JP2015008431A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱による特性の変動を抑制し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、第１の金属基板と、第１の金属基板と分離された第２の金属基板と、第１の金属基板上に設けられるシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと、第２の金属基板上に設けられる窒化物半導体のノーマリーオントランジスタと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
次世代のパワー半導体デバイス用の材料としてＩＩＩ族窒化物、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の窒化物半導体が期待されている。ＧａＮ系の半導体デバイスはＳｉ（シリコン）と比較して広いバンドギャップを備え、Ｓｉの半導体デバイスと比較して、高い耐圧、低い損失が実現できる。
ＧａＮ系のトランジスタでは、一般に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとするＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造が適用される。通常のＨＥＭＴでは、ゲートに電圧を印加しなくても導通してしまうノーマリーオンのトランジスタとなる。このため、ゲートに電圧を印加しない限り導通しないノーマリーオフのトランジスタを実現することが困難であるという問題がある。
数百Ｖ〜１千Ｖという大きな電力をあつかう電源回路等では、安全面を重視してノーマリーオフの動作が要求される。そこで、窒化物半導体のノーマリーオントランジスタとシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタを同一基板上にカスコード接続して、ノーマリーオフ動作を実現する回路構成が提唱されている。
しかし、このような回路構成においては、消費電力の大きなノーマリーオントランジスタでの発熱が、他の素子の動作に影響を与え、特性が変動する懸念がある。
特開２０１２−２１２８７５号公報
本発明が解決しようとする課題は、素子の発熱による特性の変動を抑制できる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、第１の金属基板と、第１の金属基板と分離された第２の金属基板と、第１の金属基板上に設けられるシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと、第２の金属基板上に設けられる窒化物半導体のノーマリーオントランジスタと、を備える。
第１の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第１の実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。 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においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。 第３の実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。 第３の実施形態の半導体装置の回路図である。 第４の実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。 第４の実施形態の半導体装置の回路図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
また、本明細書中、半導体装置とは、ディスクリート半導体等の複数の素子が組み合わされたパワーモジュール、または、ディスクリート半導体等の複数の素子にこれらの素子を駆動する駆動回路や自己保護機能を組み込んだインテリジェントパワーモジュール、あるいは、パワーモジュールやインテリジェントパワーモジュールを備えたシステム全体を包含する概念である。
また、本明細書中、ノーマリーオントランジスタとは、ソースとゲートが同電位の際に、チャネルがオン状態となり、ソースとドレイン間に電流が流れるトランジスタを意味するものとする。また、本実施形態において、ノーマリーオフトランジスタとは、ソースとゲートが同電位の際に、チャネルがオフ状態となり、ソースとドレイン間に電流が流れないトランジスタを意味するものとする。
また、本明細書中、窒化物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体において、Ｖ族元素として窒素を用いた半導体である。例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）およびそれらの中間の組成を備える半導体である。また、ＧａＮ系半導体とは、窒化物半導体のうち、ＩＩＩ族元素としてＧａ（ガリウム）を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の総称である。
