JP2005260255A - Compound semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)素子等の放熱を必要とするパワー素子に好適に用いることができる化合物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device that can be suitably used for a power element that requires heat dissipation, such as a heterojunction bipolar transistor (HBT) element, and a manufacturing method thereof.
従来、放熱を必要とする化合物半導体装置として、半導体基板の上に化合物半導体層を設けて半導体素子を形成し、その上に設けた電極上にバンプを形成した化合物半導体装置が知られている。この化合物半導体装置は、バンプの上面を実装基板側に向け、バンプと実装基板上に形成された電極とを接続することによって実装される。この実装方法は、フリップチップ法と呼ばれ、高密度実装が可能なので、入力端子数の増加や微細化の傾向が著しいLSIを実装する有効な方法と考えられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a compound semiconductor device that requires heat dissipation, a compound semiconductor device is known in which a compound semiconductor layer is provided on a semiconductor substrate to form a semiconductor element, and a bump is formed on an electrode provided thereon. The compound semiconductor device is mounted by connecting the bump and the electrode formed on the mounting substrate with the upper surface of the bump facing the mounting substrate. This mounting method is called a flip-chip method, and high-density mounting is possible. Therefore, this mounting method is considered to be an effective method for mounting LSIs that have a remarkable tendency to increase the number of input terminals and miniaturization.
このフリップチップ法をパワートランジスタに利用する場合は、バンプを電極としてだけでなく、素子で発生した熱を放出するための放熱経路としても利用している。特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)素子では、高電流密度で動作させる時、発熱密度が高くなる傾向にある。従って、このHBT素子を適正に動作させるためには、素子内部で発生した熱を効率良く放出する必要があり、上述のフリップチップ法が特に有効であると考えられている。 When this flip-chip method is used for a power transistor, the bump is used not only as an electrode but also as a heat dissipation path for releasing heat generated in the element. In particular, a heterojunction bipolar transistor (HBT) element tends to have a high heat generation density when operated at a high current density. Therefore, in order for this HBT element to operate properly, it is necessary to efficiently release the heat generated inside the element, and the above-described flip chip method is considered to be particularly effective.
これらのバンプを用いる技術は、例えば、長谷川等により、信学技報、第93巻、第416号、『バンプヒートシンク技術』(1994年)に、またSatoにより米国特許第5,373,185号に開示されている。 Techniques using these bumps are disclosed in, for example, Hasegawa et al., Shingaku Technical Journal, Vol. 93, No. 416, “Bump Heat Sink Technology” (1994), and Sato, US Pat. No. 5,373,185. Is disclosed.
以下に図9を参照しながら、従来の化合物半導体装置の構成を説明する。この図の化合物半導体装置300は、GaAsからなる半絶縁性基板301上に半導体多層320と、その上に形成されたコンタクト構造306を有し、コンタクト構造306の上面に形成されたエミッタ電極309の上にメッキ用導電金属(Ti/Au)層312を介してバンプ313が接合されている。
The configuration of a conventional compound semiconductor device will be described below with reference to FIG. The
半導体多層320は、半絶縁性基板301上に、n+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)からなるサブコレクタ層302(厚さ:500nm)、n−GaAs(不純物濃度:2.0E+16/cm3)からなるコレクタ層303(厚さ:700nm)、p+GaAs(不純物濃度:2.0E+19/cm3)からなるべース層304(厚さ:80nm)、n−AlGaAs(不純物濃度:5.0E+17/cm3)からなるエミッタ層305(厚さ:120nm)とをこの順に積層した構造で、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を構成している。サブコレクタ層302、ベース層304、エミッタ層305にはそれぞれコレクタ電極311(AuGe/Ni/Au)、べース電極310(Ti/Pt/Au)及びエミッタ電極309(Ti/Pt/Au)がそれぞれ電気的に接続されている。
The semiconductor multilayer 320 includes a sub-collector layer 302 (thickness: 500 nm) made of n + GaAs (impurity concentration: 5.0E + 18 / cm 3 ) and n-GaAs (impurity concentration: 2.0E + 16) on a
コンタクト構造306は、アロイ処理することなく、エミッタ層305とエミッタ電極309(Ti/Pt/Au)間のコンタクトをとるために設けられており、エミッタ層305側に設けられたn+GaAsからなる第1コンタクト層306a(不純物濃度:5.0E+18/cm3、厚さ:50nm)、エミッタ電極309側に設けられたn+InGaAsからなる第2コンタクト層306c(不純物濃度:>1.0E+19/cm3、厚さ:50nm)と、第1及び第2のコンタクト層306a及び306c間に、n+InGaAsからなるグレーディッド層306b(不純物濃度:>1.0E+19/cm3、厚さ:50nm)を有している。
The contact structure 306 is provided for making contact between the emitter layer 305 and the emitter electrode 309 (Ti / Pt / Au) without performing an alloy process, and is made of n + GaAs provided on the emitter layer 305 side. First contact layer 306a (impurity concentration: 5.0E + 18 / cm 3 , thickness: 50 nm),
図9の構成においては、第2コンタクト層306cを形成する材料として、InXGa1-XAs(x=0.5)がよく用いられる。InGaAsは、高濃度の不純物ドープが可能で、アロイ処理をする事なく低コンタクト抵抗のオーミック電極を形成することができる。通常、In0.5Ga0.5Asからなる第2コンタクト層306cとGaAs層からなる第1コンタクト層306aとの格子整合および伝導帯整合をとるために、Inの混晶比を0から0.5まで変化させたグレーディッド層306bを、第1コンタクト層と第2コンタクト層との間に形成する。良好な電気的なコンタクトを得るためInの混晶比は、0.5程度で十分であり、一般的にInの混晶比が0.5以上になると、格子定数の不一致の問題が大きくなる。従って、従来は、グレーディッド層306bや第2コンタクト層306cの材料として、xが0.5以上のInXGa1-XAsを敢えて用いることはなかった。
ところで、最近においては、従来から用いられているGaAs系材料と共に、超高速なHBTを得るための半導体材料として、優れたキャリア走行特性を有するという観点から、InP基板に格子整合するInxGa1-xAs(x=0.53)系材料が注目されてきている。
In the configuration of FIG. 9, In x Ga 1-x As (x = 0.5) is often used as a material for forming the
Recently, In x Ga 1 that is lattice-matched to an InP substrate from the viewpoint of having excellent carrier running characteristics as a semiconductor material for obtaining an ultrahigh-speed HBT together with a conventionally used GaAs-based material. The -x As (x = 0.53) -based material has attracted attention.
