JPH10135236A - 化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性が高く且つ超高周波領域で高出力特性
が安定に得られる化合物半導体装置を提供する。 【解決手段】 半絶縁性半導体基板１１上に、ストライ
プ状に配置された多数の単位セル１２からなるセル領域
１３と、該セル領域に平行に配置されると共に櫛の歯状
に形成されたベース配線電極１６又はコレクタ配線電極
１５と、該配線電極を挟んで前記セル領域に平行に配置
された放熱用電極１７と、該放熱用電極と前記セル領域
の各単位セルのエミッタ領域に接続する金メッキ層２０
と、前記半導体基板の一辺の近傍に配置された前記ベー
ス配線電極に接続するボンディングパッド１６ｂと、前
記半導体基板の反対辺の近傍に配置された前記コレクタ
配線電極に接続するボンディングパッド１５ｂとを備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体装置
に係り、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）を、半絶縁性化合物半導体基板上に搭載した半導体
チップの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話等の超高周波帯で動作す
る機器の普及に伴い、ＧＨｚ帯で動作する高出力素子の
開発が要請されている。ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ（ＨＢＴ）は、例えばエミッタ／ベース接合に、Ａ
ｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ等の異材質の接合
を用いることにより、電子の移動度が高く且つエミッタ
のバンドギャップがベースのバンドギャップより大きい
ことから電子の注入効率が高く取れる。このためＧＨｚ
帯で１〜２Ｗ程度の高出力特性が容易に得られ、上記要
請に適合するものとして注目されている。

【０００３】例えば、文献（IEEE ELECTRON DEVICE LET
TERS, Vol 14, No10, October 1990PP493〜495）、特許
第２５２２２８０号公報等によれば、化合物半導体材料
を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタの一例が開
示されている。これは半絶縁性ＧａＡｓ基板上にｎ＋-
ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層、ｐ
＋-ＧａＡｓベース層、ｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層、
ｎ＋-ＧａＡｓエミッタコンタクト層等がメサ型に積層
されて構成されている。

【０００４】ところで、このようなヘテロ接合バイポー
ラトランジスタは、極めて電流密度が高いため、その熱
放散が問題となる。このため上記文献によれば、半絶縁
性基板上に予め放熱のための放熱用電極を固着する。そ
してコレクタ層、ベース層、エミッタ層がメサ型に構成
されたセル領域部分及びベース配線電極とコレクタ配線
電極等を全て絶縁膜で被覆し、その絶縁膜にエミッタ層
と放熱用電極に連通する開口を形成し、絶縁膜上に厚い
金メッキ層を被着する。セル部分のエミッタ層から発生
する熱を、厚い金メッキ層から輻射放熱すると共に、放
熱用電極を通して半導体チップ、更に半導体チップを固
定したパッケージに伝熱して、発熱部を冷却する技術が
開示されている。

【０００５】この上記文献に開示された熱放散構造は、
半導体チップ上にストライプ状にコレクタ層とベース層
とエミッタ層とからなるメサ型に形成されたセル領域を
複数本配置し、コレクタ層に接続するコレクタ配線電極
及びセルとなるベース層に接続するベース配線電極をそ
れぞれ配置する。そしてこれらのストライプ状のセル領
域及びコレクタ配線電極及びベース配線電極が配置され
たチップの外周に放熱用電極領域を設ける。そして、こ
れらのセル領域及び各種配線電極領域を絶縁膜で被覆し
て、その上に全面的に厚い金メッキ層を被着したもので
ある。