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１の金属基板と、第１の金属基板と分離された第２の金属基板と、第１の金属基板上に設けられるシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと、第２の金属基板上に設けられる窒化物半導体のノーマリーオントランジスタと、を備える。
図１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図２は、本実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。図１は、図２のＡＡ断面図である。図３は、本実施形態の半導体装置の回路図である。
本実施形態の半導体装置は、シリコン半導体のノーマリーオフトランジスタ１０と、窒化物半導体のノーマリーオントランジスタ２０と、を備える。本実施形態の半導体装置は、例えば、定格電圧が６００Ｖや１２００Ｖのパワーモジュールである。
図３に示すように、本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ１０と、ノーマリーオントランジスタ２０が直列に接続されてパワーモジュールを構成する。ノーマリーオフトランジスタ１０は、例えば、Ｓｉ（シリコン）の縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、ノーマリーオントランジスタ２０は、例えば、横型のＧａＮ（窒化ガリウム）系のＨＥＭＴである。ノーマリーオントランジスタ２０は、ゲート絶縁膜を備える。
ノーマリーオフトランジスタ１０は、ノーマリーオントランジスタ２０に比較して、素子耐圧が低い。ノーマリーオフトランジスタ１０の素子耐圧は、例えば、１０〜３０Ｖである。また、ノーマリーオントランジスタ２０の素子耐圧は、例えば、６００〜１２００Ｖである。
半導体装置は、ソース端子１００と、ドレイン端子２００と、ゲート端子３００を備える。そして、ノーマリーオフトランジスタ１０は、ソース端子１００に接続される第１のソース１１と、第１のドレイン１２、ゲート端子３００に接続される第１のゲート１３を有する。また、ノーマリーオントランジスタ２０は、第１のドレイン１２に接続される第２のソース２１、ドレイン端子２００に接続される第２のドレイン２２、ソース端子１００に接続される第２のゲート２３を有する。
本実施形態の半導体装置は、上記構成により、ソース端子１００と、ドレイン端子２００と、ゲート端子３００を備えるノーマリーオフトランジスタとして機能する。
図１、図２に示すように、本実施形態の半導体装置は、第１の金属基板９５と、第１の金属基板９５と物理的に分離された第２の金属基板９６とを備える。第１の金属基板９５と第２の金属基板９６は間に、第１の金属基板９５と第２の金属基板９６よりも熱伝導率の低い物質を間に挟んで、物理的に分離される。第１および第２の金属基板９５、９６は、例えば、銅合金である。
そして、第１の金属基板９５上に、ノーマリーオフトランジスタ１０が設けられ、第２の金属基板９６上にノーマリーオントランジスタ２０が設けられる。ノーマリーオフトランジスタ１０は、例えば、第１の金属基板９５上に銀ペースト等の導電性接着材で接着される。また、ノーマリーオントランジスタ２０は、例えば、第２の金属基板９６上に銀ペースト等の導電性接着材で接着される。
ノーマリーオフトランジスタ１０の上面には、第１のソース１１の電極パッド１１１と第１のゲート１３の電極パッド１１３が設けられる。ノーマリーオフトランジスタ１０の下面は、第１のドレイン１２の電極となっている。
また、ノーマリーオントランジスタ２０の上面には、第２のソース２１の電極パッド１２１、第２のドレイン２２の電極パッド１２２、第２のゲート２３の電極パッド１２３が設けられる。
そして、ソースのリード９１、ドレインのリード９２、ゲートのリード９３をさらに備える。ソースのリード９１、ドレインのリード９２、および、ゲートのリード９３は、例えば、銅合金である。
そして、ソースのリード９１と、第１のソース１１の電極パッド１１１が電気的に接続され、ドレインのリード９２と、第２のドレイン２２の電極パッド１２２が電気的に接続される。ゲートのリード９３は第１のゲート１３の電極パッド１１３に電気的に接続される。
そして、第１のソース１１の電極パッド１１１と、第２のゲート２３の電極パッド１２３が電気的に接続される。また、第１の金属基板９５と第２の金属基板９６が電気的に接続される。さらに、第２の金属基板９６が、第２のソース２１の電極パッド１２１に接続される。
上記接続は、例えば、ボンディングワイヤ９９を用いたワイヤボンディングにより行われる。ボンディングワイヤ９９には、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の材料が用いられる。
さらに、ノーマリーオフトランジスタ１０の下面の第１のドレイン１２の電極は、第１の金属基板９５と、例えば、銀ペースト等の導電性接着材で電気的に接続される。
ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０は、モールド樹脂９８によって封止され一体化されている。モールド樹脂９８は、第１の金属基板９５と第２の金属基板９６よりも熱伝導率が低い。モールド樹脂９８は、例えば、エポキシ樹脂である。
