JP5532636B2

JP5532636B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5532636B2
Application number: JP2009058628A
Authority: JP
Inventors: 肇佐々木; 洋一朗太田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: JP2010212523A

Description

本発明は、半導体装置並びにその製造方法及び光半導体装置に関し、特に、専用の回路パタンや電極を設けることなく、静電気破壊を防止できる半導体装置並びにその製造方法及び、静電気破壊を防止する光半導体装置に関するものである。

従来、半導体装置においては、静電気破壊を防止するために、静電気をアースに流す保護回路を設ける。そして、保護回路には、ダイオードやキャパシタや抵抗が用いられていた。ところが、これらダイオード等を用いた保護回路を使用すると、その寄生容量によって、電気特性が劣化することがあった。そこで、この問題の対策として、寄生容量を低減するために特別の回路パタンや電極から構成された保護回路が用いられていた（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００７−４８９００号公報特開昭６２−３９０７７号公報

上述のダイオード等から構成された保護回路や、寄生容量を低減するために特別の回路パタンや電極から構成された保護回路を使用する場合、半導体装置に保護回路専用の回路パタンや電極を設ける必要があった。このため、半導体装置の構造が制限されていた。

また、従来のフォトダイオードやレーザダイオードなどの光半導体装置では、静電気が電極に印加された場合、静電気による電流が、それらの受光部や電流狭窄部に集中して流れることにより、静電気破壊するという問題が生じていた。

本発明は上述した課題を解決するためになされ、保護回路専用の回路パタンや電極を設けることなく、静電気破壊を防止できる半導体装置並びにその製造方法を提供することを目的とする。また、静電気破壊を防止できる光半導体装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、不純物が拡散された半導体層と、前記半導体層に設けられた電気回路と、前記半導体層上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、を備え、前記電極及び前記第１の定電圧導体は前記半導体層にそれぞれオーミック接触し、前記半導体層は、トラップが導入されたトラップ導入領域を前記電極と前記第１の定電圧導体との間に有し、前記トラップ導入領域は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第２の定電圧導体と、前記電極と前記第１の定電圧導体との間、及び前記電極と前記第２の定電圧導体との間にそれぞれ設けられた、第１及び第２の抵抗パタンと、更に備え、前記トラップ導入領域は、前記電極と前記第２の定電圧導体との間にも存在し、前記トラップ導入領域は、第２の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第２の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、前記第２の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、前記第２の閾値電圧は、前記第１の閾値電圧より大きく、前記第１の抵抗パタンは、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じた場合に焼き切れ、前記第２の抵抗パタンは、前記電極と前記第２の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じた場合に焼き切れることを特徴とするものである。

第２の発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、不純物が拡散された半導体層と、前記半導体層に設けられた電気回路と、前記半導体層上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、を備え、前記電極及び前記第１の定電圧導体は前記半導体層にそれぞれオーミック接触し、前記半導体層は、トラップが導入されたトラップ導入領域を前記電極と前記第１の定電圧導体との間に有し、前記トラップ導入領域は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、前記第１の定電圧導体が、前記電気回路を囲うガードリングであることを特徴とするものである。

第３の発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた電気回路と、前記半導体基板上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、前記半導体基板上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、を備え、前記半導体基板は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記半導体基板を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、前記第１の定電圧導体が、前記電気回路を囲うガードリングであることを特徴とするものである。

本発明により、保護回路専用の回路パタンや電極を設けることなく、半導体装置の静電気破壊を防止できる。また、本発明により、光半導体装置の静電気破壊を防止できる。

実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。図１のＡ−Ａ´における断面図である。実施の形態１に係る半導体装置に設けられた高周波回路の等価回路図である。実施の形態１に係る高周波信号用電極とグランド電極の間の電圧・電流特性を示す図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の上面図である。実施の形態５に係る半導体装置の上面図である。実施の形態６に係る光半導体装置の断面図である。第１の比較例に係る光半導体装置の断面図である。実施の形態７に係る光半導体装置の断面図である。実施の形態８に係る光半導体装置の断面図である。第２の比較例に係る光半導体装置の断面図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る半導体装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´における断面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体装置に設けられた高周波回路の等価回路図である。

