JP2009111016A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力密度が高く、発熱密度が高い半導体装置の熱分散を容易にする電極配置を提供する。
【解決手段】基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねたゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、基板10上に活性領域に隣接して配置された非活性領域(BA)と、ソース端子電極に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC5とを備え、活性領域がストライプ状に複数に分割され、かつゲート電極24がフィッシュボーン配置されている半導体装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にGaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の熱分散を容易にする電極配置に特徴を有する半導体装置に関する。
高周波帯で使用する半導体装置、例えばマイクロ波電力増幅装置は、電界効果型トランジスタなどの能動素子および抵抗やコンデンサなどの受動素子、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路などの回路素子から構成される。
これらの回路素子は、例えば半絶縁性基板上に形成されている。半絶縁性基板の裏面には接地用電極が形成されている。そして、回路素子を接地する場合、例えば半絶縁性基板を貫通するヴィアホール(VIA:貫通孔)を介して、半絶縁性基板上に設けた回路素子と半絶縁性基板の裏面に形成した接地用電極とが電気的に接続される(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
従来例に係る半導体装置は、例えば、図18に示すように、基板10上において、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22が複数のフィンガーを有し、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーを束ねられて、端子用電極を形成する。ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22が複数のフィンガー形状を有する部分は、図18に示すように、活性領域AAを形成し、発熱部を形成する。
図18の例では、一方の端にゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5が配置され、他方の端にドレイン端子電極Dが配置される。
基板10の表面近傍において、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AAが形成される。
図18の例では、活性領域AA近傍のソース端子電極S1,S2,…,S5において、基板10の裏面からヴィアホール(VIA:貫通孔)SC1,SC2,…,SC5が形成されて、基板10の裏面には接地導体が形成されている。そして、回路素子を接地する場合、基板10を貫通するヴィアホールSC1,SC2,…,SC5を介して、基板10上に設けた回路素子と基板10の裏面に形成した接地導体とが電気的に接続される。
尚、ゲート端子電極G1,G2,…,G4は、ボンディングワイヤなどで周辺の半導体チップに接続され、また、ドレイン端子電極Dも、ボンディングワイヤなどで周辺の半導体チップに接続される。
上記のように、従来の半導体装置では、1つの連続した活性領域上にゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の複数のフィンガーが配置されているため、活性領域AAで発生する熱源を分散させることが困難である。特にGaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の動作性能を著しく損なっていた。
例えば、ソース電極20とゲート電極24間、ドレイン電極22とゲート電極24間、などの電極間隔を広げることによって、ある程度は活性領域AAで発生する熱源を分散することが可能である。しかしながら、その効果は電極間隔の寸法の逆数で小さくなる。
すなわち、電極間隔を広げる構成を用いることで同一の電流容量を設定するためには、配線が長くなるために寄生容量が増加する。また、電極間隔を広げる構成を用いることでゲートの配線が約2倍程度に長くなるため、ゲート電極配線自体の導体損が大きくなる。また、電極間隔を広げる構成を用いることでゲート電極24およびドレイン電極22の配線が約2倍程度に長くなるため、ゲート電極配線およびドレイン電極配線自体の導体損が大きくなる。
特開平2−288409号公報 特開2001−28425号公報
本発明の目的は、熱放散の効率を向上する半導体装置を提供することにある。
具体的に、本発明の目的は、電力密度が高く、発熱密度が高い半導体装置の熱分散を容易にする電極配置を提供することにある。
特に、本発明の目的は、GaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の熱分散を容易にする電極配置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、前記基板の第1表面に配置され,前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極、ソース端子電極およびドレイン端子電極と、前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の下部の前記基板上に配置された活性領域と、前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の下部の前記基板上に前記活性領域に隣接して配置された非活性領域と、前記ソース端子電極に接続されたヴィアホールとを備え、前記活性領域がストライプ状に複数に分割されて配置され、かつ前記ゲート電極がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域に配置されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
さらに前記ドレイン電極がフィッシュボーン配置であることを特徴とする。
活性領域をストライプ状に分割することによって、電極間隔と同様にそれに直交する方向にも熱源が分散して配置される。
また、前記ソース電極もしくは前記ドレイン電極のストライプ状の非活性領域上の部分がエアブリッジ構造を有することを特徴とする。
非活性領域の電極をエアブリッジ構造にすることによって、基板との間にエアギャップ(空気層)ができることで寄生容量が低減される。
また、前記ゲート電極および前記ドレイン電極のストライプ状の前記活性領域上のソース電極の部分がエアブリッジの構造を有することを特徴とする。
前記ゲート電極および前記ドレイン電極のストライプ状の活性領域上の前記ソース電極の部分をエアブリッジの構造にすることによって、基板との間にエアギャップ(空気層)ができることで寄生容量が低減される。