以下に図10を参照しながら、InxGa1-xAs(x=0.53)系材料を用いた従来のInP系HBTの構成を説明する。この図のHBT700は、InPからなる半絶縁性基板701上に半導体多層720が形成されている。
Hereinafter, the configuration of a conventional InP-based HBT using an In x Ga 1-x As (x = 0.53) material will be described with reference to FIG. In the HBT 700 of this figure, a
半導体多層720は、半絶縁性基板701上に、n+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるサブコレクタ層702(厚さ:500nm)、n−In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+16/cm3)からなるコレクタ層703(厚さ:500nm)、p+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるべ一ス層704(厚さ:60nm)、n−InP(不純物濃度:5.0E+17/cm3)からなるエミッタ層705(厚さ:100nm)とをこの順に積層した構造で、HBTを構成している。
The
サブコレクタ層702の一部およびベース層704の一部はメサエッチングにより露出しており、サブコレクタ層702の露出部上にコレクタ電極711が、また、ベース層704の露出部上にはベース電極710が、各々オーミック電極として形成されている。エミッタ層705上にはn+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるエミッタコンタクト層706(厚さ:100nm)を介してエミッタ電極709がオーミック電極として形成されている。 A part of the subcollector layer 702 and a part of the base layer 704 are exposed by mesa etching, and a collector electrode 711 is exposed on the exposed part of the subcollector layer 702 and a base electrode is exposed on the exposed part of the base layer 704. 710 are each formed as an ohmic electrode. On the emitter layer 705, an emitter electrode 709 is formed as an ohmic electrode via an emitter contact layer 706 (thickness: 100 nm) made of n + In 0.53 Ga 0.47 As (impurity concentration: 1.0E + 19 / cm 3 ). .
上述の従来のバンプ付き化合物半導体装置、特にパワートランジスタ等のパワー素子においては、従来、使用時の発熱によって素子自体の温度が上昇し、素子自体の特性や信頼性が低下するとともに、パワー素子の周辺に実装されている素子の特性や信頼性が低下するという問題があり、パワー素子として十分な性能を発揮できなかった。 In the above-described conventional compound semiconductor device with bumps, particularly power elements such as power transistors, the temperature of the element itself is increased due to heat generation during use, and the characteristics and reliability of the element itself are lowered. There is a problem that the characteristics and reliability of the elements mounted in the periphery are deteriorated, and sufficient performance as a power element cannot be exhibited.
また、InxGa1-xAs(x=0.53)系材料を用いた化合物半導体装置においては、GaAs系材料を用いた場合に比べて電子走行特性は良くなるが、放熱特性が悪くなるという問題があった。特に、InP系基板上に超高速かつハイパワーのHBTを形成した場合には、その放熱特性の悪さのために、使用時の自己発熱により素子特性の低下や信頼性が低下したり、集積回路化した際に周辺に実装されている素子に及ぼす悪影響が著しいという問題があった。 Further, in the compound semiconductor device using the In x Ga 1-x As (x = 0.53) material, the electron running characteristics are improved as compared with the case where the GaAs material is used, but the heat dissipation characteristics are deteriorated. There was a problem. In particular, when an ultrafast and high-power HBT is formed on an InP-based substrate, due to the poor heat dissipation characteristics, device characteristics deteriorate and reliability decreases due to self-heating during use. There is a problem that the adverse effect on the elements mounted in the periphery is remarkable.
本発明の目的は、上記問題を解決し、更に高パワーでの使用に耐える新規な構成の化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device having a novel structure that can solve the above-described problems and can withstand use at high power, and a method for manufacturing the compound semiconductor device.
本発明の化合物半導体装置は、基板上に形成された半導体多層と、該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、該コンタクト構造上に形成された電極と、該電極上に形成されたバンプとを有し、該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極、及び該バンプを介して外部へ拡散させることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention includes a semiconductor multilayer formed on a substrate, an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer, and an In x Ga 1-x formed on the semiconductor multilayer. It has a superlattice structure in which As (0 ≦ x ≦ 0.1) layers are alternately stacked, and the layer closest to the electrode is an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer A contact structure comprising: an electrode formed on the contact structure; and a bump formed on the electrode. Heat generated in the semiconductor multilayer is transmitted through the contact structure, the electrode, and the bump. It is characterized by diffusing outside.
前記InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造は、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層の分子層数が減少するにつれ、InxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層の分子層数が増加するようにしたことを特徴としてもよい。 A superlattice structure in which the In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and the In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked is In x As the number of molecular layers in the Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer decreases, the number of molecular layers in the In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer increases. It may be characterized by that.
前記超格子構造は、InAs層とGaAs層が交互に積層されていることを特徴としてもよい。 The superlattice structure may be characterized in that InAs layers and GaAs layers are alternately stacked.
本発明の化合物半導体装置は、基板上に形成された半導体多層と、該半導体多層上に形成されたコンタクト構造と、該コンタクト構造上に形成された電極と、該電極上に形成されたバンプと、を有する化合物半導体装置において、該コンタクト構造は、該半導体多層側から少なくともInxGa1−xAs(0<x≦0.1)からなる層と、その上に設けられ、該半導体多層から該電極に向かうにつれて組成比xが0.1から0.9に変化しているInxGa1−xAs(0.1≦x≦0.9)からなる層と、該電極に最も近い該InxGa1−xAs(0.1≦x≦0.9)層に接するInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)からなる層とで構成されるグレーディッド層を有し、該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極、及び該バンプを介して外部へ拡散させることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention includes a semiconductor multilayer formed on a substrate, a contact structure formed on the semiconductor multilayer, an electrode formed on the contact structure, and a bump formed on the electrode. In the compound semiconductor device having the above structure, the contact structure is provided on the semiconductor multilayer side from a layer made of at least In x Ga 1-x As (0 <x ≦ 0.1) and on the semiconductor multilayer. A layer made of In x Ga 1-x As (0.1 ≦ x ≦ 0.9) in which the composition ratio x changes from 0.1 to 0.9 as it goes to the electrode, and the layer closest to the electrode A graded layer composed of a layer made of In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) in contact with the In x Ga 1-x As (0.1 ≦ x ≦ 0.9) layer. And heat generated in the semiconductor multilayer And diffusing outside through the electrodes and the bumps.
前記コンタクト構造において、組成比xが0.1から0.9に変化しているInxGa1−xAs(0.1≦x≦0.9)からなる層の厚さが、該グレーディッド層全体の厚さの50%以下であることを特徴としてもよい。 In the contact structure, the thickness of the layer made of In x Ga 1-x As (0.1 ≦ x ≦ 0.9) in which the composition ratio x is changed from 0.1 to 0.9 is the graded It may be characterized by being 50% or less of the total thickness of the layer.
前記半導体多層は、GaAsからなるコレクタ及びベース層と、AlGaAsまたはInGaPからなるエミッタ層とを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成していることを特徴としてもよい。 The semiconductor multilayer may constitute a heterojunction bipolar transistor including a collector and base layer made of GaAs and an emitter layer made of AlGaAs or InGaP.
本発明の化合物半導体装置は、InP基板上に形成された半導体多層と、該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、該コンタクト構造上に形成された電極と、該電極上に形成されたバンプとを有し、該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極及び該バンプを介して外部へ放散させることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention includes a semiconductor multilayer formed on an InP substrate, an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer, and an In x Ga 1-1 formed on the semiconductor multilayer. It has a superlattice structure in which x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layers are alternately stacked, and the layer closest to the electrode is In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) A contact structure comprising layers, an electrode formed on the contact structure, and a bump formed on the electrode, and heat generated in the semiconductor multilayer is transmitted through the contact structure, the electrode and the bump. It is characterized by being dissipated outside.
本発明の化合物半導体装置は、InP基板と、該InP基板上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造からなる層と、該超格子構造からなる層の上に形成された半導体多層とを有し、該半導体多層で発生した熱を該超格子構造からなる層及び該InP基板を介して外部へ放散させることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention is formed on an InP substrate, the InP substrate, an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer, and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦). 0.1) a layer having a superlattice structure in which layers are alternately stacked, and a semiconductor multilayer formed on the layer having the superlattice structure, and heat generated in the semiconductor multilayer is It is characterized by being diffused to the outside through a layer having a lattice structure and the InP substrate.
