソース電極１０から延びてゲート電極１４を覆うように形成されているが、ドレイン電極１２を覆っていない。これは、放熱プレート１８とドレイン電極１２との間の絶縁破壊を防止するとともに、寄生容量の増加を防止するためである。また、図１に示すように、接地接続部１９は、入力部２６および出力部２８を覆わないように形成されている。これも、接地接続部１９と、入力部２６および出力部２８との間の絶縁破壊を防止するとともに、寄生容量の増加を防止するためである。
【００１６】
放熱プレート１８および接地接続部１９を覆うように、全面に、例えばＳｉＯ２からなる層間絶縁膜２０を形成し、放熱プレート１８および接地接続部１９の上面が露出するまで、層間絶縁膜２０を平坦化する。これにより、放熱プレート１８および接地接続部１９の上面と層間絶縁膜２０の上面がほぼ同一平面となる。そして、これらの放熱プレート１８および接地接続部１９ならびに層間絶縁膜２０上に、熱伝導率の高い材料（例えば、金属またはパッケージ部材、および接着層、を含む複数の層）からなる放熱装置接続部２２が形成されている。この放熱装置接続部２２上に放熱装置２４が形成されている。放熱装置接続部２２および放熱装置２４が放熱部を構成する。この放熱部は半導体装置の外部に、半導体装置の内部で発生した熱を逃がす機能を有している。
【００１７】
なお、本実施形態のように、放熱プレート１８を形成する側に、放熱装置２２、２４を設けると、これを同じ側の面で、外部との、高周波信号の入力、または出力のための接続は、困難になる。そこで、本実施形態では、図３に示すように、電界効果トランジスタを形成した面の裏側の面に、高周波信号の入出力用のパッド３２を形成し、このパッド３２と、絶縁膜８の上面に形成した素子の高周波信号入出力部２６、２８とを、基板２および窒化物半導体膜３、絶縁膜８を貫通する金属からなるコンタクト３０で接続する構成としている。
【００１８】
このように構成された本実施形態においては、ソース電極１０に接続する放熱プレート１８および接地接続部１９はドレイン電極１２および入力部２６ならびに出力部２８が形成された領域を除いて高周波半導体装置の表面の５０％以上の領域に形成され、更にこの放熱プレート１８および接地接続部１９に接続する、高熱伝導膜２２および放熱膜２４からなる放熱装置が高周波半導体装置のほぼ全面に形成されているので、電界効果トランジスタから発せられる熱を効率的に放熱することができる。これを、図４（ａ）、（ｂ）に示すシミュレーション結果を参照して説明する。
【００１９】
放熱プレート１８の放熱の効果は、デバイスシミュレーションにより確認することができた。この計算は、ポアソン方程式、電子およびホールの電流連続式、熱流の連続式を同時に解くモデルを用いる。本実施形態のモデルとなる電界効果トランジスタの構造は、ＳｉＣ基板上に形成した、本実施形態のような放熱プレート１８を有するＧａＮからなるＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)とし、ＳｉＣ基板は１００μｍまで研磨することを想定した。そして、放熱プレート１８はゲート電極１４と、ドレイン電極１２との間の中間点まで形成した。なお、このモデルにおいては、図３に示すような、放熱プレート１８に接続する接地接続部１９は設けられていない。
【００２０】
また、比較例のモデルとして、本実施形態と異なり、ソース電極に接続する放熱プレートを設けないで、基板の裏面側に放熱部材を設けた電界効果トランジスタとした。本実施形態および比較例によるモデルの電界効果トランジスタは、放熱プレートおよび放熱部材以外は、同じ構成を有している。
【００２１】
本実施形態および比較例の電界効果トランジスタの内部における温度分布のシミュレーションを同一の電圧条件で行い、その結果を図４（ａ）、図４（ｂ）にそれぞれ示す。ＳｉＣ基板の裏面から放熱する場合では素子内部の最高温度が４５５Ｋ（ケルビン）になるのに対し（図４（ａ）参照）、放熱プレートの上面から放熱する場合は、３２０Ｋにとどまり（図４（ｂ）参照）、素子内部の温度上昇を、大幅に抑制できることを示している。
【００２２】
このシミュレーション結果からもわかるように、本実施形態は、基板の裏面側に放熱部材を設けてこの裏面から放熱する比較例よりも、素子内部の温度を１３０度程度低くすることができる。この温度上昇の抑制により、ゲート幅１ｍｍあたりのドレイン電流の計算値は、比較例の０．７Ａに比べ、本実施形態では１．１Ａと、１．５倍となった。このドレイン電流の増大により、高周波出力電力は、本実施形態の構成とすることにより、比較例の１．５倍となるとことが期待できる。
【００２３】
また、上記シミュレーションにおいては、図１および図３に示す、放熱プレート１８に接続する接地接続部１９は考慮されていなかった。本実施形態では、放熱プレート１８と同時に形成される接地接続部１９が電界効果トランジスタが形成された領域を除いた領域に、入力部２６および出力部２８を覆わないように形成されている。このため、シミュレーションで考慮したモデルの場合よりも更に放熱面積が広いため、放熱の効果がより高くなる。
【００２４】
また、一般に、電界効果トランジスタからなる高周波半導体装置においては、ドレイン電極に正の高電位が印加され、ゲート電極には、負の電圧を中心とする振幅を有するＲＦ信号が印加され、ソース電極は接地電源に接続される。このため、ゲート電極のドレイン電極側の端部に高電界が発生し、電界効果トランジスタが破壊する可能性がある。しかし、上述のように構成された本実施形態においては、金属（例えばＡｕ）からなる放熱プレート１８は、ソース電極１０から延びてゲート電極１４を覆うように形成されかつソース電極１０に接続しているので、ゲート電極１４のドレイン電極１２側の端部に発生する高電界を、放熱プレート１８が緩和することが可能となり、耐圧を向上させることが可能となる。これにより動作電圧を高くすることができる。