図１及び図２に示すように、半導体基板１０上に、ｎ型半導体層（半導体層）１２が設けられている。ｎ型半導体層１２に、高周波回路（電気回路）１４が設けられている。半導体基板１０の下面に、接地されたグランド導体１６が設けられている。ｎ型半導体層１２上に、高周波信号用電極（電極）１８及びグランド電極（第１の定電圧導体）２０が設けられている。高周波信号用電極１８はｎ型半導体層１２にオーミック接触し、高周波回路１４に接続されている。グランド電極２０もｎ型半導体層１２にオーミック接触している。グランド電極２０は半導体基板１０を貫通する基板貫通導体２２を介してグランド導体１６に接続され、接地されている。

図３に示すように、高周波回路１４は入力端子２４及び出力端子２６を備える。上述の高周波信号用電極１８は入力端子２４及び出力端子２６に対応する。入力端子２４はキャパシタ２８を介してＦＥＴ３０に接続されている。そして、高周波回路１４は、グランド電極２０又は他のビアを介して接地されている。

また、図２に示すように、ｎ型半導体層１２は、トラップが導入されたトラップ導入領域３２を高周波信号用電極１８とグランド電極２０との間に有する。トラップ導入領域３２は、閾値電圧より大きい電圧が高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間に印加された場合に、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。そして、閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間に印加される電圧より大きく、静電気によって高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間に印加される電圧より小さい。

ここで、トラップ導入領域３２の形成方法について説明する。トラップ導入領域３２は、ｎ型半導体層１２に対して、イオン注入、アニール、電子線照射、荷電粒子照射、中性子照射、ガンマ線照射、及び放射光照射の少なくとも一つを実行することによって形成する。また、ｎ型半導体層１２を成長させる際にもトラップが導入されている。このため、トラップ導入領域３２のトラップ密度は、ｎ型半導体層１２の成長温度の条件、ｎ型半導体層１２の成長雰囲気の条件、イオン注入の条件、アニールの条件、電子線照射の条件、荷電粒子照射の条件、中性子照射の条件、ガンマ線照射の条件、及び放射光照射の条件の少なくとも一つの条件を調整することによって調整することができる。

以下、課題の解決原理を説明する。
Applied Physics Express 1 (2008)011103の「Effects of Traps Formed by Threading Dislocations on Off-State Breakdown Characteristics in GaN Buffer Layer in AlGaN/GaN Heterostructure Field-Effect Transistors」に紹介されているように、半導体層上に設けられた２つの電極、及び両電極間の半導体層にトラップが導入された領域を想定した場合、両電極間においてトラップが導入された領域を介して流れる電流が急激に増大するときの両電極間の閾値電圧は下記式で表せることが知られている。

数１において、V_ＴＦＬは閾値電圧、eは電子電荷、Ｎ_ｔはトラップが導入された領域のトラップ密度、εは誘電率、ｄは2つの電極間の距離である。閾値電圧はトラップ密度に比例する。つまり、トラップ密度を調整することによって、閾値電圧を調整することができる。

上述したように、トラップ導入領域３２は、閾値電圧より大きい電圧が高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間に印加された場合に、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。そして、トラップ密度は、閾値電圧が高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きくなるように、そして、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さくなるように調整されている。

図４は、実施の形態１に係る高周波信号用電極とグランド電極の間の電圧・電流特性を示す図である。静電気による電圧が両電極間に印加される場合、静電気による電圧は閾値電圧（V_ＴＦＬ）より大きいため、両電極間の電圧・電流特性はｂ−ｂ´で示す特性となる。従って、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。これにより、静電気による電流がグランドに流れる。これにより、静電気による電流が高周波回路１４側に流れるのは抑制される。この結果、高周波回路１４の静電気破壊を防止できる。

一方、高周波回路１４の通常動作の電圧が両電極間に印加される場合、電圧は閾値電圧（V_ＴＦＬ）より小さいため、両電極間の電圧・電流特性はａ−ａ´で示す特性となる。両電極間においてはほとんど電流が流れない。更に、保護回路を設けないから寄生容量が生じることはなく、高周波特性が劣化する問題も生じない。

以上のように、半導体装置においては、保護回路専用の回路パタンや電極を設けることなく、また、高周波回路１４の高周波特性を劣化させることなく、静電気破壊を防止できる。

なお、本実施形態においては、半導体装置として、ＧａＡｓ等の化合物半導体から構成される高周波半導体デバイスを想定しているが、半導体装置はこれに限定されない。半導体装置として、低周波で動作するＭＯＳＦＥＴを適用しても同様の効果が得られる。

