JP2014187086A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定した整流特性を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、導電性基板と、アノード電極、カソード電極を備え、導電性基板とアノード電極が電気的に接続され、導電性基板とアノード電極が対向するよう実装されるショットキーバリアダイオードと、表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を備え、導電性基板に裏面が対向するよう実装される電界効果トランジスタと、を備える。そして、ソース電極とカソード電極が電気的に接続され、ゲート電極とアノード電極が電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
シリコンショットキーバリアダイオードは、オン電圧が低く、逆回復電流が小さいという優れた特性を備えている。このため、パワー半導体デバイスとして広く用いられている。
スイッチング回路等に用いられるパワー半導体デバイスには、安定した回路動作を保証するために、安定した整流特性を備えることが望まれる。
特開２００８−１９８７３５号公報
本発明が解決しようとする課題は、安定した整流特性を備えた半導体装置を提供することにある。
実施形態の半導体装置は、導電性基板と、アノード電極、カソード電極を備え、導電性基板とアノード電極が電気的に接続され、導電性基板とアノード電極が対向するよう実装されるショットキーバリアダイオードと、表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を備え、導電性基板に裏面が対向するよう実装される電界効果トランジスタと、を備える。そして、ソース電極とカソード電極が電気的に接続され、ゲート電極とアノード電極が電気的に接続される。
第１の実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。 第１の実施形態の半導体装置の回路図である。 第２の実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。 第３の実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。 第４の実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、導電性基板と、アノード電極、カソード電極を備え、導電性基板とアノード電極が電気的に接続され、導電性基板とアノード電極が対向するよう実装されるショットキーバリアダイオードと、表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を備え、導電性基板に裏面が対向するよう実装される電界効果トランジスタと、を備える。そして、ソース電極とカソード電極が電気的に接続され、ゲート電極とアノード電極が電気的に接続される。
図１は、本実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ショットキーバリアダイオード１０１と、電界効果トランジスタ２０１とが、同一の導電性基板１０上に実装される整流特性を備えた複合型ショットキーバリアダイオードである。
導電性基板１０は、例えば、銅（Ｃｕ）板である。導電性基板１０は、銅に限らず、例えば、アルミニウム等の高い導電性を備える金属の板であってもかまわない。また、導電性基板１０は、必ずしも金属板でなくとも、例えば、絶縁体である樹脂の素子実装側表面に、銅箔等の金属箔を張り付けた板であってもかまわない。
ショットキーバリアダイオード１０１は、第１の接着層１２を用いて導電性基板１０に実装される。また、電界効果トランジスタ２０１は、第２の接着層１４を用いて導電性基板１０に実装される。
第１の接着層１２および第２の接着層１４は、導電性材料であり、例えば、ハンダである。また、例えば、導電性の樹脂ペーストである。
ショットキーバリアダイオード１０１は、ｎ型の半導体基板１６、ｎ型の半導体基板１６よりも高抵抗の半導体層１８の積層構造を備える。そして、半導体層１８表面にアノード電極（陽極）２０、半導体基板１６表面にカソード電極（陰極）２２を備える。
半導体層１８とアノード電極２０とは、ショットキー接合を形成する。また、半導体基板１６とカソード電極２２とは、オーミック接合を形成する。
半導体基板１６および半導体層１８は、同一の半導体材料により形成される。半導体材料は、例えば、シリコンである。シリコンで形成されるショットキーバリアダイオードは、比較的安価であり、オン電圧が低く、逆回復電流が小さいという優れた特性を備えている。シリコン以外にも、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の半導体材料を用いることも可能である。
アノード電極２０の材料は、半導体層１８とショットキー接合を形成する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を適用することが可能である。また、カソード電極２２の材料は、半導体基板とオーミック接合を形成する材料であれば、特に限定されることはなく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等の金属を適用することが可能である。
ショットキーバリアダイオード１０１は、アノード電極（陽極）２０が導電性基板１０に対向するよう第１の接着層１２によって、導電性基板１０に実装される。
電界効果トランジスタ２０１は、例えば、窒化物半導体で形成されるノーマリーオン型のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。電界効果トランジスタ２０１は、基板２４、バッファ層２６、第１の窒化物半導体層２８、第２の窒化物半導体層３０の積層構造を備える。
そして、第２の窒化物半導体層３０の表面に、ソース電極３２とドレイン電極３４が形成される。ソース電極３２およびドレイン電極３４と、第２の窒化物半導体層３０との間にはオーミック接合が形成される。