本発明の化合物半導体装置は、InP基板上と、該InP基板上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造からなる層と、該超格子構造からなる層の上に形成された半導体多層と、該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、該コンタクト構造上に形成された電極と、該電極上に形成されたバンプとを有し、該半導体多層で発生した熱を該超格子構造からなる層及び該InP基板を介して外部へ放散させるとともに、該コンタクト構造、該電極及び該バンプを介して外部へ放散させることを特徴とする。 The compound semiconductor device of the present invention is formed on an InP substrate and on the InP substrate, and includes an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x). ≦ 0.1) a layer having a superlattice structure in which layers are alternately stacked, a semiconductor multilayer formed on the layer having the superlattice structure, and an In x Ga 1 layer formed on the semiconductor multilayer. -x as has (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and the in x Ga 1-x as ( 0 ≦ x ≦ 0.1) layer and are alternately stacked superlattice structure, the side closest to the electrode A contact structure comprising a layer of In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1), an electrode formed on the contact structure, and a bump formed on the electrode, The heat generated in the semiconductor multilayer is dissipated to the outside through the layer having the superlattice structure and the InP substrate. The contact structure, characterized in that to dissipate to the outside through the electrodes and the bumps.
前記超格子構造からなる層がサブコレクタ層であり、前記半導体多層がヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する少なくともコレクタ層とベース層とエミッタ層とからなることを特徴としてもよい。 The layer having the superlattice structure may be a subcollector layer, and the semiconductor multilayer may be composed of at least a collector layer, a base layer, and an emitter layer constituting a heterojunction bipolar transistor.
前記半導体多層が、InGaAsまたはInPからなるコレクタ層と、InGaAsからなるベース層と、InPまたはInAlAsからなるエミッタ層とを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成していることを特徴としてもよい。 The semiconductor multilayer may constitute a heterojunction bipolar transistor including a collector layer made of InGaAs or InP, a base layer made of InGaAs, and an emitter layer made of InP or InAlAs.
前記バンプを実装基板側に向け、該バンプと該実装基板上に形成された電極とを接続することを特徴としてもよい。 The bump may be directed toward the mounting substrate, and the bump may be connected to an electrode formed on the mounting substrate.
以上詳述したように、本発明によれば、熱抵抗が従来の図9に示したコンタクト構造に比べて30%以下になると共に基板と格子整合したコンタクト構造が得られ、放熱性に優れた化合物半導体装置及びその製造方法が提供される。素子内部で発生した熱をコンタクト構造を介して電極側から効率良く外部に放散することができるので、熱によって素子の動作特性や信頼性を低下することがない。従って、優れた動作特性や信頼性を有するパワートランジスタ等の高パワーで使用される化合物半導体装置を提供することができる。また、他の本発明によれば、熱抵抗が従来の図10に示したコンタクト層に比べて50%以下になるコンタクト層および熱抵抗が従来の図10に示したサブコレクタ層に比べて60%以下になるサブコレクタ層が得られ、放熱性に優れた化合物半導体装置が提供される。素子内部で発生した熱をコンタクト層を介して電極側から効率良く外部に放散することができ、またはサブコレクタ層を介してInP基板側から効率良く外部に放散することができるので、熱によって素子の動作特性や信頼性を低下することがない。従って、優れた動作特性や信頼性を有するパワートランジスタ等の高パワーで使用される化合物半導体装置を提供することができる。 As described above in detail, according to the present invention, the thermal resistance is 30% or less as compared with the conventional contact structure shown in FIG. 9, and a contact structure lattice-matched with the substrate is obtained, which is excellent in heat dissipation. A compound semiconductor device and a manufacturing method thereof are provided. Since heat generated inside the element can be efficiently dissipated from the electrode side to the outside through the contact structure, the operation characteristics and reliability of the element are not deteriorated by the heat. Therefore, it is possible to provide a compound semiconductor device used at high power such as a power transistor having excellent operating characteristics and reliability. According to another aspect of the present invention, the contact layer whose thermal resistance is 50% or less than that of the conventional contact layer shown in FIG. 10 and the thermal resistance of 60% as compared with the conventional subcollector layer shown in FIG. % Of the subcollector layer is obtained, and a compound semiconductor device excellent in heat dissipation is provided. The heat generated inside the element can be efficiently dissipated from the electrode side to the outside through the contact layer, or can be efficiently dissipated from the InP substrate side to the outside through the subcollector layer. The operating characteristics and reliability are not degraded. Therefore, it is possible to provide a compound semiconductor device used at high power such as a power transistor having excellent operating characteristics and reliability.
まず、本発明者等は、従来の化合物半導体装置の高パワー使用時の素子特性や信頼性の劣化、及び周辺に実装されている動作の特性及び信頼性低下の原因が、化合物半導体装置の放熱特性が悪いためであると考え、該半導体装置の放熱特性を改善することを検討した。その結果以下のことが明らかになった。 First, the present inventors have found that the deterioration of element characteristics and reliability of a conventional compound semiconductor device when used at high power, as well as the deterioration of the operation characteristics and reliability mounted in the periphery, are caused by the heat dissipation of the compound semiconductor device. Considering that the characteristics are poor, the inventors have studied to improve the heat dissipation characteristics of the semiconductor device. As a result, the following became clear.
従来の図9に示したバンプ付き化合物半導体装置においては、n−GaAsコレクタ層303とp+GaAsベース層304との間で主に発熱するが、この熱は第1コンタクト層306a、グレーディッド層306b、第2コンタクト層306cを通じて放熱される。これらの膜は前述したように各層の膜厚が50nm程度と非常に薄く、当初は放熱に対する影響はほとんど無いと考えた。
In the conventional compound semiconductor device with bumps shown in FIG. 9, heat is mainly generated between the n-
本発明者等は、念のためこれらの層を構成する材料の熱伝導度を調べてみたが、それによると表1のようであった(この表を図示したのが図4である。)。この図4から、InXGa1-XAs系においてはGaAsが熱伝導が一番良く、GaがInに置換される量が増えるに従って熱伝導が悪くなるが、Inの量が0.9以上になると再び熱伝導が良くなることが分かる。このことから考えると、図9の第2コンタクト層306cは、In0.5Ga0.5Asであるため熱伝導度が一番悪く、グレーディッド層306bは第2コンタクト層306c側から第1コンタクト層306a側に近づくに従って、熱伝導度は良くなって行くことが予測される。
The inventors of the present invention have examined the thermal conductivity of the materials constituting these layers as a precaution, and the result is as shown in Table 1 (this table is shown in FIG. 4). . From FIG. 4, in the In X Ga 1-X As system, GaAs has the best heat conduction, and the heat conduction deteriorates as the amount of Ga replaced with In increases, but the amount of In is 0.9 or more. It turns out that heat conduction is improved again. Considering this, the
前述したように、第2コンタクト層306c及びグレーディッド層306bの両層を組み合わせた厚みは高々100nm程度であり、非常に薄いので半導体素子の放熱を阻害するほどの熱抵抗を有しているとは考えられなかったが、以下の実施例及び効果の所で示すように、これらの膜に新しい構成を用いると半導体素子の放熱特性が大幅に改良されることが明らかになった。
As described above, the combined thickness of both the
また、従来の図10に示した化合物半導体装置においては、n−In0.53Ga0.47Asコレクタ層703とp+In0.53Ga0.47Asベース層704との間で主に発熱するが、この熱はエミッタコンタクト層706を通じてエミッタ電極709側から放熱され、またはサブコレクタ層702を介してInP基板701側から放熱される。このエミッタコンタクト層706およびサブコレクタ層702についても同様に、半導体素子の放熱を阻害するほどの熱抵抗を有しているとは考えられなかったが、以下の実施例及び効果の所で示すように、これらの膜に新しい構成を用いると半導体素子の放熱特性が大幅に改良されることが明らかになった。
In the conventional compound semiconductor device shown in FIG. 10, heat is mainly generated between the n-In 0.53 Ga 0.47 As collector layer 703 and the p + In 0.53 Ga 0.47 As base layer 704. This heat is emitted from the emitter. Heat is radiated from the emitter electrode 709 side through the contact layer 706 or radiated from the
以下に、本発明の実施例を説明する。
(実施例1)
図1は、本実施例の化合物半導体装置100の構成を示す図である。化合物半導体装置100は、GaAsからなる半絶緑性基板101上に半導体多層120と、その上に形成されたコンタクト構造106を有し、コンタクト構造106の上面に形成されたTi/Pt/Auからなる電極109上に、メッキ用導電金属(Ti/Au)層112を介してバンプ113が接合されている。
Examples of the present invention will be described below.