また、半導体装置においては、半導体基板１０上にはｎ型半導体層１２の代わりにｐ型半導体層を設けてもよい。ｐ型半導体層を設けたとしても、高周波信号用電極１８及びグランド電極２０はｐ型半導体層にそれぞれオーミック接触することができる。

また、半導体装置においては、トラップ導入領域３２のトラップ密度のみによって閾値電圧を調整しているが、閾値電圧の調整方法はこれに限らない。数１に示すように、閾値電圧は２つの電極間の距離の２乗に比例するので、高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間の距離を調整することによっても調整できる。

また、ｎ型半導体層１２の不純物がトラップ導入領域３２に残留した残留不純物の濃度によっても、閾値電圧は影響を受ける。このため、その残留不純物の濃度を調整することよって、閾値電圧を調整できる。更に、トラップ導入領域３２に不純物を拡散し、トラップ導入領域３２のバンドギャップを調整することによっても、閾値電圧を調整できる。

実施の形態２．
以下、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。

半導体基板１０上に、高周波回路１４（図５には、図示せず）が設けられている。半導体基板１０の下面に、接地されたグランド導体１６が設けられている。半導体基板１０の上面から下面まで貫通する基板貫通導体（第１の定電圧導体）２２が設けられている。基板貫通導体２２は、グランド導体１６に接続され、接地されている。半導体基板１０上に、高周波信号用電極１８及びグランド電極（第１の定電圧導体）２０が設けられている。高周波信号用電極１８は、高周波回路１４に接続されている。グランド電極２０は、基板貫通導体２２を介しグランド導体１６に接続され、接地されている。

また、半導体基板１０は、高周波信号用電極１８、グランド電極２０、及び基板貫通導体２２の隣接領域にそれぞれ、ｎ型不純物が拡散されたｎ型不純物拡散領域３４を有している。これらの電極及び導体は、ｎ型不純物拡散領域３４にそれぞれオーミック接触している。

半導体基板１０は、閾値電圧より大きい電圧が、高周波信号用電極１８とグランド電極２０の間に印加された場合に、両電極間において半導体基板１０を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きく、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さい。

従って、静電気による電圧が両電極間に印加される場合、図５において実線の矢印で示すように、両電極間において半導体基板１０を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。このため、静電気による電流がグランドに流れる。これにより、静電気による電流が高周波回路１４側に流れるのは抑制される。この結果、高周波回路１４の静電気破壊を防止できる。

一方、高周波回路１４の通常動作において、電圧が両電極間に印加される場合、両電極間においてはほとんど電流が流れない。更に、保護回路を設けないから寄生容量が生じることはなく、高周波特性が劣化する問題も生じない。

以下、本実施形態の変形例を説明する。
変形例に係る半導体装置においては、本実施形態とは異なり、半導体基板１０は、閾値電圧より大きい電圧が、高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間に印加された場合に、高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間において半導体基板１０を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。そして、閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間に印加される電圧より大きく、静電気によって高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間に印加される電圧より小さい。

従って、静電気による電圧が高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間に印加される場合、図５において破線の矢印で示すように、高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間において半導体基板１０を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。このため、静電気による電流がグランドに流れる。これにより、静電気による電流が高周波回路１４側に流れるのは抑制される。この結果、高周波回路１４の静電気破壊を防止できる。

一方、高周波回路１４の通常動作において、電圧が高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間に印加される場合、高周波信号用電極１８と基板貫通導体２２の間においてはほとんど電流が流れない。更に、保護回路を設けないから寄生容量が生じることはなく、高周波特性が劣化する問題も生じない。

以上のように、変形例においても、保護回路専用の回路パタンや電極を設けることなく、また、高周波回路１４の高周波特性を劣化させることなく、静電気破壊を防止できる。

なお、本実施形態において、半導体基板１０は、電極及び導体の隣接領域にそれぞれｎ型不純物拡散領域３４を有している。本実施形態においては、半導体基板１０は、ｎ型不純物拡散領域３４の代わりにｐ型不純物拡散領域を有するものでも構わない。電極及び導体は、ｐ型不純物拡散領域にもそれぞれオーミック接触することができる。

また、半導体基板１０は、ｎ型不純物拡散領域３４又はｐ型不純物拡散領域を有しなくても構わない。この場合、電極及び導体は、それぞれオーミック接触することなく、半導体基板１０にそれぞれショットキー接触する。この場合にも、同様の効果が得られる。なお、閾値電圧は、電極及び導体がオーミック接触するか、ショットキー接触するかによって影響を受ける。このため、どちらを選択するかによって、閾値電圧を調整できる。