【００２５】
次に、本実施形態のように、ソース電極１０に接続する放熱プレート１８を、ゲート電極１４を覆うように形成した場合のゲート・ソース間容量Ｃｇｓの増加について考察する。
【００２６】
電界効果トランジスタの真正部分のゲート・ソース間容量Ｃｇｓは、ゲート電極１４からチャネルまでの深さをｄ、その間の物質の誘電率をεとすると、ε／ｄに比例する。一方、本実施形態で付加される、ゲート電極１４を覆う放熱プレート１８に起因する寄生容量は、ゲート電極１４から放熱プレート１８までの距離ｄｐ、その間の物質の誘電率εｐとすると、εｐ／ｄｐに比例する。本実施形態の場合、ｄｐはｄの３倍以上、逆に、εｐはεの６０％程度と小さいため、寄生容量によるゲート・ソース間容量Ｃｇｓの増加分は真正部分の２０％以下となる。この寄生容量の増加により、素子の遮断周波数やカットオフ周波数といった特性は、やや低下するが、一般的に現時点で実現できるゲート形成プロセスを用いて、形成したゲートの素子で、ＧＨｚのオーダーで動作する素子を形成することは、まったく問題ない。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子内部に発生する熱を効果的に放熱させることが可能となるので、素子内部の温度上昇を抑えて高周波の出力電力を増大させることができる。また、素子の耐圧を向上させることが可能となり動作電圧を高くすることができる。
【００２８】
（第１変形例）
本実施形態の高周波半導体装置においては、電界効果トランジスタの接地のための接続は、放熱プレート１８と同時に形成する金属膜１９を、電界効果トランジスタが形成される面に形成している。しかし、図５に示す、本実施形態の変形例のように、電界効果トランジスタを形成された面と反対側の面（基板２の裏面）に、接地のためのパッド３６となる金属膜を形成し、電界効果トランジスタの接地接続部１９またはソース電極の裏面と、基板２および窒化物半導体膜３を貫通する開口に埋め込まれた金属からなるコンタクト３４で接続するようにしてもよい。なお、図５は、図１に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図である。
【００２９】
この第１変形例も本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
（第２変形例）
本実施形態の第２変形例による高周波半導体装置の平面図を図６に示す。本変形例の高周波半導体装置は、図１に示す本実施形態の高周波半導体装置に比べて、ドレイン電極１２の電極長が、ソース電極１０の電極長よりも短くするように構成されている。このような構成とすることにより、放熱プレート１８の面積を図１に示す本実施形態よりも広くすることが可能となり、放熱の効果を一層高めることができる。なお、図６に示す符号３４は、図５で説明したコンタクトである。
【００３１】
この第２変形例も本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
上述の実施形態およびその変形例においては、窒化物半導体の電界効果トランジスタについて記述したが、他の半導体でも同様の効果が期待できる。
【００３３】
また、基板はＳｉＣ基板を使用したが、サファイア基板、Ｓｉ基板など、他の基板を用いても同様の効果が得られる。
【００３４】
また、窒化物半導体膜を構成する窒化物半導体層としては、ＧａＮまたはＡｌＧａＮの他に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。
【００３５】
また、上記実施形態においては、窒化物半導体膜３として、２層の窒化物半導体層を積層した構造を例にとって説明したが、３層以上の窒化物半導体層を積層した窒化物半導体膜であっても同様の効果が得られる。また、ゲート電極と窒化物半導体膜との間に、薄い絶縁膜を挟んだ構造にも適用できる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の一実施形態およびその変形例によれば、素子内部に発生する熱を効果的に放熱させることが可能となるので、素子内部の温度上昇を抑えて高周波の出力電力を増大させることができる。また、素子の耐圧を向上させることが可能となり動作電圧を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態による高周波半導体装置の平面図。
【図２】図１に示す切断線Ａ−Ａ’で切断した断面図。
【図３】図１に示す切断線Ｂ−Ｂ’で切断した断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る放熱プレートの放熱効果に関するシミュレーション結果を示す図。
【図５】第１変形例による高周波半導体装置の断面図。
【図６】第２変形例による高周波半導体装置の平面図。
【符号の説明】
【００３８】
２  基板  
３  窒化物半導体膜
４  ＧａＮ層
５  ＡｌＧａＮ層
８  絶縁膜
１０  ソース電極
１２  ドレイン電極
１３  引き出し配線
１４  ゲート電極
１５  引き出し配線
１６  層間絶縁膜
１８  放熱プレート
１９  接地接続部
２０  層間絶縁膜
２２  放熱装置接続部
２４  放熱装置
２６  ＲＦ信号の入力部
２８  出力部
３０  コンタクト
３２  入力パッド
３４  コンタクト
３６  パッド（接地用）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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