(Example 1)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the
半導体多層120は、半絶縁性基板101上に、n+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)からなるサブコレクタ層102(厚さ:500nm)、n−GaAs(不純物濃度:2.0E+16/cm3)からなるコレクタ層103(厚さ:700nm)、p+GaAs(不純物濃度:2.0E+19/cm3)からなるベース層104(厚さ:80nm)、n−AlGaAs(不純物濃度:5.0E+17/cm3)からなるエミッタ層105(厚さ:120nm)とを、この順に積層した構造で、AlGaAs/GaAsへテロ接合バイポーラトランジスタを構成している。
The
コンタクト構造106は、エミッタ層105とエミッタ電極109間のコンタクトをアロイ処理することなく取るために設けられており、エミッタ層105側に設けられたn+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)からなる第1コンタクト層106a(厚さ:50nm)、エミッタ電極109側に設けられたn+InAs(不純物濃度:>1.0E+19/cm3)からなる第2コンタクト層106c(厚さ:50nm)と、第1及び第2のコンタクト層106a及び106c間に、グレーディッド層106bを有している。グレーディッド層106bはGaAsとInAsとからなる超格子構造である。
The
コンタクト構造106の構造の詳細を、図3を参照しながら説明する。図3はコンタクト構造106の構造とエネルギーバンドを示す図である。横軸はコンタクト構造106の厚さ方向の位置を示し、縦軸は各半導体層の伝導帯のエネルギーレベルを示す。グレーディッド層106bは、GaAsの分子層とInAsの分子層とが交互に積層された超格子構造を有しており、GaAs第1コンタクト層106a側から、InAs第2コンタクト層106cに向かうに連れて(図中右から左)、InAs分子層の厚さが増加するとともに、GaAs分子層の厚さが減少する。図3の構成においては、GaAs(106a)/InAs1分子層/GaAs9分子層/InAs2分子層/GaAs8分子層/・・・/GaAs3分子層/InAs8分子層/GaAs2分子層/InAs9分子層/GaAs1分子層/InAs(106c)の構成を有している。この超格子構造により、GaAsからなる第1コンタクト層106aとInAsからなる第2コンタクト層106cとの間の格子整合及び伝導帯整合をとるとともに、高い熱伝導率を有するグレーディッド層106bが得られる。
Details of the structure of the
超格子構造における各分子層の厚さや層数は上記の例に限らず、格子整合及び伝導帯整合が得られ、高い熱伝導率が得られる構成であればよい。例えば、2分子層から18分子層を交互に有する超格子構造を用いることもできる。分子層数の変化は上記のように規則的でなくても、格子整合が図られている範囲で不規則な変化があっても良い。 The thickness and the number of layers of each molecular layer in the superlattice structure are not limited to the above examples, and any structure may be used as long as lattice matching and conduction band matching can be obtained and high thermal conductivity can be obtained. For example, a superlattice structure having two to eighteen molecular layers alternately can be used. The change in the number of molecular layers may not be regular as described above, but may be irregular as long as lattice matching is achieved.
本実施例の化合物半導体装置100は、以下に概括的に説明する方法により製造される。
The
まず、半絶縁性GaAs基板101上にサブコレクタ層102、コレクタ層103、ベース層104、エミッタ層105、コンタクト構造106(第1コンタクト層106a、グレーディッド層106b、及び第2コンタクト層106c)を順にMBE法やMOCVD法などでエピタキシャル成長させる。
First, the
その後、フォトリソグラフィ及びエッチング法を適切に組み合わせることにより、半絶縁性GaAs基板101上の半導体多層120を所望の形状にエッチングし、コレクタ電極111、ベース電極110、及びエミッタ電極109を形成する。エッチングの工程とこれらの電極形成工程とは、以下に示すように適宜組み合わせてもよい。
Thereafter, the
本実施例では、エミッタ電極材料とベース電極材料にはTi/Pt/Au、コレクタ電極材料には、AuGe/Ni/Auを用いた。ここで、AuGe/Ni/Auのアロイ化処理温度は約390℃である。Ti/Pt/Auはアロイ化処理は不要であるため、先にコレクタ電極をアロイ化処理をして形成し、後にベース電極とエミッタ電極を形成するようにした。この形成順序は非常に重要であり、従来は工程を簡略化するため、先にエミッタ及びベース電極を成膜し、その後でコレクタ電極をアロイ化処理していたが、今回のように、順序を逆にすることで約10%放熱特性の改善が見られた。これは、アロイ化処理の影響がエミッタ電極に悪さをするのを押さえることができるためと考えられる。 In this example, Ti / Pt / Au was used for the emitter electrode material and the base electrode material, and AuGe / Ni / Au was used for the collector electrode material. Here, the alloying temperature of AuGe / Ni / Au is about 390 ° C. Since Ti / Pt / Au does not require an alloying process, the collector electrode is formed by the alloying process first, and the base electrode and the emitter electrode are formed later. This order of formation is very important. Conventionally, in order to simplify the process, the emitter and base electrodes were first formed, and then the collector electrode was alloyed. By reversing, about 10% improvement in heat dissipation characteristics was observed. This is considered to be because the influence of the alloying process can suppress the badness of the emitter electrode.