実施の形態３．
以下、実施の形態３に係る半導体装置について実施の形態２と異なる点のみを説明する。図６は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。

半導体基板１０の下面において、高周波信号用電極１８と対向する位置に設けられた窪み内側に下面電極（第１の定電圧導体）３６が設けられている。下面電極３６はグランド導体１６に接続され、接地されている。また、半導体基板１０は、下面電極３６の隣接領域にｎ型不純物が拡散されたｎ型不純物拡散領域３４を有している。下面電極３６は、ｎ型不純物拡散領域３４にオーミック接触している。

半導体基板１０は、閾値電圧より大きい電圧が、高周波信号用電極１８と下面電極３６の間に印加された場合に、両電極間において半導体基板１０を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きく、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さい。

従って、静電気による電圧が高周波信号用電極１８と下面電極３６の間に印加される場合、図６において実線の矢印で示すように、両電極間において半導体基板１０を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。このため、静電気による電流がグランドに流れる。これにより、静電気による電流が高周波回路１４側に流れるのは抑制される。この結果、高周波回路１４の静電気破壊を防止できる。

一方、高周波回路１４の通常動作において、電圧が高周波信号用電極１８と下面電極３６の間に印加される場合、両電極間においてはほとんど電流が流れない。更に、保護回路を設けないから寄生容量が生じることはなく、高周波特性が劣化する問題も生じない。

以上のように、半導体装置においては、保護回路専用の回路パタンを設けることなく、また、高周波回路１４の高周波特性を劣化させることなく、静電気破壊を防止できる。

実施の形態４．
以下、実施の形態４に係る半導体装置について説明する。図７は、実施の形態４に係る半導体装置の上面図である。

半導体基板１０（図７には、図示せず）上に、ｎ型半導体層（半導体層）１２が設けられている。ｎ型半導体層１２に、高周波回路（電気回路）１４が設けられている。半導体基板１０の下面に、接地されたグランド導体１６（図７には、図示せず）が設けられている。ｎ型半導体層１２上に、高周波信号用電極（電極）１８、第１のグランド電極（第１の定電圧導体）２０、第２のグランド電極（第２の定電圧導体）３８、及び第３のグランド電極４０が設けられている。これらの電極は、ｎ型半導体層１２にそれぞれオーミック接触している。高周波信号用電極１８は高周波回路１４に接続されている。第１のグランド電極２０、第２のグランド電極３８、及び第３のグランド電極４０はグランド導体１６に接続され、接地されている。

高周波信号用電極１８は、半導体装置の長手方向と同一方向に長く伸びている。そして、高周波信号用電極１８と第１のグランド電極２０との間の距離ｄ１、高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８との間の距離ｄ２、及び高周波信号用電極１８と第３のグランド電極４０との間の距離ｄ３は、ｄ１、ｄ２、ｄ３の順に大きくなる。また、高周波信号用電極１８と第１〜第３のグランド電極との間には、第１の抵抗パタン４２、第２の抵抗パタン４４、及び第３の抵抗パタン４６がそれぞれ設けられている。

ｎ型半導体層１２は、トラップが導入されたトラップ導入領域３２を高周波信号用電極１８と第１のグランド電極２０との間に有する。トラップ導入領域３２は、第１の閾値電圧より大きい電圧が両電極間に印加された場合に、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。第１の閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きく、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さい。

また、トラップ導入領域３２は、高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８との間にも存在する。そして、トラップ導入領域３２は、第２の閾値電圧より大きい電圧が高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８の間に印加された場合に、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。第２の閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きく、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さい。

更に、トラップ導入領域３２は、高周波信号用電極１８と第３のグランド電極４０との間にも存在する。そして、トラップ導入領域３２は、第３の閾値電圧より大きい電圧が両電極間に印加された場合に、両電極間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。第３の閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において両電極間に印加される電圧より大きく、静電気によって両電極間に印加される電圧より小さい。

数１に示したように、トラップ導入領域３２を介して放電が生じる閾値電圧は、２つの電極間の距離（ｄ）の２乗に比例する。上述したように、高周波信号用電極１８と第１〜第３のグランド電極との距離ｄ１〜ｄ３は、ｄ１、ｄ２、ｄ３の順に大きくなる。このため、高周波信号用電極１８と第１〜第３のグランド電極との間の閾値電圧は、第１の閾値電圧、第２の閾値電圧、第３の閾値電圧の順に大きくなる。