【０００６】即ち、複数本のセル領域のエミッタ層と、
チップ両端に設けられた放熱用電極とをブリッジ状に厚
さ２２μm程度の厚い放熱用金メッキ層で接続したもの
である。係る構造によれば、発熱の大きなベース／コレ
クタ接合付近で生じた熱が、チップ表面の略全面に貼ら
れた厚い金メッキ層から空中に放散されると共に、チッ
プ両端に設けられた放熱用電極から半導体チップ部分を
通して、該半導体チップを固着するパッケージに熱を逃
すことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヘテロ
接合バイポーラトランジスタは、超高周波領域で高出力
特性が得られるという反面、出力特性の温度によるポジ
ティブフィードバックという問題がある。一般に高出力
トランジスタはコレクタ領域中に単位となるエミッタ及
びベース領域からなる単位トランジスタセルが多数配置
されて、これらを配線接続して一個のトランジスタを構
成している。そして多数の単位セルの内の一つの単位セ
ルの温度が上昇すると、同じベースバイアス電圧に対し
てコレクタ電流が増加し、この電流の増加が更に温度上
昇を招き、温度上昇は更に電流の増加を招く。このよう
なポジティブフィードバックにより一個の単位セルに電
流の集中が起こり、高出力トランジスタを熱破壊に至ら
しめるという問題がある。

【０００８】係る問題点を解決するためには、チップ上
に広く分散する発熱体である各単位セルからの熱放散を
なるべく均等にし、チップ上の一部分に放熱の不均一に
伴う局部的な温度上昇を無くすことが重要である。

【０００９】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する各
単位セルからの熱放散の均一性を良好なものとすること
により、信頼性が高く且つ超高周波領域で高出力特性が
安定に得られる化合物半導体装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体装
置は、半絶縁性半導体基板上に、ストライプ状に配置さ
れたヘテロ接合バイポーラトランジスタの多数の単位セ
ルからなるセル領域と、該セル領域に平行に配置される
と共に櫛の歯状に前記各単位セルのベース領域又はコレ
クタ領域に接続するベース配線電極又はコレクタ配線電
極と、該配線電極を挟んで前記セル領域に平行に配置さ
れた放熱用電極と、該放熱用電極と前記セル領域の各単
位セルのエミッタ領域に接続すると共に絶縁膜を介して
前記セル領域及び配線電極上にブリッジ状に配置された
厚い金メッキ層と、前記半導体基板の一辺の近傍に配置
された前記ベース配線電極に接続するボンディングパッ
ドと、前記半導体基板の反対辺の近傍に配置された前記
コレクタ配線電極に接続するボンディングパッドとを備
えたことを特徴とする。

【００１１】上述した本発明の構成によれば、半導体基
板に固着された放熱用電極がベース配線電極又はコレク
タ配線電極を挟んでストライプ状のセル領域と平行に配
置され、ブリッジ状に厚い金メッキ層を介して接続され
ているので、発熱が最も大きな各単位セルのエミッタか
らの発生熱を短い距離で放熱用電極に接続して伝熱させ
ることができる。そして、ストライプ状に形成された各
単位セルから放熱用電極までの距離がほとんど等しいた
め、各単位セルに対して均等な放熱が可能となり、上述
したポジティブフィードバックによる電流の集中を防止
することができ、これによりトランジスタの熱破壊を防
止することができる。

【００１２】また、半導体基板上の略中央部分にストラ
イプ状に、セル領域、ベース配線電極、コレクタ配線電
極、放熱用電極等を平行に複数組配置して、半導体基板
（チップ）の一辺側にベース配線電極に接続するボンデ
ィングパッドを設け、他辺側にコレクタ配線電極に接続
するボンディングパッドを配置する。これにより、半導
体基板（チップ）の面積を有効に利用して、チップ全体
の面積に対して厚い金メッキ層及び放熱用電極の面積を
効率的に取ることができ、これにより放熱の良好なヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタを提供することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１実施形態の化合物半
導体装置のパターン配置を示す。ＧａＡｓの半絶縁性基
板（チップ）１１上に、多数の単位セル１２からなるヘ
テロ接合バイポーラトランジスタのセル領域１３が、複
数本、ストライプ状に配置されている。セル領域１３
は、後に詳述するが、メサ型のコレクタ領域に、多数の
単位セル１２であるベース領域及びエミッタ領域が同様
にメサ型に形成されている。