また、前記ゲート電極が、太い供給ラインからフィッシュボーン状に前記ゲート電極を配線することを特徴とする。
また、前記ドレイン電極が、太い供給ラインからフィッシュボーン状に前記ドレイン電極を配線することを特徴とする。
太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極およびドレイン電極を配線することによって、導体損が半減される。
また、前記基板は、SiC基板、GaN基板、SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、SiC基板上にGaN/GaAlNからなるヘテロ接合エピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板、若しくはダイヤモンド基板であることを特徴とする。
また、前記基板は表層に導電性を有する半導体基板であり、前記非活性領域をイオン注入によって形成したことを特徴とする。
また、前記基板は表層に導電性を有する半導体基板であり、前記非活性領域をメサエッチングによって形成したことを特徴とする。
また、前記基板は半絶縁性半導体基板であり、前記活性領域をイオン注入もしくは拡散によって形成したことを特徴とする。
また、前記基板は半絶縁性半導体基板であり、前記活性領域をイオン注入もしくは拡散によって形成し、かつ前記非活性領域をイオン注入によって形成したことを特徴とする。
本発明によれば、熱放散の効率を向上する半導体装置を提供することができる。
また、本発明によれば、電力密度が高く、発熱密度が高い半導体装置の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
また、本発明によれば、GaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[比較例]
(比較例1)
図3は、本発明の比較例1に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。
本発明の比較例1に係る半導体装置は、図3に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA5に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略:後述の図10参照)と、ソース端子電極S1,S2,…,S5に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC5とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA5がストライプ状に複数に分割されて配置されている。
図3の構成例において、各部の寸法は、例えば、セル幅W1は約120μm、W2は約80μm、セル長W3は約200μm、W4は約120μmであり、ゲート幅WGは全体として200μm×6本×4セル=4.8mm程度である。
(比較例2)
また、図4は、本発明の比較例2に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。
本発明の比較例2に係る半導体装置は、図4に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA5に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略:後述の図10参照)と、ソース端子電極S1,S2,…,S5に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC5とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA5がストライプ状に複数に分割されて配置され、さらにソース電極20およびドレイン電極22のストライプ状の非活性領域BA上の部分がエアブリッジ30の構造を有する。
図4の構成例において、各部の寸法は、例えば、セル幅W1は約120μm、W2は約80μm、セル長W3は約400μm、W4は約120μmであり、ゲート幅WGは全体として40μm×5×6本×4セル=4.8mm程度である。
エアブリッジ30を配置することで、セル長W3は、比較例1の2倍となる。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図1に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA5に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略:後述の図10参照)と、ソース端子電極S1,S2,…,S5に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC5とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA5がストライプ状に複数に分割されて配置され、かつゲート電極24がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域BAに配置されている。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置によれば、図1に示すように、活性領域AA1,AA2,…,AA5をストライプ状に分割することによって、電極間隔と同様にそれに直交する方向にも熱源が分散して配置される。このため、熱放散の効率がよい電力用半導体装置を構成することができる。
また、図1に示すように、ソース電極20およびドレイン電極22のストライプ状の非活性領域BA上の部分がエアブリッジ30の構造を有する。
本発明の半導体装置によれば、非活性領域BAのソース電極20およびドレイン電極22をエアブリッジ30の構造にすることによって、基板10との間にエアギャップ14(空気層)が出来ることで寄生容量が低減される。
また、図1に示すように、フィッシュボーン配置となっているゲート電極24が、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24を配線する構造となっている。
図1に示すように、ゲート電極24を太い供給ラインからフィッシュボーン状にフィッシュボーン配置とすることによって、ゲート端子電極G1,G2,…,G4から各単位半導体素子部へのゲート入力信号の伝達に伴う位相差を緩和することができる。
また、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24を配線することによって、導体損が半減される。
図1の構成例において、各部の寸法は、例えば、セル幅W1は約120μm、W2は約80μm、セル長W3は約400μm、W4は約120μmであり、ゲート幅WGは全体として40μm×5×6本×4セル=3.2mm程度である。
基板は、例えば、SiC基板、GaN基板、SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、SiC基板上にGaN/GaAlNからなるヘテロ接合エピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板、若しくはダイヤモンド基板である。