そして、第１の抵抗パタン４２は、高周波信号用電極１８と第１のグランド電極２０の間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じた場合に焼き切れる。第２の抵抗パタン４４は、高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８の間において、同様に放電が生じた場合に焼き切れる。第３の抵抗パタン４６は、高周波信号用電極１８と第３のグランド電極４０の間において、同様に放電が生じた場合に焼き切れる。

従って、本実施形態においては、第１の抵抗パタン４２が焼切れたかを確認することによって、高周波信号用電極１８に静電気による電圧が印加されたかどうかをモニタできる。また、第１〜第３の抵抗パタン４６が焼き切れたかどうかをそれぞれ確認することによって、静電気によって高周波信号用電極１８に印加された電圧の大きさをモニタできる。

以下、本実施形態の変形例について本実施形態と異なる点のみを説明する。
変形例に係る半導体装置においては、ｎ型半導体層１２及びトラップ導入領域３２は設けられていない。高周波信号用電極１８及び第１〜第３のグランド電極は、半導体基板１０上に設けられている。また、半導体基板１０は、高周波信号用電極１８及び第１〜第３のグランド電極の隣接領域にそれぞれ、ｎ型不純物が拡散されたｎ型不純物拡散領域３４を有している。高周波信号用電極１８及び第１〜第３のグランド電極は、ｎ型不純物拡散領域３４にそれぞれオーミック接触している。

そして、半導体基板１０にトラップが導入されている。高周波信号用電極１８と第１のグランド電極２０との間に第１の閾値電圧より大きい電圧を印加した場合には、高周波信号用電極１８と第１のグランド電極２０との間において半導体基板１０を介して放電が生じる。高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８との間に第２の閾値電圧より大きい電圧を印加した場合には、高周波信号用電極１８と第２のグランド電極３８との間において半導体基板１０を介して放電が生じる。高周波信号用電極１８と第３のグランド電極４０との間に第３の閾値電圧より大きい電圧を印加した場合には、高周波信号用電極１８と第３のグランド電極４０との間において半導体基板１０を介して放電が生じる。

第１〜第３の抵抗パタンは、高周波信号用電極１８と第１〜第３のグランド電極との間において半導体基板１０を介してそれぞれ放電が生じた場合に、それぞれ焼き切れる。

従って、本実施形態と同様に、高周波信号用電極１８に静電気による電圧が印加されたかどうかをモニタできる。また、静電気によって高周波信号用電極１８に印加された電圧の大きさをモニタできる。

実施の形態５．
以下、実施の形態５に係る半導体装置について実施の形態１とは異なる点のみを説明する。図８は、実施の形態５に係る半導体装置の上面図である。

半導体基板１０上に、高周波回路１４を囲うガードリング４８が設けられている。ｎ型半導体層１２が有するトラップ導入領域３２は、高周波信号用電極１８とガードリング４８との間にも存在する。そして、トラップ導入領域３２は、閾値電圧より大きい電圧が高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に印加された場合に、高周波信号用電極１８とガードリング４８の間においてトラップ導入領域３２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。そして、閾値電圧は、高周波回路１４の通常動作において高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に印加される電圧より大きく、静電気によって高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に印加される電圧より小さい。

従って、静電気による電圧が高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に印加される場合、高周波信号用電極１８とガードリング４８の間においてトラップ導入領域３２を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。このため、静電気による電流がグランドに流れる。これにより、静電気による電流が高周波回路１４側に流れるのは抑制される。この結果、高周波回路１４の静電気破壊を防止できる。

一方、高周波回路１４の通常動作において、電圧が高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に印加される場合、高周波信号用電極１８とガードリング４８の間においてはほとんど電流が流れない。更に、保護回路を設けないから寄生容量が生じることはなく、高周波特性が劣化する問題も生じない。

以下、本実施形態の変形例について本実施形態と異なる点のみを説明する。
変形例に係る半導体装置においては、本実施形態とは異なり、ｎ型半導体層１２及びトラップ導入領域３２は設けられていない。ガードリング４８は、半導体基板１０上に設けられている。半導体基板１０にはトラップが導入されている。高周波信号用電極１８とガードリング４８の間に、上述の閾値電圧より大きい電圧を印加した場合には、半導体基板１０を介して放電が生じる。

