JP2000349087A - 半導体装置およびそれを用いた回路 - Google Patents

半導体装置およびそれを用いた回路

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JP2000349087A
JP2000349087A JP11157468A JP15746899A JP2000349087A JP 2000349087 A JP2000349087 A JP 2000349087A JP 11157468 A JP11157468 A JP 11157468A JP 15746899 A JP15746899 A JP 15746899A JP 2000349087 A JP2000349087 A JP 2000349087A
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semiconductor device
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hole
substrate
layer
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JP11157468A
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English (en)
Inventor
Takuma Tanimoto
琢磨 谷本
信一郎 ▲高▼谷
Shinichiro Takatani
Katsuhiko Higuchi
克彦 樋口
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ヘテロ接合からなる電界効果トランジスタの寄
生容量を低減し、短チャネル効果を起こりにくくさせ
る。また、その電界効果トランジスタを用いた高性能低
雑音アンプ等を提供する。 【解決手段】電界効果トランジスタのソース電極とドレ
イン電極との間の半導体表面の一部に二重の溝を設け、
深い方の溝にゲート電極を内接するように配置し、かつ
ゲート電極がソース側へオフセットされている。特にゲ
ート電極脇の半導体表面上に絶縁膜がついていない領域
を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係り、
その特性向上により高性能化される高出力増幅器を始め
とする増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のマイクロバイアホールを形成した
半導体装置として、例えば1998年MTT−S イン
ターナショナル マイクロウエーブ コンファレンンス
ワークショプ ダイジェスト(High Power MMIC Am
plifier)PBN−94−2755Aに記載されている
ように、2mil(約50μm)という、薄い基板厚さ
の半導体装置が知られている。その概略図を図2に示
す。図のように、基板厚が薄いため、バイアホールは表
面から裏面にかけてまっすぐに開けることが可能であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のマイクロバ
イアホールの手法では、基板の厚さを50μm程度と、
著しく薄くする必要があった。これは、バイアホールの
開口寸法が10μm程度であるため、基板の厚さを十分
薄くしないと垂直のバイアホールを開けることが困難で
あることに起因する。
【0004】ところで、トランジスタの出力を増やすた
めに、素子サイズ(ゲート幅)を増大しても、思ったほ
ど出力が増さないという問題があった。これは、高周波
で特有の、位相遅れによる干渉、自己発熱などが原因で
あった。また、ウェハ厚さを薄くすることで、ある程度
対応も可能であるが、整合のためのストリップラインが
細くなりすぎ、直列抵抗が大きくなる、エレクトロマイ
グレーションによる断線を生ずるなどが問題になってき
ていた。
【0005】本発明の目的は半導体装置に係り、その特
性向上に有効な接地方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的は、ゲー
トの最小単位ごとに接地のためのバイアホールを設け、
さらにバイアホールのアスペクト比の増大や放熱性の改
善のため、半導体基板の表面側からのバイアホール開口
を50μm程度とし、基盤の裏面からも上記表面側のバ
イアホールよりも広い範囲で凹部を設けることにより達
成できる。
【0007】すなわち本発明の半導体装置は、半導体基