なお、実施形態では、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０がモールド樹脂９８で封止される場合を例に説明しているが、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０は、必ずしもモールド樹脂９８で封止されていなくともよい。例えば、同一のセラミック基板上に、第１の金属基板９５と第２の金属基板９６とが設けられ、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０との間が、空気となる構成であってもかまわない。
本実施形態のパワーモジュールの動作時には、消費電力の大きな窒化物半導体のノーマリーオントランジスタ２０で、ノーマリーオフトランジスタ１０より発熱量が格段に高くなる。そして、シリコン半導体のノーマリーオフトランジスタ１０は、熱に対する耐性が窒化物半導体のノーマリーオントランジスタ２０に対して低い。すなわち、ノーマリーオフトランジスタ１０は、温度上昇によるリーク電流の増大、閾値の変動がノーマリーオントランジスタ２０に対して大きい。また、素子破壊に至る温度もノーマリーオントランジスタ２０と比較して低い。
本実施形態では、ノーマリーオフトランジスタ１０が実装される第１の金属基板９５と、ノーマリーオントランジスタ２０が実装される第２の金属基板９６とを、熱伝導率の低い物質を介して物理的に分離する。この構成により、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０とを熱的に分離し、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がノーマリーオフトランジスタ１０に及ぶことを抑制している。したがって、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。
本実施形態において、第２の金属基板９６の熱伝導率が第１の金属基板９５の熱伝導率よりも小さいことが望ましい。この構成により、ノーマリーオントランジスタ２０の熱の第２の金属基板９６内での伝導が抑制される。したがって、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がノーマリーオフトランジスタ１０に及ぶことを、さらに抑制することが可能となる。
また、本実施形態では、第１の金属基板９５が第１のドレイン１２に電気的に接続され、第２の金属基板９６が第２のソース２１に電気的に接続される。すなわち、第２の金属基板９６と第２のソース２１の電位が共通化されている。そして、第２の金属基板９６はノーマリーオントランジスタ２０の下面側で、第２のソース２１から第２のドレイン２２に渡って存在する。
このため、第２の金属基板９６がノーマリーオントランジスタ２０のソースフィールドプレートとして機能する。ソースフィールドプレートは、第２のソース２１と第２のドレイン２２間のソース領域およびドレイン領域での電界を緩和し、電流コラプスを抑制する。
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、熱的にノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０を分離することにより、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。また、本実施形態の半導体装置によれば、第２の金属基板９６をソースフィールドプレートとして機能させることにより、電流コラプスを抑制して、信頼性の高い半導体装置が実現する。
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第２の金属基板が第２のドレインに電気的に接続される点で、第１の実施形態と異なっている。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においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。本実施形態の回路構成は、第３に示した第１の実施形態の回路構成と同様である。
本実施形態では、ソースのリード９１と、第１のソース１１の電極パッド１１１が電気的に接続され、ドレインのリード９２と、第２の金属基板９６が電気的に接続される。ゲートのリード９３は第１のゲート１３の電極パッド１１３に電気的に接続される。
そして、第１のソース１１の電極パッド１１１と、第２のゲート２３の電極パッド１２３が電気的に接続される。また、第１の金属基板９５と、第２のソース２１の電極パッド１２１が電気的に接続される。さらに、第２のドレイン２２の電極パッド１２２が、第２の金属基板９６に電気的に接続される。
さらに、ノーマリーオフトランジスタ１０の下面の第１のドレイン１２の電極は、第１の金属基板９５と、例えば、銀ペースト等の導電性接着材で電気的に接続される。