従って、変形例においては、本実施形態と同様に、保護回路専用の回路パタンや電極を設けることなく、また、高周波回路１４の高周波特性を劣化させることなく、静電気破壊を防止できる。

なお、本実施形態においては、ガードリング４８は接地されているが、一定電圧に維持されていてもよい。この場合も、同様の効果が得られる。

また、ガードリング４８はメタルから構成されたものでも、導電性エピ層から構成されたものでも構わない。どちらでも、上述の効果が得られる。

実施の形態６．
以下、実施の形態６に係る光半導体装置について説明する。図９は、実施の形態６に係る光半導体装置の断面図である。

実施の形態６に係る光半導体装置はフォトダイオードである。ｎ-ＩｎＰ基板５０上にｎ-ＩｎＧａＡｓ層５２が設けられている。ｎ-ＩｎＧａＡｓ層５２上に、第１のｎ-ＩｎＰ層５４が設けられている。第１のｎ-ＩｎＰ層５４上に、トラップが導入されたｉ-ＩｎＰ層（トラップ導入層）５６が設けられている。ｉ-ＩｎＰ層５６上に、第２のｎ-ＩｎＰ層５８が設けられている。第１のｎ-ＩｎＰ層５４、ｉ-ＩｎＰ層５６及び、第２のｎ-ＩｎＰ層５８の一部には、ｐ型の不純物が拡散されたｐ-不純物拡散領域（第２導電型不純物拡散領域）６０が設けられている。第１のｎ-ＩｎＰ層５４のｐ-不純物拡散領域６０及び、その領域に隣接する第１のｎ-ＩｎＰ層５４は、フォトダイオードの受光部６２に対応する部分である。そして、第２のｎ-ＩｎＰ層５８上には、正電極６４が設けられている。正電極６４はｐ-不純物拡散領域６０に接続され、第２のｎ-ＩｎＰ層５８を介してｉ-ＩｎＰ層５６に接続されている。正電極６４は第２のｎ-ＩｎＰ層５８にオーミック接触している。ｎ-ＩｎＰ基板５０には負電極６６が接続されている。

ｉ-ＩｎＰ層５６は、閾値電圧より大きい電圧が正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加された場合に、正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間においてｉ-ＩｎＰ層５６を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。閾値電圧は、フォトダイオードの通常動作において正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加される電圧より大きく、静電気によって正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加される電圧より小さい。

以下、実施の形態６の効果を第１の比較例と比較しながら説明する。図１０は、第１の比較例に係る光半導体装置の断面図である。

第１の比較例に係る光半導体装置おいては、ｉ-ＩｎＰ層５６及び第２のｎ-ＩｎＰ層５８は設けられていない。正電極６４と、第１のｎ-ＩｎＰ層５４のｐ-不純物拡散領域６０以外の部分との間に、ＳｉＮ絶縁層６８が設けられている。従って、静電気による電圧が正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加された場合、静電気による電流が受光部６２に集中して流れる。これにより、光半導体装置が静電気破壊する。

一方、実施の形態１においては、正電極６４が、ｉ-ＩｎＰ層５６にも接続されている。そして、静電気による電圧が正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加された場合、正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間においてｉ-ＩｎＰ層５６を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。一方、フォトダイオードの通常動作において、電圧が正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間に印加される場合、電流が正電極６４と第１のｎ-ＩｎＰ層５４との間においてｉ-ＩｎＰ層５６を介して流れることはない。

これにより、静電気による電流が受光部６２に集中して流れるのは抑制され、光半導体装置が静電気破壊するのを防止できる。

なお、光半導体装置の外周領域７０のｉ-ＩｎＰ層５６においては、表面準位が生成し、又はバンド準位が変化する。これにより、光半導体装置の外周領域７０のｉ-ＩｎＰ層５６の閾値電圧が低下する。これを防止するために、ｉ-ＩｎＰ層５６のトラップ密度は、正電極６４の近傍よりも外周領域７０の方が高くなっている。

また、数１に示すように、閾値電圧は２つの電極間の距離の２乗に比例するので、ｉ-ＩｎＰ層５６の厚さを調整することによって、調整することができる。

また、ｉ-ＩｎＰ層５６上には、第２のｎ-ＩｎＰ層５８が設けられていなくてもよい。第２のｎ-ＩｎＰ層５８が設けられていない場合、正電極６４がｉ-ＩｎＰ層５６にショットキー接触する。この場合にも、同様の効果が得られる。