(エアブリッジ構造)
図9は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAi,AAi+1,…上に直接ソース電極20を形成し、半絶縁性基板10上にはエアブリッジ30の構造によるエアギャップ14を形成した半導体装置の模式的断面構造図を示す。図9も、図10の平面パターン構成図において、I−I線に沿って切断した断面構造に対応している。図1に示されたエアブリッジ30は、例えば、図9に示すように、非活性領域BA上の部分に形成される。また、図17は、図9に対応する模式的鳥瞰図を示す。エアギャップ14によって、エアブリッジ30の構造部分のソース電極20の寄生容量Cpを低減することができ、全体として、ソース電極20と基板10間の容量が低減される。
(平面パターン構成)
図10は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AA1, AA2,…および非活性領域BA上にソース電極20、ゲート電極24、ドレイン電極22を形成した半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。図1において、非活性領域BAは、図10に示すように、ストライプ状の活性領域AA1,AA2,…の間にストライプ状に配置される。
図11は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、デバイス領域DA、ドレイン端子電極D、ソース端子電極S1,S2,…、ドレイン端子電極D1,D2,…、およびメサ領域MA(非活性領域BA)の配置を説明する模式的平面パターン図を示す。デバイス領域DA内にはストライプ状に活性領域AA1,AA2,…,AAnが配置され、さらに図10に示すように、ストライプ状の活性領域AA1,AA2,…,AAn間には、非活性領域BAが配置されている。また、図11において、非活性領域BAは、メサ領域として形成することもできる。
(活性領域および非活性領域の形成方法1)
図7は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、半絶縁性基板10にイオン注入によって、活性領域AAi,AAi+1を形成する工程を説明する模式的断面構造図を示す。図7において、基板10は半絶縁性基板であり、活性領域AAi,AAi+1を、例えば、シリコンイオン(Si+)のイオン注入によって形成する。非活性領域BAは、もともとの半絶縁性基板10を利用することができる。
図8は、図7の工程後、活性領域AAi,AAi+1上に直接ソース電極20を形成した半導体装置の模式的断面構造図を示す。図8は後述する図10において、I−I線に沿って切断した断面構造に対応している。
図8に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、ソース電極20は、活性領域AAi,AAi+1,…に直接電気的に接続され、一方、非活性領域BAとは、基板10が半絶縁性基板であることから電気的に絶縁されている。尚、図8においては、ソース電極20について示されているが、ソース電極20の代わりに、ドレイン電極22であっても同様に示すことができる。
(活性領域および非活性領域の形成方法2)
図12は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAi-1,AAi,AAi+1,…を半導体基板10で形成し、非活性領域BAをイオン注入で形成する例を説明する模式的鳥瞰図を示す。非活性領域BAの形成時に使用するイオン種としては、例えば窒素イオンなどを適用することができる。或いはまた、重イオンなどのイオン種を用いるイオン注入によって、結晶を破壊することで、非活性領域BAを形成することも可能である。或いはまた、非活性領域BAの予定部分を予めメサエッチングなどで形成し、その後絶縁物を充填することで、非活性領域BAを形成することもできる。
(活性領域および非活性領域の形成方法3)
図13は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、半導体装置の周辺部をメサ領域MAで形成し、デバイス領域DA内の非活性領域BAもメサ領域MAで形成したエアギャップ14を有する例を説明する模式的断面構造図を示す。図13の形成方法によれば、メサ領域MAで周辺の分離領域とデバイス領域DA内の非活性領域BAを同時に形成することができる。
(活性領域および非活性領域の形成方法4)
図14は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、半導体装置の周辺部をメサ領域MAで形成し、デバイス領域DA内の非活性領域BAをイオン注入で形成した例を説明する模式的断面構造図を示す。デバイス領域DA内の非活性領域BAをイオン注入で形成する場合、使用するイオン種としては、例えば窒素イオンなどを適用することができる。或いはまた、重イオンなどのイオン種を用いるイオン注入によって、結晶を破壊することで、非活性領域BAを形成することも可能である。
(活性領域および非活性領域の形成方法5)
図15は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAを半導体基板10で形成し、非活性領域BAをエアブリッジ30の構造を有するエアギャップ14で形成した例を説明する模式的断面構造図を示す。図9および図17に示される構造と活性領域AAと非活性領域BAの関係が逆になった構造に対応している。
(活性領域および非活性領域の形成方法6)
図16は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、デバイス領域DA内の活性領域AAi,AAi+1,…および非活性領域BAを共にイオン注入で形成した例を説明する模式的鳥瞰図を示す。
図16において、基板10は半絶縁性基板であり、活性領域AAi,AAi+1を、例えば、シリコンイオン(Si+)のイオン注入によって形成する。非活性領域BAの形成時に使用するイオン種としては、例えば窒素イオンなどを適用することができる。或いはまた、重イオンなどのイオン種を用いるイオン注入によって、結晶を破壊することで、非活性領域BAを形成することも可能である。
図16に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置において、ソース電極20、ドレイン電極22およびゲート電極24は、活性領域AAi,AAi+1,…に直接電気的に接続され、一方、非活性領域BAとは電気的に絶縁されている。
(第1の実施の形態の変形例)