本実施形態では、第１の実施形態同様、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０とを熱的に分離し、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がノーマリーオフトランジスタ１０に及ぶことを抑制している。したがって、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。
また、本実施形態では、第１の実施形態と異なり、第２の金属基板９６が第１のドレイン１２にも第２のソース２１にも直接的には、電気的に接続されない。いいかえれば、第２の金属基板９６は、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０の接続部（以下、単に接続部とも称する）には、直接的には電気的に接続されない。
第２の金属基板９６は、半導体装置の動作中に半導体装置に寄生するアンテナとして作用するおそれがある。すなわち、半導体装置外のノイズを拾って半導体装置の動作を不安定にするおそれがある。また、逆に、半導体装置から半導体装置外へノイズを発し、半導体装置外の素子の動作に悪影響を与えるおそれがある。このため、特に、第２の金属基板９６が、電位の固定されない接続部等に接続されていると、素子の動作が不安定になるおそれが高くなる。
本実施形態では、第２の金属基板９６は、ドレインのリード９２に接続されることにより、ドレイン電圧に固定される。このため、第２の金属基板９６がアンテナとして作用し、半導体装置自身の動作、あるいは、半導体装置外の素子の動作に影響がおよぶことを抑制する。
一般に、発熱量の大きいノーマリーオントランジスタ２０が実装される第２の金属基板９６は、第１の金属基板９５よりも大面積の放熱板等に接続される。このため、寄生アンテナとして作用する導体の表面積が大きくなりやすい。したがって、表面積の大きい第２の金属基板９６の電位をドレイン電圧に固定することはノイズ抑制に有効である。
なお、本実施形態のように第１の金属基板９５と第２の金属基板９６とを異なった電位とすることは、第１の金属基板９５と第２の金属基板９６を物理的に分離することにより可能となる。
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、熱的にノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０を分離することにより、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。また、第２の金属基板９６をドレイン電圧に固定することで、動作が安定し周囲の素子へも悪影響を与えにくい半導体装置が実現する。
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１の金属基板上に設けられるダイオードを、さらに備える点で、第１の実施形態と異なっている。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。
本実施形態のダイオードは、ツェナーダイオードである。
図５は、本実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。図６は、本実施形態の半導体装置の回路図である。本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ１０に対して並列に、例えば、シリコン半導体のツェナーダイオード３０が設けられる。
図６に示すように、ツェナーダイオード３０は、第１のアノード３１と第１のカソード３２を有する。第１のアノード３１は、第１のソース１１に接続される。また、第１のカソード３２は、第１のドレイン１２および第２のソース２１に接続される。
ここで、ツェナーダイオード３０のツェナー電圧が、ノーマリーオフトランジスタ１０のアバランシェ降伏電圧よりも低くなるよう設定される。また、ツェナー電圧は、ノーマリーオントランジスタ２０のゲート絶縁膜の耐圧より低く設定される。これにより、ノーマリーオフトランジスタ１０のオフ時の第１のソース１１と第１のドレイン１２間の耐圧が、ノーマリーオントランジスタ２０の第２のソース２１と第２のゲート２３間の耐圧よりも低くなる。
図５に示すように、ツェナーダイオード３０の上面には、第１のアノード３１の電極パッド１３１が設けられる。そして、第１のソース１１の電極パッド１１１と、第１のアノード３１の電極パッド１３１が、例えば、ボンディングワイヤ９９により電気的に接続される。
また、ツェナーダイオード３０の下面は、第１のカソード３２の電極となっている。そして、第１の金属基板９５と、例えば、銀ペースト等の導電性接着材で電気的に接続される。
そして、ツェナーダイオード３０とノーマリーオントランジスタ２０との距離が、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０との距離よりも長い。ここで２個の素子間の距離とは、２個の素子の間の最短距離を意味するものとする。