【００１５】セル領域１３に隣接して、その両側にコレ
クタ配線電極１５及びベース配線電極１６がそれぞれス
トライプ状に且つ平行に配置されている。ベース配線電
極１６は、それぞれの単位セルのベース領域に隣接する
櫛の歯状の分岐接続部１６ａを備えている。同様にコレ
クタ配線電極１５も、それぞれの単位セルに対応したコ
レクタ領域に接続する櫛の歯状の分岐接続部１５ａを備
えている。

【００１６】ストライプ状のセル領域１３に平行に、コ
レクタ配線電極１５を挟んで放熱用エミッタ電極１７が
同様に半絶縁性基板１１上にストライプ状に配置されて
いる。従って、各単位セル１２から、放熱用エミッタ電
極１７迄の距離は、それぞれが等間隔に配置されてい
る。

【００１７】各ストライプ状の配線電極の端部には、そ
れぞれ短形状のエミッタ電極のボンディングパッド部１
７ｂ、ベース電極のボンディングパッド部１６ｂ、コレ
クタ電極のボンディングパッド部１５ｂが配置されてい
る。即ち、矩形状の半導体チップ１１の−辺側には、エ
ミッタ及びベース電極のボンディングパッド１７ｂ，１
６ｂ，１７ｂ，１６ｂ，１７ｂが一列に配置されてお
り、他辺側にはコレクタ電極のボンディングパッド１５
ｂがストライプ状に配置されている。

【００１８】半導体チップ１１のボンディングパッド部
分を除く、略中央部分には、セル領域１３及び各種配線
電極部１５，１６，１７が絶縁膜で被覆され、これに各
単位セルのエミッタ部分と放熱用エミッタ配線電極部分
に開口が施されている。そして、この部分の全面が、放
熱用の厚い金メッキ層２０で被覆されている。従って、
各単位セルのエミッタ部分と放熱用エミッタ電極とは、
金メッキ層２０によりブリッジ状に接続されることにな
る。

【００１９】図２は、本発明の第２実施形態のパターン
配置を示す。基本的な構成は、図１に示す実施形態と同
様であるので、同一部分には同一の符号を付して、重複
した説明を省略する。本実施形態の相違する点は、エミ
ッタ配線電極へのワイヤ線のボンディングを、厚い金メ
ッキ層２０上に行うことで、図１に示すエミッタ電極の
ボンディングパッド部１７ｂを無くしたものである。金
メッキ層２０は、接合する金ワイヤ線とのボンディング
性が良好であるので、金メッキ層２０上のどこにでも、
例えば、符号２０ｃで示す部分にボンディングを行うこ
とができる。係る構成により、金メッキ層２０の熱が接
続したワイヤ線からも直接伝熱除去されるので、放熱を
更に良好なものとすることができる。

【００２０】図３は、単位セル近傍のパターン構成を示
す拡大図であり、図４はそのＤＤ線に沿った断面図であ
る。セル領域１３には、メサ型に形成されたコレクタ層
１３ｃに、メサ型に形成されたベース層１２ｂ及びエミ
ッタ層１２ｅからなる単位セル１２が形成されている。
ベース電極１６の櫛の歯の分岐接続部１６ａは、ＳｉＮ
膜等の絶縁膜２１に設けられた開口を介してメサ型のベ
ース層１２ｂに接続されている。コレクタ電極１５の櫛
の歯状の分岐接続部１５ａは、メサ型の単位セル１２間
の凹部の部分のサブコレクタ層１３ｃに接続されてい
る。

【００２１】コレクタ配線電極１５及びベース配線電極
１６の上部空間は、ポリイミド等の絶縁膜２２で被覆さ
れており、絶縁膜２２上に２０〜３０μm程度の厚い金
メッキ層２０が被着されている。金メッキ層２０は、絶
縁膜２２の開口部を介して、単位セル１２のエミッタ層
１２ｅと放熱用エミッタ配線電極１７とをブリッジ状に
接続している。