上記実施例では、ベース電極としてTi/Pt/Auを用いたが、Pt/Ti/Pt/Auを用いてもよく、そのときPt/Ti/Pt/Auは400℃以上でアロイ化処理を行う。その場合は、ベース電極110を形成してアロイ化した後、コレクタ電極111を形成してアロイ化処理を施すことが望ましい。より高い温度で処理を必要とするPt/Ti/Pt/Auのアロイ化処理を先に行った後、AuGe/Ni/Auの堆積、アロイ化処理を行いコレクタ電極111を形成することによって、第2のアロイ化処理によって先に形成された電極の材料が影響されることを抑制できる。従って、この場合はベース電極、コレクタ電極をアロイ化処理した後、エミッタ電極としてTi/Pt/Auを成膜すれば良い。 In the above embodiment, Ti / Pt / Au is used as the base electrode, but Pt / Ti / Pt / Au may be used. At that time, Pt / Ti / Pt / Au is alloyed at 400 ° C. or higher. . In that case, after forming the base electrode 110 and alloying it, it is desirable to form the collector electrode 111 and perform alloying treatment. After the Pt / Ti / Pt / Au alloying process requiring treatment at a higher temperature is performed first, AuGe / Ni / Au is deposited and alloyed to form the collector electrode 111, thereby forming the first electrode. It can suppress that the material of the electrode formed previously by the alloying process of 2 is influenced. Therefore, in this case, Ti / Pt / Au may be deposited as the emitter electrode after alloying the base electrode and the collector electrode.
また、エミッタ電極として窒化タングステンやタングステンシリサイド等の高融点材料を形成してからTi/Pt/Auを形成する場合は、エミッタ電極がアロイ化処理の影響を受けにくいため、エミッタ電極の形成はアロイ化処理の前でも良い。 In addition, when Ti / Pt / Au is formed after forming a high melting point material such as tungsten nitride or tungsten silicide as the emitter electrode, the emitter electrode is not easily affected by the alloying process. It may be before the conversion process.
なお、本実施例において、コンタクト構造106を半導体多層120の直上に形成する必要は必ずしもなく、コンタクト構造106と半導体多層120との間にいわゆるバラスト抵抗層を形成してもよい。バラスト抵抗層は、例えば、低濃度でドープされたAlGaAsを用いて形成することができる。
In this embodiment, it is not always necessary to form the
次に、エミッタ電極109の直上にバンプ113を形成するために、半導体多層120、コンタクト構造106及び各電極109、110及び111が形成された半導体基板101の全面にSiNx膜を100nm、プラズマCVD法により成膜した後、エミッタ電極部分のみ、SiNx膜を開口するためのパターニング、及びエッチングを行う。その後露出された前記電極を覆って基板全体にメッキ用導電金属層(Ti/Au)を形成し、バンプをパターニングしたフォトレジスト層を形成し、該フォトレジストパターンに沿って金メッキによりバンプを形成した後、前記フォトレジスト層を除去することにより、化合物半導体装置100が製造される。
Next, in order to form the bump 113 immediately above the
上記実施例では、コンタクト構造を形成して後、コレクタ電極、ベース電極、エミック電極を、その構成により適切な順序で形成したが、エミッタ層までを形成し、そこでコレクタ電極を形成(アロイ化処理を含む)して後、コンタクト構造を形成することにしてもよい。
本実施例のHBTは、コンタクト構造106の熱伝導率が高く、In0.5Ga0.5Asを用いた従来のコンタクト構造に比べて熱抵抗が30%以下で放熱特性に優れているため、素子内部(半導体多層120)で発生した熱をエミッタ電極109側に効率良く放出して化合物半導体装置の動作特性や信頼性の低下を防ぐことができる。
(実施例2)
図2は、本実施例の化合物半導体装置200を示す。化合物半導体装置200は、エミッタ層205、及びコンタクト構造206の構成が、実施例1の化合物半導体装置100と異なっている。化合物半導体装層200のエミッタ層205を実施例1の構成に用いることもできるし、実施例1の化合物半導体装置100のエミッタ層105を本実施例の構成に適用することも可能である。
In the above embodiment, after the contact structure is formed, the collector electrode, the base electrode, and the emic electrode are formed in an appropriate order depending on the configuration, but the emitter layer is formed, and the collector electrode is formed there (alloying process). After that, a contact structure may be formed.
The HBT of this example has a high thermal conductivity of the
(Example 2)
FIG. 2 shows a
以下に、本実施例の特徴であるコンタクト構造を中心に詳細を述べる。 Details will be described below with a focus on the contact structure which is a feature of the present embodiment.
化合物半導体装置200は、GaAsからなる半絶縁牲基板201上に半導体多層220とその上に形成されたコンタクト構造206とを有し、コンタクト構造206の上面に形成された電極209上にメッキ用導電金属(Ti/Au)層212を介してバンプ213が接合されている。半導体多層220は、半絶縁性基板201上に、n+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)からなるサブコレクタ層202(厚さ:500nm)、n−GaAs(不純物濃度:2.0E+16/cm3)からなるコレクタ層203(厚さ:700nm)、p+GaAs(不純物濃度:2.0E+19/cm3)からなるべース層204(厚さ:80nm)、n−InGaP(不純物濃度:5.0E+17/cm3)からなるエミッタ層205(膜厚:120nm)とをこの順に積層した構造で、InGaP/GaAsヘテロ結合バイポーラトランジスタを構成している。
The
化合物半導体装置200においては、エミッタ層205にn−InGaP(不
純物濃度:5.0E+17/cm3)を用い、コンタクト構造206は図5(a)に示す構造を有している。
In the
図5(a)はコンタクト構造206の構造とそのエネルギーバンドを示す図である。横軸はコンタクト構造の厚さ方向の位置を示し、縦軸は各半導体層の伝導帯のエネルギーレベルを示す。
FIG. 5A shows the structure of the
コンタクト構造206は、GaAsからなる第1コンタクト層206a(厚さ:50nm)、グレーディッド層206b(厚さ:50nm)及びIn0.9Ga0.1Asからなる第2コンタクト層206c(厚さ:50nm)を有する。グレーディッド層206bは、第1コンタクト層206a側に厚さ15nmのIn0.1Ga0.9As層を、第2コンタクト層206c側に厚さ15nmのIn0.9Ga0.1Asを有し、両層の間に組成が連続的に変化するInXGa1-XAs(0.1<x<0.9)層(厚さ:20nm)を有している。この構成にすることによって、熱伝導率の低いInXGa1-XAs(0.1<x<0.9)層の厚さを薄くすることが可能となる。その結果、グレーディッド層206bは第1コンタクト層206aと第2コンタクト層206cとの格子整合と伝導帯整合を行うとともに、全体として高い熱伝導率を有するコンタクト構造206を実現する。
The
また、図5(b)に示すように、第2コンタクト層206c’としてInAsからなる層を用いた構成においても、グレーディッド層206bは第2コンタクト層206c’側にIn0.9Ga0.1Asからなる層を有しているので、第2コンタクト層206c'との格子整合と伝導帯整合とをとることができる。
Further, as shown in FIG. 5B, the graded layer 206b is also made of In 0.9 Ga 0.1 As on the
本実施例のグレーディッド層206bは、第1コンタクト層側に少なくともInXGa1-XAs(0<x≦0.1)層を、第2コンタクト層側に少なくともInXGa1-XAs(0.9≦x<1)層を有し、それらの間に形成される熱伝導率の低いInXGa1-XAs(0.1<x<0.9)層の厚さは、図9に示した従来のグレーディッド層306bの厚さよりも薄い構造を有する。InXGa1-XAs(0.1<x<0.9)層の厚さは、グレーディッド層206bの全体の厚さの約50%以下が望ましく、格子整合をも併せて考えると、約30%以上で、約40%程度が最も好ましいと分かった。
The graded layer 206b of this embodiment includes at least an In x Ga 1-x As (0 <x ≦ 0.1) layer on the first contact layer side and at least an In x Ga 1-x As on the second contact layer side. The thickness of the In x Ga 1-x As (0.1 <x <0.9) layer having (0.9 ≦ x <1) layers and having low thermal conductivity formed between them is It has a structure thinner than the thickness of the conventional graded
化合物半導体装置200は、実施例1の化合物半導体装置100と同様な方法で製造することができる。またベース電極210、コレクタ電極211の少なくとも一つをアロイ系材料を用いて形成する場合、これらの電極を形成した後で、エミッタ電極を形成したら良いことは、実施例1と同様である。グレーディッド層206bは、Ga及びInの組成比を連続的または段階的に変化させながら、堆積することによって形成することができる。
本実施例のHBTは、コンタクト構造206の熱伝導率が高く、In0.5Ga0.5Asを用いた従来のコンタクト構造に比べて熱抵抗が30%以下で放熱特性に優れているため、素子内部(半導体多層220)で発生した熱をエミッタ電極209側に効率良く放出して化合物半導体装置の動作特性や信頼性の低下を防ぐことができる。
The
The HBT of this example has a high thermal conductivity of the