ノーマリーオフトランジスタ１０と、ノーマリーオントランジスタ２０が直列に接続された回路構成では、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０の接続部に、デバイス動作中に過電圧が生じるおそれがある。過電圧は、例えば、半導体装置がオン状態からオフ状態に移行する際に、ソース端子１００とドレイン端子２００との間に印加されている高電圧が、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０の寄生容量の比で分圧されることによって生じ得る。あるいは、半導体装置のオフ時に、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０それぞれのリーク電流比で、ソース端子１００とドレイン端子２００との間に印加されている高電圧が分圧されることにより生じ得る。
過電圧が生じると、ノーマリーオントランジスタ２０の第２のソース２１と、第２のゲート２３との間に高電圧が印加される。この過電圧が、ゲート絶縁膜の耐圧以上となると、ノーマリーオントランジスタ２０のゲート絶縁膜のリーク電流が増大する、あるいは、破壊されるおそれがある。ノーマリーオントランジスタ２０のゲート絶縁膜のリーク電流が増大する、あるいは、ゲート絶縁膜が破壊されると半導体装置が動作不良となる。このため、半導体装置の信頼性が低下する。
また、ゲート絶縁膜に問題が生じない場合であっても、ノーマリーオントランジスタ２０の第２のソース２１と、第２のゲート２３との間に高電圧が印加されることで、第２のソース２１側に電荷がトラップされる。これにより、電流コラプスが生じるおそれがある。電流コラプスが生じるとオン電流が低下するため動作不良となる。したがって、半導体装置の信頼性がやはり低下する。
本実施形態の半導体装置では、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０の接続部に過電圧が生じた場合、過電圧がツェナー電圧に達した時点で、電荷がツェナーダイオード３０に逃がされ、ソース端子１００へと抜ける。したがって、接続部の電圧上昇が抑制され、ノーマリーオントランジスタ２０のゲート絶縁膜のリーク電流の増大、ゲート絶縁膜の破壊が防止される。また、電流コラプスも防止される。よって、半導体装置の信頼性が向上する。
また、ノーマリーオフトランジスタ１０の第１のドレイン１２にノイズ等の予期せぬ高電圧が印加された場合であっても、ツェナーダイオード３０により電荷を逃がすことができる。このため、ノーマリーオフトランジスタ１０の保護にも寄与する。
一般に、ツェナーダイオード３０は、熱に対する耐性が窒化物半導体のノーマリーオントランジスタ２０に対して低い。すなわち、ツェナーダイオード３０は、温度上昇によるリーク電流の増大、ツェナー電圧の変化等、特性変動大きい。また、素子破壊に至る温度もノーマリーオントランジスタ２０と比較して低い。
本実施形態では、ツェナーダイオード３０が実装される第１の金属基板９５と、ノーマリーオントランジスタ２０が実装される第２の金属基板９６とを、熱伝導率の低い物質を介して物理的に分離する。この構成により、ツェナーダイオード３０とノーマリーオントランジスタ２０とを熱的に分離し、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がツェナーダイオード３０に及ぶことを抑制している。したがって、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。
また、一般に、ツェナーダイオード３０は、熱に対する耐性がシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタ１０に対して低い。すなわち、ツェナーダイオード３０は、温度上昇によるリーク電流の増大、ツェナー電圧の変化等、特性変動がノーマリーオフトランジスタ１０に比較しても大きい。また、素子破壊に至る温度もノーマリーオフトランジスタ１０と比較して低い。
本実施形態では、ツェナーダイオード３０とノーマリーオントランジスタ２０との距離が、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０との距離よりも長い。この構成により、ツェナーダイオード３０の温度上昇を、ノーマリーオフトランジスタ１０の温度上昇よりも低く抑える。したがって、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がツェナーダイオード３０に及ぶことをさらに抑制している。したがって、特性変動が少なくより信頼性の高い半導体装置が実現される。
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態の効果に加え、接続部に過電圧が生じた際の耐性が向上する効果が得られる。また、電流コラプスを抑制する効果も得られる。そして、ツェナーダイオード３０がノーマリーオントランジスタ２０と熱的に分離されるため発熱による特性変動も抑制される。よって、特性変動が少なく、さらに信頼性の高い半導体装置が実現される。
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１の金属基板上に、ショットキーバリアダイオードを、さらに備える点で、第３の実施形態と異なっている。第１および第３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７は、本実施形態の半導体装置においてモールド樹脂を除いた模式上面図である。図８は、本実施形態の半導体装置の回路図である。