そして、ソース電極３２とドレイン電極３４との間に、第２の窒化物半導体層３０とゲート絶縁膜３６を介してゲート電極３８形成される。なお、ゲート絶縁膜３６が存在せず、ゲート電極３８と第２の窒化物半導体層３０との間にショットキー接合が形成される構成とすることも可能である。
基板２４は導電性であり、例えば、シリコンや炭化シリコン等を用いることが可能である。バッファ層２６は、基板２４と第１および第２の窒化物半導体層２８、３０との格子定数の違いを吸収するための層である。一般的に、バッファ層２６は複数の材質の窒化物半導体層で形成される。
第１の窒化物半導体層２８と第２の窒化物半導体層３０とは、これらの界面に２次元電子ガスが発生するように材料が選択される。例えば、第１の窒化物半導体層２８に窒化ガリウム（ＧａＮ）、第２の窒化物半導体層３０に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を選択することが可能である。
ソース電極３２とドレイン電極３４の材料は、第２の窒化物半導体層３０との間にオーミック接合を形成する金属材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、または、ニッケル（Ｎｉ）である。これら金属の合金あるいは積層構造であってもかまわない。また、ソース電極３２とドレイン電極３４の低抵抗化のために、抵抗の低い金（Ａｕ）等を上層に積層させてもかまわない。
ゲート絶縁膜３６の材料は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）や酸化シリコン（ＳｉＯ２）を適用することが可能である。ゲート電極３８の材料も、特に限定されるものではない。例えば、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、または、白金（Ｐｔ）である。これら金属の合金あるいは積層構造であってもかまわない。また、ゲート電極３８の低抵抗化のために、抵抗の低い金（Ａｕ）等を上層に積層させてもかまわない。
電界効果トランジスタ２０１は、その裏面が導電性基板１０に対向するよう、第２の接着層１４によって、導電性基板１０に実装される。
電界効果トランジスタ２０１のゲート電極３８は、ボンディングワイヤ４０により、導電性基板１０と接続される。これにより、ゲート電極３８と、ショットキーバリアダイオード１０１のアノード電極２０は、導電性基板１０と導電性の接着層１２とを介して電気的に接続される。
また、電界効果トランジスタ２０１のソース電極３２と、ショットキーダイオード１０１のカソード電極２２とが、ボンディングワイヤ４２により電気的に接続される。
また、導電性基板１０は、図示しないボンディングワイヤ等で第１の外部端子４４に接続される。そして、ドレイン電極３４は、図示しないボンディングワイヤ等で第２の外部端子４６に接続される。
図２は、本実施形態の半導体装置の回路図である。以下、図１および図２を参照しつつ本実施形態の複合型ショットキーバリアダイオードの動作について説明する。
第１の外部端子４４を接地し、第２の外部端子４６に正電圧を印可した場合、電界効果トランジスタ２０１はノーマリーオン型であるためオン状態になる。一方、ショットキーバリアダイオード１０１はオフ状態となる。このため、ソース電極３２およびカソード電極２２の電位は、ゲート電極３８、アノード電極２０および導電性基板１０の電位に対して、正の電位となる。
そして、第２の外部端子４６の電位を上昇させ、電界効果トランジスタ２０１の閾値電圧程度になると、ソース電極３２およびカソード電極２２の電位と、ゲート電極３８、アノード電極２０および導電性基板１０の電位との電位差により、電界効果トランジスタ２０１はオフ状態へ移行する。
さらに第２の外部端子４６に電圧を印可しても、電界効果トランジスタ２０１はオフ状態であるため、印可電圧の大部分は電界効果トランジスタ２０１に印可される。したがって、ショットキーバリアダイオード１０１には閾値電圧以上の電圧は印可されない。よって、本実施形態の複合型ショットキーバリアダイオードの耐圧は、電界効果トランジスタ２０１の耐圧で決定される。したがって、ショットキーバリアダイオード１０１の耐圧以上の複合型ショットキーバリアダイオードが実現できる。
次に、第２の外部端子４６を接地し、第１の外部端子４４に正電圧を印可すると、ショットキーバリアダイオード１０１はオン状態となり、ノーマリーオン型である電界効果型トランジスタ２０１を電流が流れ、電流は第２の外部端子４６へ至る。電界効果型トランジスタ２０１はノーマリーオン型であるため、本実施形態の複合型ショットキーバリアダイオード１０１のオン電圧はショットキーバリアダイオードのオン電圧で決定される。
本実施形態によれば、例えば、ショットキーバリアダイオード１０１に低オン電圧のシリコンショットキーバリアダイオードを用い、例えば、電界効果型トランジスタ２０１として耐圧６００Ｖ以上の高耐圧の窒化物半導体のＨＥＭＴを用いれば、高耐圧、低オン抵抗の高速動作可能な複合型ショットキーバリアダイオードが実現できる。
そして、本実施形態の複合型ショットキーバリアダイオードでは、導電性基板１０が第１の外部端子４４に電気的に接続されている。このため、複合型ショットキーバリアダイオードの動作中、面積が大きいため寄生容量も大きい導電性基板１０が、常に第１の外部端子４４の電位に固定されており、フローティング状態になることがない。したがって、安定な回路動作が実現され、スイッチング特性も向上する。
例えば、本実施形態と異なり、ショットキーバリアダイオード１０１を上下逆に実装し、カソード電極２２を導電性基板１０に接続する場合を考える。すると、複合型ショットキーバリアダイオードのオフ時の動作の際に、導電性基板１０の電位がフローティングとなり、導電性基板１０の電位が大きく変動するおそれがある。このため、回路動作が不安定になるとともに、スイッチング特性が劣化するという問題が生ずる。
本実施形態では、導電性基板１０を第１の外部端子４４に電気的に接続することで、上記問題を回避し、安定した整流特性を備えた半導体装置を実現している。
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、電界効果トランジスタが導電性基板に絶縁体を介して実装されること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図３は、本実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。