図5(a)においてはInXGa1-XAs(0.1<x<0.9)層の伝導帯にエネルギーレベルEcが直線的に変化した例を示したが、Ecが段階的または曲線的に変化してもよい。グレーディッド層206bの構成は、第1コンタクト層206aと第2コンタクト層206cとの格子整合及び伝導帯整合が得られるように、組成が徐々に変化する構成であればよい。
FIG. 5A shows an example in which the energy level Ec changes linearly in the conduction band of the In X Ga 1-X As (0.1 <x <0.9) layer. It may change in a curve. The graded layer 206b may be configured so that the composition gradually changes so that lattice matching and conduction band matching between the first contact layer 206a and the
また、第1コンタクト層206aおよび第2コンタクト層206cの材料としては、勿論InXGa1-XAs(0.9≦x≦1)を用いることもできる。
The material of the first contact layer 206a and the
さらに、本実施例のコンタクト構造206におけるグレーディッド層206に代えて、実施例1と同様な超格子構造を用いることもできる。例えばIn0.1Ga0.9Asの分子層とIn0.9Ga0.1Asの分子層を交互に形成した超格子構造 をグレーディッド層として用いることができる。第2コンタクト層206cの材料として、InXGa1-XAs(0.9≦x≦1)、第1コンタクト層206aの材料としてInXGa1-XAs(0≦x≦0.1)を用いた場合には、両層と同じ材料からなる層を交互に積層した超格子構造を用いることもできる。
Further, instead of the graded
グレーディッド層206bを構成する材料の組成は、第1及び第2のコンタクト層の接合境界において、それぞれのコンタクト層と一致する必要はなく、格子整合及び伝導帯整合が得られれば良い。 The composition of the material composing the graded layer 206b does not need to coincide with the contact layers at the junction boundary between the first and second contact layers, as long as lattice matching and conduction band matching can be obtained.
また、実施例1の超格子構造と、実施例2のグレーディッド層とを組み合わせても良いことは勿論である。 Needless to say, the superlattice structure of Example 1 and the graded layer of Example 2 may be combined.
さらに、本実施例1と2において、本発明の主旨の範囲で互換できることは勿論である。 Furthermore, it is needless to say that the first and second embodiments can be interchanged within the scope of the gist of the present invention.
また上記実施例においては、AlGaAs/GaAsのHBT及びInGaP/GaAsのHBTについて説明したが、本発明はこれらの素子には限定されない。例えばエミッタ層としてGaAsを用いても良い。 In the above embodiments, the AlGaAs / GaAs HBT and the InGaP / GaAs HBT have been described. However, the present invention is not limited to these elements. For example, GaAs may be used as the emitter layer.
また、半絶緑性のGaAs基板に代えて半絶縁性のInPを用いて、InP系のHBTを形成した場合にも適用できる。
(実施例3)
図6は、本実施例の化合物半導体装置400の構成を示す図である。化合物半導体装置400は、InPからなる半絶緑性基板401上に半導体多層420と、その上に形成されたエミッタコンタクト層406を有し、エミッタコンタクト層406の上面に形成されたWN/Ti/Pt/Auからなるエミッタ電極409上に、メッキ用導電金属(Ti/Au)層412を介してバンプ413が接合されている。
The present invention can also be applied to the case where an InP-based HBT is formed using semi-insulating InP instead of a semi-green GaAs substrate .
(Example 3)
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the
半導体多層420は、半絶縁性基板401上に、n+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるサブコレクタ層402(厚さ:500nm)、n−In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+16/cm3)からなるコレクタ層403(厚さ:500nm)、p+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるべース層404(厚さ:60nm)、n−InP(不純物濃度:1.0E+17/cm3)からなるエミッタ層405(厚さ:100nm)とをこの順に積層した構造で、HBTを構成している。
The
サブコレクタ層402の一部およびベース層404の一部はメサエッチングにより露出しており、サブコレクタ層402の露出部上にコレクタ電極411が、また、ベース層404の露出部上にはベース電極410が、各々オーミック電極として形成されている。エミッタ層405上にはエミッタコンタクト層406を介してエミッタ電極409がオーミック電極として形成されている。 A part of the sub-collector layer 402 and a part of the base layer 404 are exposed by mesa etching, and a collector electrode 411 is formed on the exposed part of the sub-collector layer 402, and a base electrode is formed on the exposed part of the base layer 404. 410 are formed as ohmic electrodes. On the emitter layer 405, an emitter electrode 409 is formed as an ohmic electrode via an emitter contact layer 406.
エミッタコンタクト層406は、エミッタ層405とエミッタ電極409間のコンタクトをアロイ化処理することなく取るために設けられており、n+InAs(不純物濃度:2.0E+19/cm3)とn+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)とを20分子層ずつ20回繰り返して積層した超格子構造からなる。この超格子構造により、エミッタ層405とエミッタ電極409との間の格子整合及び伝導帯整合を取るとともに、高い熱伝導率を有するエミッタコンタクト層406が得られる。なお、超格子構造における各分子層の厚さは上記の例に限られず、分子層数の繰り返しも上記のように規則的でなくて不規則な変化があってもよいが、格子整合及び伝導帯整合が得られる構成であるのが望ましい。エミッタコンタクト層406がその下の半導体多層420と格子整合している場合には、例えばInAsの10分子層とGaAsの20分子層を繰り返してエミッタコンタクト層を形成した場合のように半導体多層と格子整合していない場合に比べて、さらに良好な熱伝導性が得られ、熱抵抗を約30%程度低減することができる。
本実施例のHBTは、エミッタコンタクト層406の熱伝導率が高く、InP基板401に格子整合しているため、In0.5Ga0.5Asからなる従来のエミッタコンタクト層を介して放熱を行うHBTに比べて熱抵抗が約50%にまで低減される。このため、素子内部(半導体多層420)で発生した熱をエミッタ電極409側に効率良く放出して化合物半導体装置の動作特性や信頼性の低下を防ぐことができる。
(実施例4)
図7は、本実施例の化合物半導体装置500の構成を示す図である。化合物半導体装置500は、サブコレクタ層502、エミッタ層505およびエミッタコンタクト層506の構成が、実施例3の化合物半導体装置400と異なっている。化合物半導体装層500のエミッタ層505を実施例3の構成に用いることもできるし、実施例3の化合物半導体装置400のエミッタ層405を本実施例の構成に適用することも可能である。
Emitter contact layer 406, the contact between the emitter layer 405 and the emitter electrode 409 is provided to take without processing alloyed, n + InAs (impurity concentration: 2.0E + 19 / cm 3) and n + GaAs ( (Impurity concentration: 5.0E + 18 / cm 3 ) and a superlattice structure in which 20 molecular layers are stacked 20 times repeatedly. With this superlattice structure, an emitter contact layer 406 having high thermal conductivity as well as lattice matching and conduction band matching between the emitter layer 405 and the emitter electrode 409 can be obtained. Note that the thickness of each molecular layer in the superlattice structure is not limited to the above example, and the repetition of the number of molecular layers may be irregular as well as irregular as described above. It is desirable that the band alignment be obtained. When the emitter contact layer 406 is lattice-matched with the
The HBT of this embodiment has a high thermal conductivity of the emitter contact layer 406 and is lattice-matched to the
Example 4
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the
以下に、本実施例の特徴であるサブコレクタ層を中心に詳細を述べる。 Details will be described below with a focus on the subcollector layer, which is a feature of this embodiment.