板を貫通する穴を有し、その穴の壁面に導電体を具備し
た半導体装置において、上記穴は半導体表面と裏面それ
ぞれから開けられ、かつ裏面から開けた穴の大きさが、
表面から開けた穴の大きさよりも大きいことを特徴とす
る。
【0008】また、上記基板の厚さは50μm以上であ
り、表面から開けた穴の幅が短辺10μm程度の長方形
であり、短辺方向に繰り返して配置されることを特徴と
する。
【0009】また、上記半導体装置として電界効果トラ
ンジスタが形成される場合、そのソース電極が、上記穴
壁面の導電体と電気的に接続され、バイポーラトランジ
スタが形成される場合、そのエミッタ電極が、上記穴壁
面の導電体と電気的に接続されていることを特徴とす
る。
【0010】本発明の半導体装置を使用することによ
り、高性能の高出力増幅回路を形成することができる。
【0011】ゲート幅に対して出力がスケーリングされ
ないのは、高周波における信号の波動性による干渉が主
因である。したがって、単位構造ごとにしっかりと接地
することが肝要である。また、接地のためのバイアホー
ルが大きいときは、信号線の長さが長くなってしまうた
め、利得の低下などによる出力低下が起こる。
【0012】これを解決するには、バイアホールの幅を
10μm程度の小さな物にする必要がある。また、この
ような小さな幅の穴を、100μm程度の深さにまで開
けるのは非常に困難である。したがって、この穴は、5
0μm程度で留めておき、裏面からも幅の大きな穴を開
けることにより、プロセス上の困難を回避することがで
きる。
【0013】
【発明の実施の形態】(実施例1)図1に、本発明の第
1の実施例であるFETの断面図を示す。半絶縁性Ga
As基板1上に、分子線エピタキシー(MBE)法によ
り、アンドープGaAsバッフア層(厚さ:500n
m)、アンドープInGaAsチャネル層(In組成:
0.25、厚さ:8nm)(図中では以上の各層をまとめ
て符号2で表記する)、アンドープAlGaAsスペー
サ層(Al組成:0.25、厚さ:2nm)、n−AlG
aAsキャリア供給層(Al組成:0.25、厚さ:1
5nm、Si濃度:5×1018/cm3)、アンドープAl
GaAsバリア層(Al組成:0.25、厚さ:10n
m)(図中では以上の各層をまとめて符号3で表記す
る)、アンドープGaAsカバー層(厚さ:20nm)、
アンドープAlGaAs層(Al組成:0.25、厚
さ:3nm)(図中では以上の各層をまとめて符号4で表
記する)を成長させ、最後にn−GaAsキャップ層
(Si濃度:7×1018/cm3、厚さ:160 nm)6
を堆積する。
【0014】次に、n−GaAsキャップ層6をメサ型
にエッチングして素子間分離を行なう。さらに、SiO
からなる絶縁膜50を蒸着する。次に、ソース電極51
およびドレイン電極52をリフトオフ法により形成す
る。このとき、通常のホトリソグラフィープロセスによ
り、絶縁膜50に開口を形成し、リフトオフのマスクと
する。また、絶縁膜の開口はウエットエッチングにより
サイドエッチングして、リフトオフしやすい形状にして
おく。さらに、n−GaAsキャップ層6を40nm程度
ウエットエッチングにより削り込んでおく。ソース・ド
レイン電極材料にはAuGe/Mo/Auを用いる。材
料蒸着後に窒素雰囲気中で熱処理(400℃、5分)を
行なう。
【0015】次に、ホトリソグラフィープロセスによ
り、ゲート電極のために、開口を有するホトレジストパ
ターンを形成し、ドライエッチングにより絶縁膜50に
開口を設ける。さらに、ドライエッチングによりn−G
aAsキャップ層6を除去する。このとき、等方性のエ
ッチングによりサイドエッチングし、開口部よりも大き
な領域をエッチング除去する。さらに、ゲート長0.5
μmのゲート電極54を、アンドープGaAsカバー層
上に、リフトオフにより形成する。ゲート電極材料には
Mo/Alを用いる。
【0016】次に、厚膜レジストを用い、バイアホール
54のための開口を設ける。開口寸法は10μmとし
た。次に、ドライエッチングにより、10μm幅、深さ
50μmの開口を設ける。レジストを除去した後、スッ
パッタにより全面に金を蒸着する。さらに、選択金メッ
キにより、バイアホール内などの所望の部分にメッキ5
5を形成する。メッキ厚さは、平坦部で10μmとし
た。このメッキの工程により、バイアホール54部の金
属は、ソース電極51と電気的に接続される。
【0017】次に、基板厚さを80μmまで薄膜化す
る。その後、ウェハ裏面から両面リソグラフィーによ