また、本実施形態の光半導体装置は、ｎ型であるｎ-ＩｎＰ基板５０が用いられているが、ｐ型の半導体基板を用い、導電型を逆にしたものの場合も、同様の効果が得られる。

更に、本実施形態においては、光半導体装置がフォトダイオードではなくアバランシェフォトダイオードの場合にも、同様の効果が得られる。

実施の形態７．
以下、実施の形態７に係る光半導体装置について、実施の形態６とは異なる点のみ説明する。図１１は、実施の形態７に係る光半導体装置の断面図である。

ｉ-ＩｎＰ層５６及び第２のｎ-ＩｎＰ層５８が、受光部６２に対応する第１のｎ-ＩｎＰ層５４のｐ-不純物拡散領域６０上において、設けられていない。正電極６４は、第１のｎ-ＩｎＰ層５４に直接接続されている。

以上のように、受光部６２上に、余分なｉ-ＩｎＰ層５６及び第２のｎ-ＩｎＰ層５８が設けられていないため、光半導体装置の受光感度を向上できる。

実施の形態８．
以下、実施の形態８に係る光半導体装置について説明する。図１２は、実施の形態８に係る光半導体装置の断面図である。

実施の形態７に係る光半導体装置はレーザダイオードである。ｎ-ＧａＡｓ基板７２上に、ｎ-ＡｌＧａＡｓクラッド層７４が設けられている。ｎ-ＡｌＧａＡｓクラッド層７４上に、ＡｌＧａＡｓ活性層７６が設けられている。ＡｌＧａＡｓ活性層７６上に、ｐ-ＡｌＧａＡｓクラッド層７８が設けられている。ｐ-ＡｌＧａＡｓクラッド層７８上に、第１のｐ-ＧａＡｓ層８０が設けられている。第１のｐ-ＧａＡｓ層８０上に、トラップが導入されたｉ-ＧａＡｓ層（トラップ導入層）８２が設けられている。ｉ-ＧａＡｓ層８２上に、第２のｐ-ＧａＡｓ層８４が設けられている。ｉ-ＧａＡｓ層８２及び第２のｐ-ＧａＡｓ層８４は中央に開口８６を有する。開口８６は、レーザダイオードの電流狭窄部８８に対応する部分である。そして、正電極９０が、開口８６において第１のｐ-ＧａＡｓ層８０に接続されている。また、正電極９０は、ｉ-ＧａＡｓ層８２に第２のｐ-ＧａＡｓ層８４を介して接続されている。更に、正電極９０は第２のｐ-ＧａＡｓ層８４にオーミック接触している。ｎ-ＧａＡｓ基板７２に負電極９２が接続されている。

ｉ-ＧａＡｓ層８２は、閾値電圧より大きい電圧が正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０に印加された場合に、正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間においてｉ-ＧａＡｓ層８２を介して放電が生じるようなトラップ密度を有する。閾値電圧は、レーザダイオードの通常動作において、正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間に印加される電圧より大きく、静電気によって正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間に印加される電圧より小さい。

以下、実施の形態８の効果を第２の比較例と比較しながら説明する。図１３は、第２の比較例に係る光半導体装置の断面図である。

第２の比較例においては、第１のｐ-ＧａＡｓ層８０上に、上述のｉ-ＧａＡｓ層８２及び第２のｐ-ＧａＡｓ層８４ではなく、ＳｉＯ２絶縁層９４が設けられている。従って、静電気による電圧が、正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間に印加された場合、静電気による電流は、電流狭窄部８８に集中して流れる。これにより、光半導体装置が静電気破壊する。

一方、実施の形態１においては、正電極９０が、電流狭窄部８８よりも外周側でｉ-ＧａＡｓ層８２に接続されている。そして、静電気による電圧が正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間に印加された場合、正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間においてｉ-ＧａＡｓ層８２を介して流れる電流が急激に増大し、放電が生じる。一方、レーザダイオードの通常動作において、電圧が正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間に印加される場合、電流が正電極９０と第１のｐ-ＧａＡｓ層８０との間においてｉ-ＧａＡｓ層８２を介して流れることはない。

これにより、静電気による電流が電流狭窄部８８に集中して流れるのは抑制され、光半導体装置が静電気破壊するのを防止できる。

なお、ｉ-ＧａＡｓ層８２上には、第２のｐ-ＧａＡｓ層８４が設けられていなくてもよい。第２のｐ-ＧａＡｓ層８４が設けられていない場合、正電極９０がｉ-ＧａＡｓ層８２にショットキー接触する。この場合にも、同様の効果が得られる。