本実施形態の半導体装置は、ノーマリーオフトランジスタ１０に対して並列にツェナーダイオード３０と、ショットキーバリアダイオード６０が設けられる。
図８に示すように、ツェナーダイオード３０は、第１のアノード３１と第１のカソード３２を有する。第１のアノード３１は、第１のソースに接続される。また、第１のカソード３２は、第１のドレイン１２および第２のソース２１に接続される。
また、ショットキーバリアダイオード６０は、第２のアノード６１と第２のカソード６２とを備える。そして、第２のアノード６１は第１のソース１１に接続される。また、第２のカソード６２は、第１のドレイン１２および第２のソース２１に接続される。
ショットキーバリアダイオード６０の順方向降下電圧（Ｖｆ）は、ノーマリーオフトランジスタの寄生ボディダイオード（図示せず）の順方向降下電圧（Ｖｆ）よりも低い。そして、ショットキーバリアダイオード６０は、第１のドレイン１２および第２のソース２１と、第１のソース１１との間に、ツェナーダイオード３０と並列に設けられる。
図７に示すように、ショットキーバリアダイオード６０の上面には、第２のアノード６１の電極パッド１６１が設けられる。そして、ソースのリード９１と、第２のアノード６１の電極パッド１６１が、例えば、ボンディングワイヤ９９により電気的に接続される。
また、ショットキーバリアダイオード６０の下面は、第２のカソード６２の電極となっている。そして、第１の金属基板９５と、例えば、銀ペースト等の導電性接着材で電気的に接続される。
そして、ツェナーダイオード３０およびショットキーバリアダイオード６０とノーマリーオントランジスタ２０との距離が、ノーマリーオフトランジスタ１０とノーマリーオントランジスタ２０との距離よりも長い。
ショットキーバリアダイオード６０を設けない場合には、ソース端子１００がドレイン端子２００に対し正の電圧となる還流モード時に、電流はノーマリーオフトランジスタ１０の寄生ボディダイオードを流れる。本実施形態では、ノーマリーオフトランジスタ１０の寄生ボディダイオードの順方向降下電圧（Ｖｆ）よりも低い順方向降下電圧（Ｖｆ）を有するショットキーバリアダイオード６０を設ける。これにより、還流モード時に電流はショットキーバリアダイオード６０を流れる。
ショットキーバリアダイオードは、ＰｉＮダイオードと異なり多数キャリアのみを用いて動作する。したがって、ＰｉＮダイオードと比較してリカバリー特性に優れる。したがって、還流モード時のリカバリー特性を向上させることが可能となる。よって、信頼性およびリカバリー特性に優れた半導体装置を実現できる。耐圧の大半はノーマリーオントランジスタ２０が担うためショットキーバリアダイオード６０は低耐圧の品種を選ぶことができる。これにより、低耐圧品種と同様のＶｆ特性・リカバリー特性を備えつつ高耐圧のボディダイオード動作を達成できる。
また、順方向降下電圧（Ｖｆ）が小さいため、還流モード時の導通損失やスイッチング損失も低減することが可能である。また、ショットキーバリアダイオード６０の寄生容量により、接続部での過電圧の印加が抑制される。また、ショットキーバリアダイオード６０のリーク電流によって、接続部から電荷を逃すことできるため、接続部の過電圧の印加が抑制される。したがって、さらに信頼性の向上した半導体装置が実現される。
なお、ショットキーバリアダイオード６０は、アバランシェ保証がないため、ショットキーバリアダイオード６０の耐圧は、ノーマリーオフトランジスタ１０のアバランシェ降伏電圧よりも高いことが望ましい。
一般に、ショットキーバリアダイオード６０は、熱に対する耐性が窒化物半導体のノーマリーオントランジスタ２０に対して低い。すなわち、ショットキーバリアダイオード６０は、温度上昇によるリーク電流の増大、ツェナー電圧の変化等、特性変動大きい。また、素子破壊に至る温度もノーマリーオントランジスタ２０と比較して低い。
本実施形態では、ショットキーバリアダイオード６０が実装される第１の金属基板９５と、ノーマリーオントランジスタ２０が実装される第２の金属基板９６とを、熱伝導率の低い物質を介して物理的に分離する。この構成により、ショットキーバリアダイオード６０とノーマリーオントランジスタ２０とを熱的に分離し、ノーマリーオントランジスタ２０での発熱による熱的な影響がツェナーダイオード３０に及ぶことを抑制している。
また、一般に、ショットキーバリアダイオード６０は、熱に対する耐性がツェナーダイオード３０に対して低い。すなわち、ショットキーバリアダイオード６０は、ツェナーダイオード３０に比べ、温度上昇によるリーク電流の増大等、特性変動大きい。
本実施形態では、ショットキーバリアダイオード６０と主たる発熱源となるノーマリーオントランジスタ２０との距離が、ツェナーダイオード３０とノーマリーオントランジスタ２０との距離より長い。したがって、ショットキーバリアダイオード６０に対する温度上昇の影響を、低減することが可能となる。よって、特性変動が少なく信頼性の高い半導体装置が実現される。