化合物半導体装置500は、InPからなる半絶緑性基板501上に半導体多層520と、その上に形成されたエミッタコンタクト層506を有し、エミッタコンタクト層506の上面にエミッタ電極509が形成されている。
The
HBTを構成するサブコレクタ層502は、n+InAs(不純物濃度:1.0E+19/cm3)を47分子層とn+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)を53分子層積層したものを20回繰り返した超格子構造からなる。この超格子構造により、InP基板501と格子整合を取るとともに、高い熱伝導率を有するサブコレクタ層502が得られる。なお、超格子構造における各分子層の厚さは上記の例に限られず、分子層数の繰り返しも上記のように規則的でなくて不規則な変化があってもよいが、格子整合が得られる構成であるのが望ましい。
Sub-collector layer 502 constituting the HBT is, n + InAs (impurity concentration: 1.0E + 19 /
また、エミッタ層505は、n−In0.52Ga0.48As(不純物濃度:1.0E+17/cm3、厚さ:100nm)からなり、エミッタコンタクト層506は、n+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:2.0E+19/cm3、厚さ:100nm)からなる。
本実施例のHBTは、サブコレクタ層502の熱伝導率が高く、InP基板501に格子整合しているため、In0.5Ga0.5Asからなる従来のサブコレクタ層を介して放熱を行うHBTに比べて熱抵抗が約50%にまで低減される。このため、素子内部(半導体多層520)で発生した熱をInP基板501側に効率良く放出して化合物半導体装置の動作特性や信頼性の低下を防ぐことができる。
(実施例5)
図8は、本実施例の化合物半導体装置600の構成を示す図である。化合物半導体装置600は、サブコレクタ層602およびエミッタコンタクト層606の各々が、InAs層とGaAs層とが交互に積層された超格子構造からなる。
The
The HBT of this embodiment has a high thermal conductivity of the subcollector layer 502 and is lattice-matched to the
(Example 5)
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the
以下に、本実施例の特徴であるサブコレクタ層およびエミッタコンタクト層を中心に詳細を述べる。 Details will be described below with a focus on the subcollector layer and the emitter contact layer, which are the features of this embodiment.
化合物半導体装置600は、InPからなる半絶緑性基板601上に半導体多層620と、その上に形成されたエミッタコンタクト層606を有し、エミッタコンタクト層606の上面に形成されたTi/Pt/Auからなるエミッタ電極609上に、メッキ用導電金属(Ti/Au)層612を介してバンプ613が接合されている。
The
半導体多層620は、半絶縁性基板601上に、n+InAs(不純物濃度:1.0E+19/cm3)を47分子層とn+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)を53分子層積層したものを30回繰り返した超格子構造からなるサブコレクタ層602、n−In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+16/cm3)からなるコレクタ層603(厚さ:500nm)、p+In0.53Ga0.47As(不純物濃度:1.0E+19/cm3)からなるべ一ス層604(厚さ:60nm)、n−InP(不純物濃度:1.0E+17/cm3)からなるエミッタ層605(厚さ:100nm)とをこの順に積層した構造で、HBTを構成している。上記サブコレクタ層602は、このような超格子構造によりInP基板601と格子整合を取ると共に、高い熱伝導率とすることができる。
エミッタコンタクト層606は、n+InAs(不純物濃度:1.0E+19/cm3)の分子層とn+GaAs(不純物濃度:5.0E+18/cm3)の分子層とが交互に積層された超格子構造からなり、エミッタ層605に接する側からエミッタコンタクト層606に向かうに連れて、InAs分子層の厚さが増加すると共に、GaAs分子層の厚さが減少するようにしてある。ここでは、InAs20分子層/GaAs20分子層/InAs21分子層/GaAs19分子層/・・・/GaAs2分子層/InAs39分子層/GaAs1分子層/InAs40分子層の構成とした。この超格子構造により、エミッタ層305と格子整合を取ると共に、高い熱伝導率を有するエミッタコンタクト層606が得られる。
本実施例のHBTは、InAs層とGaAs層とを交互に積層した超格子構造をエミッタコンタクト層606およびサブコレクタ層602の両方に用いているため、素子内部で発生した熱をエミッタ電極509側に効率良く放出すると共にInP基板501側にも効率よく放出でき、In0.5Ga0.5Asからなる従来のエミッタコンタクト層およびサブコレクタ層を介して放熱を行うHBTに比べて熱抵抗が約30%にまで低減される。このため、素子内部(半導体多層620)で発生した熱を効率良く放出して化合物半導体装置の動作特性や信頼性の低下を防ぐことができる。また、エミッタ電極609側に近づくにつれてエミッタコンタクト層606の超格子構造を構成するInAsの分子層数を増やすことで、エミッタ電極609のコンタクト抵抗を従来の70%まで下げることができた。
この化合物半導体装置600をフリップチップ実装した後で、半絶縁性InP基板601の裏面に放熱用の金属板をAu−Snの共晶または銀ペーストを用いて接着すれば、さらに効率良く半導体多層620で発生した熱をエミッタコンタクト層606およびサブコレクタ層602の両方から放散させることができる。
The emitter contact layer 606 is a superlattice in which molecular layers of n + InAs (impurity concentration: 1.0E + 19 / cm 3 ) and molecular layers of n + GaAs (impurity concentration: 5.0E + 18 / cm 3 ) are alternately stacked. The structure is such that the thickness of the InAs molecular layer increases and the thickness of the GaAs molecular layer decreases from the side in contact with the emitter layer 605 toward the emitter contact layer 606. Here, the structure is InAs 20 molecular layer / GaAs 20 molecular layer / InAs 21 molecular layer /
Since the HBT of this embodiment uses a superlattice structure in which InAs layers and GaAs layers are alternately stacked for both the emitter contact layer 606 and the subcollector layer 602, the heat generated inside the element is on the emitter electrode 509 side. And about 30% of the thermal resistance compared to the conventional HBT that radiates heat through the emitter contact layer and subcollector layer made of In 0.5 Ga 0.5 As. Reduced to. For this reason, it is possible to efficiently release the heat generated inside the element (semiconductor multilayer 620) and prevent deterioration of the operating characteristics and reliability of the compound semiconductor device. Further, the contact resistance of the emitter electrode 609 could be reduced to 70% of the conventional one by increasing the number of InAs molecular layers constituting the superlattice structure of the emitter contact layer 606 as approaching the emitter electrode 609 side.