また、本実施形態の光半導体装置は、ｎ型であるｎ-ＧａＡｓ基板７２が用いられているが、ｐ型の半導体基板を用い、導電型を逆にしたものの場合も、同様の効果が得られる。

また、数１に示すように、閾値電圧は２つの電極間の距離の２乗に比例するので、ｉ-ＧａＡｓ層８２の厚さを調整することによって、調整することができる。

１０半導体基板
１２ｎ型半導体層（半導体層）
１４高周波回路（電気回路
１６グランド導体
１８高周波信号用電極（電極）
２０グランド電極（第１の定電圧導体）
２２基板貫通導体
３２トラップ導入領域
３４ｎ型不純物拡散領域
３６下面電極（第１の定電圧導体）
３８第２のグランド電極（第２の定電圧導体）
４０第３のグランド電極
４２第１の抵抗パタン
４４第２の抵抗パタン
４６第３の抵抗パタン
４８ガードリング
５０ｎ-ＩｎＰ基板
５２ｎ-ＩｎＧａＡｓ層
５４第１のｎ-ＩｎＰ層
５６ｉ-ＩｎＰ層（トラップ導入層）
５８第２のｎ-ＩｎＰ層
６０ｐ-不純物拡散領域（第２導電型不純物拡散領域）
６２受光部
６４，９０正電極
６６，９２負電極
７０外周領域
７２ｎ-ＧａＡｓ基板
７４ｎ-ＡｌＧａＡｓクラッド層
７６ＡｌＧａＡｓ活性層
７８ｐ-ＡｌＧａＡｓクラッド層
８０第１のｐ-ＧａＡｓ層
８２ｉ-ＧａＡｓ層（トラップ導入層）
８４第２のｐ-ＧａＡｓ層
８６開口
８８電流狭窄部

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、不純物が拡散された半導体層と、
前記半導体層に設けられた電気回路と、
前記半導体層上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、
前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、
を備え、
前記電極及び前記第１の定電圧導体は前記半導体層にそれぞれオーミック接触し、
前記半導体層は、トラップが導入されたトラップ導入領域を前記電極と前記第１の定電圧導体との間に有し、
前記トラップ導入領域は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、
前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、
前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第２の定電圧導体と、
前記電極と前記第１の定電圧導体との間、及び前記電極と前記第２の定電圧導体との間にそれぞれ設けられた、第１及び第２の抵抗パタンと、
を更に備え、
前記トラップ導入領域は、前記電極と前記第２の定電圧導体との間にも存在し、
前記トラップ導入領域は、第２の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第２の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、
前記第２の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第２の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、
前記第２の閾値電圧は、前記第１の閾値電圧より大きく、
前記第１の抵抗パタンは、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じた場合に焼き切れ、
前記第２の抵抗パタンは、前記電極と前記第２の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じた場合に焼き切れることを特徴とする半導体装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、不純物が拡散された半導体層と、
前記半導体層に設けられた電気回路と、
前記半導体層上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、
前記半導体層上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、
を備え、
前記電極及び前記第１の定電圧導体は前記半導体層にそれぞれオーミック接触し、
前記半導体層は、トラップが導入されたトラップ導入領域を前記電極と前記第１の定電圧導体との間に有し、
前記トラップ導入領域は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記トラップ導入領域を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、
前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、
前記第１の定電圧導体が、前記電気回路を囲うガードリングであることを特徴とする半導体装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた電気回路と、
前記半導体基板上に設けられ、前記電気回路に接続された電極と、
前記半導体基板上に設けられ、接地又は一定電圧に維持された第１の定電圧導体と、
を備え、
前記半導体基板は、第１の閾値電圧より大きい電圧が前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加された場合に、前記電極と前記第１の定電圧導体との間において前記半導体基板を介して放電が生じるようなトラップ密度を有し、
前記第１の閾値電圧は、前記電気回路の通常動作において前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より大きく、静電気によって前記電極と前記第１の定電圧導体との間に印加される電圧より小さく、
前記第１の定電圧導体が、前記電気回路を囲うガードリングであることを特徴とする半導体装置。
前記半導体基板は、不純物が拡散された第１及び第２の不純物拡散領域を有し、
前記電極及び前記第１の定電圧導体は、前記第１及び第２の不純物拡散領域にそれぞれオーミック接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。