り、所望の部分に開口を設け、ウエットエッチングによ
りエッチング除去し、表面からのバイアホール54を露
呈させる。さらに裏面金属層56を全面に蒸着し、アロ
イングすることにより、裏面電極56はマイクロバイア
ホール54を介して、表面のソース電極51と電気的に
接続される。こうして、図1に示した構造のFETを有
する半導体装置を実現した。
【0018】本実施例による装置は、ゲート幅100,
200,400μmの素子で、それぞれ77GHzにお
ける飽和出力12,15,17.5dBmと、ゲート幅
にほぼ比例した出力を示した。
【0019】製造工程におけるエピタキシャル結晶成長
法は、MBE法のかわりに原子層単位で成長を制御でき
る方法、例えばMOCVD法等を用いても同様の結果が
得られる。
【0020】キャップ層6は、GaAsに限らず、オー
ミック接触のとりやすい物質、例えばInGaAs等を
用いてもよい。
【0021】ゲート直下のアンドープAlGaAs層9
およびアンドープGaAsカバー層は、耐圧を小さくし
ない程度に、1×1018/cm3以下のn−AlGaAs
を用いてもよい。AlGaAs層7、8、9のAl組成
は0.25を用いたが、0.15から0.4程度の値を
用いても同様な結果が得られる。
【0022】チャネル層にIn組成0.25のInGa
Asを用いたが、0.1から0.4程度のIn組成で、
転位が入らない程度の厚さにしてもよく、材料もInG
aAsに限らず、GaAsSbを用いてもよい。
【0023】チャネル層/キャリア供給層構造も、In
GaAs/AlGaAsに限らず、例えばGaAs/A
lGaAs、InGaAs/InAlAsやInAs/
(Al,Ga)(Sb,As)のような材料の組み合わ
せのとき同様な結果が得られる。
【0024】基板材料もGaAsに限らず、InPなど
を用いてもよい。InP基板を用いた場合は、上記Al
GaAs層の代わりにIn組成0.3〜0.6のInA
lAsを、GaAs層の代わりにIn組成0.4〜0.
7のInGaAsを用いると良好な結果が得られる。
【0025】上記実施例ではNチャネル電界効果トラン
ジスタの例を示したが、Pチャネルでも良好な結果が得
られる。他のヘテロ接合素子、即ち逆HEMT,キャリ
ア供給層付きドープチャネル型FETやHBT等に適用
しても良好な結果が得られる。
【0026】(実施例2)図3に本発明の実施例2の高
出力増幅器の回路図を示す。図において、200は初段
のFET、201は次段のFET、202は入力端子、
203は出力端子、204は初段のFETのゲート電圧
端子、205は次段のFETのゲート電圧端子、213
は初段のFETのドレイン電圧端子、207は次段のF
ETのドレイン電圧端子、208はアース、211はマ
イクロストリップ線路である。
【0027】実施例1記載のFETをマイクロストリッ
プ線路211やコンデンサ210を用いたマッチング回
路と共に半導体基板上に形成する。こうして得られた低
雑音増幅器は、初段のFET200のドレイン電圧およ
びドレイン電流が各々3Vおよび10mA、次段のFE
T201のドレイン電圧およびドレイン電流が各々3V
および30mAという条件下で、77GHzにおいて飽
和出力16dBm、利得20dBという良好な性能が得
られた。
【0028】なお、本実施例では2段増幅器の例を示し
たが、1段や3段増幅器でも良好な結果が得られる。ま
た、マッチング回路が同一基板上にある、所謂モノリシ
ックICの例を示したが、多少性能は落ちるが製作の容
易なハイブリッドIC、即ちマッチング回路が同一基板
上にないものでも良好な結果が得られる。また、周波数
帯が77GHz帯の低雑音増幅器について記載したが、
マッチング回路の変更で他の周波数帯でも良好な特性が
得られた。
【0029】また、動作電流や動作電圧もより小さい用
途、例えば自動車電話、携帯電話等の低消費電力動作が
必要なでも良好な特性が得られた。この場合、従来素子
を用いたときに実現できたのと同等な雑音特性を得るた
めに必要なセルサイズは、半分以下にできた。これは、
従来素子よりも本発明によって得られた素子の性能がよ
いため、少ない素子数で回路を構成しても高性能な増幅
器が得られるからである。また、本発明のFETを、ミ
キサなど、他の回路に利用してもよい。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、ミリ波車載レーダ用パ
ワーアンプ、移動通信用パワーアンプ・ゲート幅を大き
くするだけで高出力化を実現できる。高価な技術を使わ