After the
なお、本発明は、HBTに限らず、化合物半導体層と電極と、または半導体多層と電極とをコンタクト構造を介して電気的に接続するとともに、素子で発生した熱をコンタクト構造を介して放熱する必要のある素子に広く適用できる。 The present invention is not limited to the HBT, and the compound semiconductor layer and the electrode or the semiconductor multilayer and the electrode are electrically connected through the contact structure, and heat generated in the element is radiated through the contact structure. It can be widely applied to devices that need it.
また、本発明は、バンプ付き化合物半導体装置に限られず、サーマルシャントと呼ばれる金属部を素子上に形成した構成に適用することができる。サーマルシャントを用いた放熱技術は、例えば、BurhanBayraktaaroglu et ar,"Very-High-Power-Density CW Operation ofGaAs/AlGaAsMicrowave Heterojunction Bipolar Transistors" IEEEEDL.Vol.14,No.10,October 1993, pp.493-495.に開示されている。サーマルシャントにおいて用いられる放熱用の金属部と化合物半導体とを本願発明における電極構造(コンタクト構造)を介して熱的に接続することによって、化合物半導体の放熱性を改善することができる。この場合、上記放熱用の金属部は電極として機能する必要はなく、本発明における電極構造(コンタクト構造)も電極として機能する必要はない。 The present invention is not limited to a compound semiconductor device with bumps, and can be applied to a configuration in which a metal portion called a thermal shunt is formed on an element. For example, Burhan Bayraktaaroglu et ar, "Very-High-Power-Density CW Operation of GaAs / AlGaAs Microwave Heterojunction Bipolar Transistors" IEEEEDL.Vol.14, No.10, October 1993, pp.493-495. Is disclosed. The heat dissipation of the compound semiconductor can be improved by thermally connecting the metal part for heat dissipation used in the thermal shunt and the compound semiconductor through the electrode structure (contact structure) in the present invention. In this case, the metal part for heat dissipation does not need to function as an electrode, and the electrode structure (contact structure) in the present invention does not need to function as an electrode.
100、200、300、400、500、600 化合物半導体装置
700 化合物半導体装置
101、201、301、401、501、601、701 半絶縁性基板
102、202、302、402、502、602、702 サブコレクタ層
103、203、303、403、503、603、703 コレクタ層
104、204、304、404、504、604、704 ベース層
105、205、305、405、505、605、705 エミッタ層
106、206、306 コンタクト構造
406、506、606、706 エミッタコンタクト層
106a、206a、306a 第1コンタクト層
106b、206b、306b グレーディッド層
106c、206c、206c’、306c 第2コンタクト層
109、209、309、409、509、609、709 エミッタ電極
110、210、310、410、510、610、710 ベース電極
111、211、311、411、511、611、711 コレクタ電極
112、212、312、412、612 メッキ用導電金属層
113、213、313、413、613、 バンプ
120、220、320、420、520、620、720 半導体多層
100, 200, 300, 400, 500, 600
Claims (12)
該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、
該コンタクト構造上に形成された電極と、
該電極上に形成されたバンプとを有し、
該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極、及び該バンプを介して外部へ拡散させることを特徴とする化合物半導体装置。 A semiconductor multilayer formed on a substrate;
An In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked. A contact structure having a superlattice structure, the layer closest to the electrode being an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer;
An electrode formed on the contact structure;
A bump formed on the electrode;
A compound semiconductor device, wherein heat generated in the semiconductor multilayer is diffused to the outside through the contact structure, the electrode, and the bump.
該コンタクト構造は、該半導体多層側から少なくともInxGa1−xAs(0<x≦0.1)からなる層と、その上に設けられ、該半導体多層から該電極に向かうにつれて組成比xが0.1から0.9に変化しているInxGa1−xAs(0.1≦x≦0.9)からなる層と、該電極に最も近い該InxGa1−xAs(0.1≦x≦0.9)層に接するInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)からなる層とで構成されるグレーディッド層を有し、
該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極、及び該バンプを介して外部へ拡散させることを特徴とする化合物半導体装置。 In a compound semiconductor device having a semiconductor multilayer formed on a substrate, a contact structure formed on the semiconductor multilayer, an electrode formed on the contact structure, and a bump formed on the electrode,
The contact structure includes a layer made of at least In x Ga 1-x As (0 <x ≦ 0.1) from the semiconductor multilayer side, and a composition ratio x as it goes from the semiconductor multilayer toward the electrode. A layer made of In x Ga 1-x As (0.1 ≦ x ≦ 0.9) in which is changed from 0.1 to 0.9, and the In x Ga 1-x As ( 0.1 ≦ x ≦ 0.9) having a graded layer composed of a layer made of In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) in contact with the layer,
A compound semiconductor device, wherein heat generated in the semiconductor multilayer is diffused to the outside through the contact structure, the electrode, and the bump.
該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、
該コンタクト構造上に形成された電極と、
該電極上に形成されたバンプとを有し、
該半導体多層で発生した熱を該コンタクト構造、該電極及び該バンプを介して外部へ放散させることを特徴とする化合物半導体装置。 A semiconductor multilayer formed on an InP substrate;
An In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked. A contact structure having a superlattice structure, the layer closest to the electrode being an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer;
An electrode formed on the contact structure;
A bump formed on the electrode;
A compound semiconductor device characterized in that heat generated in the semiconductor multilayer is dissipated to the outside through the contact structure, the electrode and the bump.
該InP基板上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造からなる層と、
該超格子構造からなる層の上に形成された半導体多層とを有し、
該半導体多層で発生した熱を該超格子構造からなる層及び該InP基板を介して外部へ放散させることを特徴とする化合物半導体装置。 An InP substrate;
An In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked on the InP substrate. A layer of superlattice structure;
A semiconductor multilayer formed on the layer having the superlattice structure,
A compound semiconductor device characterized in that heat generated in the semiconductor multilayer is dissipated to the outside through the layer having the superlattice structure and the InP substrate.
該InP基板上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造からなる層と、
該超格子構造からなる層の上に形成された半導体多層と、
該半導体多層上に形成され、InxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層とInxGa1−xAs(0≦x≦0.1)層とが交互に積層された超格子構造を有し、電極に最も近い側の層がInxGa1−xAs(0.9≦x≦1)層からなるコンタクト構造と、
該コンタクト構造上に形成された電極と、
該電極上に形成されたバンプとを有し、
該半導体多層で発生した熱を該超格子構造からなる層及び該InP基板を介して外部へ放散させるとともに、
該コンタクト構造、該電極及び該バンプを介して外部へ放散させることを特徴とする化合物半導体装置。 On an InP substrate;
An In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked on the InP substrate. A layer of superlattice structure;
A semiconductor multilayer formed on the layer of the superlattice structure;
An In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer and an In x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.1) layer are alternately stacked. A contact structure having a superlattice structure, the layer closest to the electrode being an In x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) layer;
An electrode formed on the contact structure;
A bump formed on the electrode;
The heat generated in the semiconductor multilayer is dissipated to the outside through the layer having the superlattice structure and the InP substrate,
A compound semiconductor device, wherein the compound semiconductor device is diffused to the outside through the contact structure, the electrode, and the bump.
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