図３に示すように、本実施形態の半導体装置では、電界効果トランジスタ２０１は、第３の接着層５０を用いて導電性基板１０に実装される。そして、第３の接着層５０が絶縁体である。例えば、第３の接着層５０として、絶縁性の樹脂ペーストを用いることが可能である。
本実施形態の複合型ショットキーキーバリアダイオードのスイッチング特性は、電界効果型トランジスタ２０１のゲート容量に依存する。本実施形態では、ゲート容量のうち、ゲート電極３８と導電性基板１０間の容量を、絶縁体を介して電界効果型トランジスタ２０１を実装することで低減する。したがって、よりスイッチング特性が向上し、安定した整流特性を備えた複合型ショットキーバリアダイオードが実現される。
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、電界効果トランジスタが、抵抗率が１００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を用いて形成されること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図４は、本実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。
図４に示すように、本実施形態の半導体装置では、電界効果トランジスタ２０１が、抵抗率が１００Ωｃｍ以上の高抵抗基板５２を用いて形成される。すなわち、電界効果トランジスタ２０１は、高抵抗基板５２、バッファ層２６、第１の窒化物半導体層２８、第２の窒化物半導体層３０の積層構造を備える。
高抵抗基板５２は、例えば、高抵抗シリコン基板、サファイア基板等である。基板の抵抗率は、基板の材料と、その材料に含まれる導電性不純物の量を測定することで同定可能である。
本実施形態の複合型ショットキーキーバリアダイオードのスイッチング特性は、電界効果型トランジスタ２０１のゲート容量に依存する。本実施形態では、ゲート容量のうち、ゲート電極３８と導電性基板１０間の容量を、電界効果型トランジスタ２０１の基板を高抵抗にすることで低減する。したがって、よりスイッチング特性が向上し、安定した整流特性を備える複合型ショットキーバリアダイオードが実現される。
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、導電性基板の裏面に金属の放熱板が設けられること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図５は、本実施形態の半導体装置の構成を示す模式断面図である。
図５に示すように、本実施形態の半導体装置では、導電性基板１０の裏面に、導電性基板１０に密着して金属の放熱板５４が設けられる。放熱板は、例えば銅板である。
本実施形態では、導電性基板１０が第１の外部端子４４に接続されている。このため、容積の大きな放熱板５４を導電性基板１０に接続して設けても、回路動作に対する影響を抑制することが可能となる。
本実施形態によれば、放熱性に優れた複合型ショットキーバリアダイオードを実現することが可能となる。
以上の実施形態ではＨＥＭＴを半導体装置の例として説明したが、ＨＥＭＴ以外の電界効果型トランジスタを適用することも可能である。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 導電性基板
２０ アノード電極
２２ カソード電極
３２ ソース電極
３４ ドレイン電極
３８ ゲート電極
５２ 高抵抗基板
１０１ ショットキーバリアダイオード
２０１ 電界効果トランジスタ

Claims (5)

  1. 導電性基板と、
    アノード電極、カソード電極を有し、前記導電性基板と前記アノード電極が電気的に接続され、前記導電性基板と前記アノード電極が対向するよう実装されるショットキーバリアダイオードと、
    表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有し、前記導電性基板に裏面が対向するよう実装される電界効果トランジスタと、を備え、
    前記ソース電極と前記カソード電極が電気的に接続され、
    前記ゲート電極と前記アノード電極が電気的に接続され、
    前記ショットキーバリアダイオードがシリコンで形成され、前記電界効果トランジスタが窒化物半導体で形成され、
    前記電界効果トランジスタが前記導電性基板に絶縁体を介して実装され、
    前記電界効果トランジスタが、抵抗率が１００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を用いて形成され、
    前記高抵抗基板がシリコンであることを特徴とする半導体装置。
  2. 導電性基板と、
    アノード電極、カソード電極を有し、前記導電性基板と前記アノード電極が電気的に接続され、前記導電性基板と前記アノード電極が対向するよう実装されるショットキーバリアダイオードと、
    表面にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有し、前記導電性基板に裏面が対向するよう実装される電界効果トランジスタと、を備え、
    前記ソース電極と前記カソード電極が電気的に接続され、
    前記ゲート電極と前記アノード電極が電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記ショットキーバリアダイオードがシリコンで形成され、前記電界効果トランジスタが窒化物半導体で形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記電界効果トランジスタが前記導電性基板に絶縁体を介して実装されることを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記電界効果トランジスタが、抵抗率が１００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を用いて形成されることを特徴とする請求項２ないし請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
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