図2は、本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置は、図2に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S5およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA5に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略:図10参照)と、ソース端子電極S1,S2,…,S5に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC5とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA5がストライプ状に複数に分割されて配置され、かつゲート電極24がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域BAに配置されている。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、図2に示すように、活性領域AA1,AA2,…,AA5をストライプ状に分割することによって、電極間隔と同様にそれに直交する方向にも熱源が分散して配置される。このため、熱放散の効率がよい電力用半導体装置を構成することができる。
また、図2に示すように、ソース電極20およびドレイン電極22のストライプ状の非活性領域BA上の部分がエアブリッジ30の構造を有する。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、非活性領域BAのソース電極20およびドレイン電極22をエアブリッジ30の構造にすることによって、基板10との間にエアギャップ14(空気層)が出来ることで寄生容量が低減される。
また図2に示すように、フィッシュボーン配置となっているゲート電極24が、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24を配線する構造となっている。
図2に示すように、ゲート電極24を、太い供給ラインからフィッシュボーン状に配置とすることによって、ゲート端子電極G1,G2,…,G4から各単位半導体素子部へのゲート入力信号の伝達に伴う位相差を緩和することができる。
また、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24を配線することによって、導体損が半減される。
図2の構成例において、各部の寸法は、例えば、セル幅W1は約170μm、W2は約80μm、セル長W3は約400μm、W4は約120μmであり、ゲート幅WGは全体として40μm×5×6本×4セル=4.8mm程度である。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、第1の実施の形態に係る半導体装置において縮小されたゲート幅WGを拡張するためのゲート電極24のフィッシュボーン配置を実現することができる。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置においても第1の実施の形態と同様の平面パターン構成、エアブリッジ構造、活性領域および非活性領域の形成方法を適用することができる。
本発明の第1の実施の形態およびその変形例によれば、熱放散の効率を向上する半導体装置を提供することができる。
また、本発明の第1の実施の形態およびその変形例によれば、電力密度が高く、発熱密度が高い半導体装置の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
また、本発明の第1の実施の形態およびその変形例によれば、GaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
[第2の実施の形態]
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、ゲート電極24とドレイン電極22がフィッシュボーン配置の構成を有することを特徴とする。
また、図5に示すように、ゲート電極24およびドレイン電極22のストライプ状の活性領域AA1,AA2,…,AA5上のソース電極20の部分がエアブリッジ30の構造を有することを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置によれば、活性領域AA1,AA2,…,AA5上のソース電極20の部分をエアブリッジ30の構造にすることによって、基板10との間にエアギャップ14(空気層)ができることで寄生容量が低減される。
図5に示すように、ゲート電極24とドレイン電極22がフィッシュボーン配置となっており、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24およびドレイン電極22を配線する。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図5に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G4、ソース端子電極S1,S2,…,S9およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA5と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA5に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略)と、ソース端子電極S1,S2,…,S9に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC9とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA5がストライプ状に複数に分割されて配置され、かつゲート電極24がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域BAに配置され、さらにドレイン電極22がフィッシュボーン配置となっている。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置によれば、図5に示すように、活性領域AA1,AA2,…,AA5をストライプ状に分割することによって、電極間隔と同様にそれに直交する方向にも熱源が分散して配置される。このため、熱放散の効率がよい電力用半導体装置を構成することができる。
また、図5に示すように、ゲート電極24およびドレイン電極22のストライプ状の活性領域AA1,AA2,…,AA5上のソース電極20の部分がエアブリッジ30の構造を有する。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置によれば、活性領域AA1,AA2,…,AA5上のソース電極20の部分をエアブリッジ30の構造にすることによって、基板10との間にエアギャップ14(空気層)ができることで寄生容量が低減される。
また、図5に示すように、フィッシュボーン配置となっているゲート電極24とドレイン電極22が、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24およびドレイン電極22を配線する構造となっている。