なくて済むため、低コスト化が実現できる。さらに、接
地が素子の近くで取れるため、受動素子などもパラメー
タも、より設計値に近くなり、設計時間短縮を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の特徴を示す半導体装置の断面構造図。
【図2】従来の半導体装置の断面構造図。
【図3】本実施例の回路図。
【符号の説明】
1…半絶縁性GaAs基板、2…バッファ、チャネル層
部分、3…キャリア供給層、6…n−GaAsキャップ
層、7…アンドープAlGaAsスペーサ層、8…n−
AlGaAsキャリア供給層、9…アンドープAlGa
Asバリア層、10…アンドープAlGaAs層、50
…絶縁膜、51…ソース電極、52…ドレイン電極、5
3…ゲート電極、54…バイアホール、55…金メッキ
部、56…裏面金属、200…初段のFET、201…
次段のFET、202…入力端子、203…出力端子、
204…初段のFETのゲート電圧端子、205…次段
のFETのゲート電圧端子、213…初段のFETのド
レイン電圧端子、207…次段のFETのドレイン電圧
端子、208…アース、211…ストリップ線路。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/73 H01L 29/80 U 21/338 H 29/812 29/778 (72)発明者 樋口 克彦 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 4M104 AA05 BB10 BB16 CC01 CC05 DD07 FF02 FF13 GG06 GG09 GG12 HH20 5F003 BA29 BE02 BE08 BH13 BH18 BM02 BM03 BP32 BP95 BZ05 5F033 GG02 HH13 HH20 JJ13 MM08 MM12 MM30 PP15 PP27 QQ07 QQ19 QQ37 QQ41 QQ69 QQ73 WW02 XX00 XX34 5F102 FA07 FA10 GA18 GB01 GC01 GD01 GJ05 GJ06 GK05 GL04 GL08 GM06 GN04 GN05 GQ01 GR09 GR13 GR15 GT02 GT03 HC01 HC11 HC19

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板を貫通する穴を有し、その穴の
    壁面に導電体を具備した半導体装置において、上記穴は
    半導体表面と裏面それぞれから開けられ、かつ裏面から
    開けた穴の大きさが、表面から開けた穴の大きさよりも
    大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】上記基板の厚さは50μm以上であること
    を特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の半導体装置で、表
    面から開けた穴の幅が短辺10μm程度の長方形であ
    り、短辺方向に繰り返して配置されることを特徴とする
    半導体装置。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれか記載の半導体
    装置は、電界効果トランジスタであり、ソース電極が、
    上記穴壁面の導電体と電気的に接続されていることを特
    徴とする半導体装置。
  5. 【請求項5】請求項1ないし3のいずれか記載の半導体
    装置は、バイポーラトランジスタであり、エミッタ電極
    が、上記穴壁面の導電体と電気的に接続されていること
    を特徴とする半導体装置。
  6. 【請求項6】請求項4ないし5のいずれか記載の半導体
    装置を使用することを特徴とする高出力増幅回路。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006521022A (ja) * 2003-03-21 2006-09-14 シレックス マイクロシステムズ アーベー 基板中の電気的接続

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JP2006521022A (ja) * 2003-03-21 2006-09-14 シレックス マイクロシステムズ アーベー 基板中の電気的接続

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