以上のように、本実施形態の半導体装置によれば、第１および第３の実施形態の効果に加え、接続部に過電圧が生じた際の耐性が向上する効果が得られる。また、電流コラプスを抑制する効果も得られる。さらに、還流モード時のリカバリー特性を向上させることが可能となる。また、ツェナーダイオード３０とショットキーバリアダイオード６０がノーマリーオントランジスタ２０と熱的に分離されるため発熱による特性変動も抑制される。よって、特性変動が少なく、さらに信頼性の高い半導体装置が実現される。
なお、実施形態においては、シリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと窒化物半導体のノーマリーオントランジスタとが、直列接続される回路構成を例に説明したが、シリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと窒化物半導体のノーマリーオントランジスタとが、異なる金属基板上に実装されるのであれば、必ずしも実施形態の回路構成に限定されるものではない。
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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。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 ノーマリーオフトランジスタ
１１ 第１のソース
１２ 第１のドレイン
１３ 第１のゲート
２０ ノーマリーオントランジスタ
２１ 第２のソース
２２ 第２のドレイン
２３ 第２のゲート
３０ ツェナーダイオード
３１ 第１のアノード
３２ 第１のカソード
６０ ショットキーバリアダイオード
６１ 第２のアノード
６２ 第２のカソード
７０ ツェナーダイオード
９１ ソースのリード
９２ ドレインのリード
９３ ゲートのリード
９５ 第１の金属基板
９６ 第２の金属基板
１００ ソース端子
２００ ドレイン端子
３００ ゲート端子

Claims (12)

  1. 第１の金属基板と、
    前記第１の金属基板と分離された第２の金属基板と、
    前記第１の金属基板上に設けられるシリコン半導体のノーマリーオフトランジスタと、
    前記第２の金属基板上に設けられる窒化物半導体のノーマリーオントランジスタと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１の金属基板上に設けられるダイオードを、さらに備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記ダイオードと前記ノーマリーオントランジスタとの距離が、前記ノーマリーオフトランジスタと前記ノーマリーオントランジスタとの距離よりも長いことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記ダイオードがツェナーダイオードであ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. 前記ダイオードがショットキーバリアダイオードであ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。
  6. 前記第１の金属基板が前記第１のドレインに電気的に接続され、前記第２の金属基板が前記第２のソースに電気的に接続されることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の半導体装置。
  7. 前記第１の金属基板が前記第１のドレインに電気的に接続され、前記第２の金属基板が前記第２のドレインに電気的に接続されることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の半導体装置。
  8. 前記ノーマリーオフトランジスタが、ソース端子に接続される第１のソース、第１のドレイン、ゲート端子に接続される第１のゲートを有し、
    前記ノーマリーオントランジスタが、前記第１のドレインに接続される第２のソース、ドレイン端子に接続される第２のドレイン、前記ソース端子に接続される第２のゲートを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７いずれか一項記載の半導体装置。
  9. 前記ノーマリーオントランジスタは、ＧａＮ系のＨＥＭＴであることを特徴とする請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の半導体装置。
  10. 前記ノーマリーオフトランジスタは、縦型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１ないし請求項９いずれか一項記載の半導体装置。
  11. 前記第１の金属基板と前記第２の金属基板との間に、前記第１の金属基板および前記第２の金属基板よりも熱伝導率の小さい物質が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の半導体装置。
  12. 前記第２の金属基板の熱伝導率が前記第１の金属基板の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項１１いずれか一項記載の半導体装置。
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