図5に示すように、ゲート電極24およびドレイン電極22を、太い供給ラインからフィッシュボーン状に配置とすることによって、ゲート端子電極G1,G2,…,G4から各単位半導体素子部へのゲート入力信号の伝達、および各単位半導体素子部からドレイン端子電極Dへの出力信号の伝達に伴う位相差を緩和することができる。
また、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24およびドレイン電極22を配線することによって、導体損が半減される。
図5の構成例において、各部の寸法は、例えば、W2は約80μm、セル長W3は約420μm、W4は約100μmであり、ゲート幅WGは全体として40μm×10×2本×4セル=3.2mm程度である。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置においても第1の実施の形態と同様の平面パターン構成、エアブリッジ構造、活性領域および非活性領域の形成方法を適用することができる。
(第2の実施の形態の変形例)
図6は、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図を示す。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置は、図6に示すように、基板10と、基板10の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、基板10の第1表面に配置され,ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極G1,G2,…,G6、ソース端子電極S1,S2,…,S13およびドレイン端子電極Dと、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に配置された活性領域AA1,AA2,…,AA7と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22の下部の基板10上に活性領域AA1,AA2,…,AA7に隣接して配置された非活性領域BA(図示省略)と、ソース端子電極S1,S2,…,S13に接続されたヴィアホールSC1,SC2,…,SC13とを備え、活性領域AA1,AA2,…,AA7がストライプ状に複数に分割されて配置され、かつゲート電極24がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域BAに配置され、さらにドレイン電極22がフィッシュボーン配置となっている。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、図6に示すように、活性領域AA1,AA2,…,AA7をストライプ状に分割することによって、電極間隔と同様にそれに直交する方向にも熱源が分散して配置される。このため、熱放散の効率がよい電力用半導体装置を構成することができる。
また、図6に示すように、ゲート電極24およびドレイン電極22のストライプ状の活性領域AA1,AA2,…,AA7上のソース電極20の部分がエアブリッジ30の構造を有する。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、活性領域AA1,AA2,…,AA5上のソース電極20の部分をエアブリッジ30の構造にすることによって、基板10との間にエアギャップ14(空気層)ができることで寄生容量が低減される。
また、図6に示すように、フィッシュボーン配置となっているゲート電極24とドレイン電極22が、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24およびドレイン電極22を配線する構造となっている。
図6に示すように、ゲート電極24およびドレイン電極22を、太い供給ラインからフィッシュボーン状に配置とすることによって、ゲート端子電極G1,G2,…,G6から各単位半導体素子部へのゲート入力信号の伝達、および各単位半導体素子部からドレイン端子電極Dへの出力信号の伝達に伴う位相差を緩和することができる。
また、太い供給ラインからフィッシュボーン状にゲート電極24およびドレイン電極22を配線することによって、導体損が半減される。
図6の構成例において、各部の寸法は、例えば、W2は約80μm、セル長W3は約420μm、W4は約100μmであり、ゲート幅WGは全体として40μm×10×2本×6セル=4.8mm程度である。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、第2の実施の形態に係る半導体装置において縮小されたゲート幅WGを拡張するためのゲート電極24およびドレイン電極22のフィッシュボーン配置を実現することができる。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置においても第1の実施の形態と同様の平面パターン構成、エアブリッジ構造、活性領域および非活性領域の形成方法を適用することができる。
本発明の第2の実施の形態およびその変形例によれば、熱放散の効率を向上する半導体装置を提供することができる。
また、本発明の第2の実施の形態およびその変形例によれば、電力密度が高く、発熱密度が高い半導体装置の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
また、本発明の第2の実施の形態およびその変形例によれば、GaNなど発熱密度が高い電力増幅素子の熱分散を容易にする電極配置を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1乃至第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
なお、増幅素子はFETに限らず、HEMT(High Electron Mobility Transistor)やLDMOS(Lateral Doped Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やHBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)など他の増幅素子にも適用できることは言うまでもない。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係る半導体装置は、SiC基板やGaNウェハ基板を有する半導体装置に適用され、内部整合型電力増幅素子、電力MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)、マイクロ波電力増幅器、ミリ波電力増幅器などの幅広い適用分野を有する。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図図。 本発明の比較例1に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の比較例2に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、半絶縁性基板10にイオン注入によって、活性領域AAi,AAi+1を形成する工程を説明する模式的断面構造図。 図7の工程後、活性領域AAi,AAi+1上に直接ソース電極20を形成した半導体装置の模式的断面構造図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAi,AAi+1上に直接ソース電極20を形成し、半絶縁性基板10上にはエアブリッジ30の構造によるエアギャップ14を形成した半導体装置の模式的断面構造図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AA1, AA2,…および非活性領域BA上にソース電極20、ゲート電極24、ドレイン電極22を形成した半導体装置の模式的平面パターン構成図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、デバイス領域DA、ドレイン端子電極D、ソース端子電極S1,S2,…、ドレイン端子電極D1,D2,…、およびメサ領域MA(非活性領域BA)の配置を説明する模式的平面パターン構成図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAi-1,AAi,AAi+1を半導体基板で形成し、非活性領域BAをイオン注入で形成する例を説明する模式的鳥瞰図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、半導体装置の周辺部をメサ領域MAで形成し、デバイス領域DA内の非活性領域BAもメサ領域MAで形成したエアギャップ14を有する例を説明する模式的断面構造図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、半導体装置の周辺部をメサ領域MAで形成し、デバイス領域DA内の非活性領域BAをイオン注入で形成した例を説明する模式的断面構造図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAを半導体基板で形成し、非活性領域BAをエアブリッジ30の構造を有するエアギャップ14で形成した例を説明する模式的断面構造図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、デバイス領域DA内の活性領域AAi,AAi+1,…および非活性領域BAを共にイオン注入で形成した例を説明する模式的鳥瞰図。 本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る半導体装置において、活性領域AAi,AAi+1,…をイオン注入で形成し、非活性領域BAをエアブリッジ30の構造を有するエアギャップ14で形成した例を説明する模式的鳥瞰図。 従来例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。
符号の説明
10…基板(半導体基板、半絶縁性基板SI)
14…エアギャップ(空洞)
20…ソース電極
22…ドレイン電極
24…ゲート電極
26…ソース領域
28…ドレイン領域
30…エアブリッジ(Gap)
S1,S2,…,S13…ソース端子電極
D…ドレイン端子電極
G1,G2,…,G6…ゲート端子電極
SC1,SC2,…,SC13…ヴィアホール
AA,AA1,AA2,…,AA7,…AAi-1,AAi,AAi+1,…活性領域
BA…非活性領域
MA…メサ領域
DA…デバイス領域

Claims (11)

  1. 基板と、
    前記基板の第1表面に配置され,それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、
    前記基板の第1表面に配置され,前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極、ソース端子電極およびドレイン端子電極と、
    前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の下部の前記基板上に配置された活性領域と、
    前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極の下部の前記基板上に前記活性領域に隣接して配置された非活性領域と、
    前記ソース端子電極に接続されたヴィアホールと
    を備え、
    前記活性領域がストライプ状に複数に分割され、かつ前記ゲート電極がフィッシュボーン配置となっており、当該フィッシュボーン配置のバスラインがストライプ状の非活性領域に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. さらに前記ドレイン電極がフィッシュボーン配置であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ソース電極もしくは前記ドレイン電極のストライプ状の非活性領域上の部分がエアブリッジ構造を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記ゲート電極および前記ドレイン電極のストライプ状の前記活性領域上の前記ソース電極の部分がエアブリッジ構造を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  5. 前記ゲート電極が、太い供給ラインからフィッシュボーン状に前記ゲート電極を配線することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記ゲート電極と前記ドレイン電極が、太い供給ラインからフィッシュボーン状に前記ゲート電極および前記ドレイン電極を配線することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  7. 前記基板は、SiC基板、GaN基板、SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、SiC基板上にGaN/GaAlNからなるヘテロ接合エピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板、若しくはダイヤモンド基板であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記基板は表層に導電性を有する半導体基板であり、前記非活性領域をイオン注入によって形成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記基板は表層に導電性を有する半導体基板であり、前記非活性領域をメサエッチングによって形成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記基板は半絶縁性半導体基板であり、前記活性領域をイオン注入もしくは拡散によって形成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記基板は半絶縁性半導体基板であり、前記活性領域をイオン注入もしくは拡散によって形成し、かつ前記非活性領域をイオン注入によって形成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
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