【００２２】次にこの化合物半導体装置の製造方法につ
いて説明する。まず半絶縁性基板上に各種化合物半導体
材料をエピタキシャル成長した基板を準備する。この基
板は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上にサブコレクタ層と
なるＧａＡｓ層がエピ成長され、更にその上層にコレク
タ層となるｎ型ＧａＡｓ層がエピ成長され、更にその上
層にベース層１２ｂとなるｐ型ＧａＡｓ層がエピ成長さ
れたものである。

【００２３】更にベース層１２ｂの上層にはＧａＡｓ層
からＡｌＧａＡｓ層への遷移層がエピ成長され、更にそ
の上層にはヘテロ接合バイポーラトランジスタの核心と
なるベース層と比較してバンドギャップの大きなｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ層がエピ成長され、その上層はＧａＡｓへの
遷移層がエピ成長され、更にその上層にはキャップ層と
なるｎ＋型ＧａＡｓ層がエピ成長されている。

【００２４】次に、ホトリソグラフィでパターニングし
て、エミッタ領域を形成するための層１２ｅのメサエッ
チを行う。次に、ベース層１２ｂ及びコレクタ層１３ｃ
を同様にホトリソグラフィでパターニングして、メサエ
ッチを行う。

【００２５】次に、放熱用エミッタ電極１７、コレクタ
電極１５等の電極付けを行う。これはホトレジストを塗
布後、ホトリソグラフィでパターニングを行い、ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、リフトオフにより所定パター
ンの電極１５，１７を形成する。そして、アロイにより
半導体層との接触を確実にする。更に、全面にＣＶＤで
例えばＳｉＮ膜を２，０００Å程度被着して、ホトリソ
グラフィによりコンタクト部分を開口するパターニング
を行う。

【００２６】次にベース電極の電極付けを行う。ＳiＮ
をデポジションし、フォトリソグラフィによりコンタク
トホールを形成し、櫛歯状にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着
し、それら金属のパターン電極１５、１６、１７を形成
する。

【００２７】次に基板全面に絶縁膜２２となるポリイミ
ドを塗布してキュアを行う。ポリイミド膜は、メサ型の
各単位セル部分が十分に被覆される程度に十分厚く形成
される。次にホトリソグラフィにより、各単位セルのエ
ミッタ領域部分及び放熱用電極に金メッキ層を接続する
ための開口を形成する。

【００２８】次に全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを全面に蒸着
してキトリソグラフィにより金メッキ層を形成する部分
を残し、レジストで表面を覆い、電解メッキで、２０〜
３０μｍ程度の厚い金メッキ層を形成する。これによ
り、エミッタ層１２ｅが厚い金メッキ層２０により、ブ
リッジ状にコレクタ配線電極１６を跨いで放熱用電極１
７に接続される。次にイオンミリングで不要なＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕを除去して、本発明のヘテロ接合バイボーラト
ランジスタが完成する。

【００２９】尚、上述した実施形態では、金メッキ層が
コレクタ配線電極を跨いで、各単位セル領域のエミッタ
層放熱用電極とを最短距離で接続する例について説明し
たが、ベース配線電極を跨いで最短距離で接続するよう
にしてもよい。また、厚い金メッキ層は放熱及び伝熱の
ために用いられるものであるが、金以外の、例えば、銅
又は銀等の材料を用いてもよいことも勿論のことであ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの最も発熱の大きい
各単位セルのエミッタ領域が、均等に且つ最短距離で放
熱用電極に厚い金メッキ層を介してブリッジ状に接続さ
れる。これにより、各単位セルの熱放散性を均一にする
ことができ、一部のセルへの電流の集中を防止すること
ができる。又、矩形状の半導体チップの−辺側にベース
電極のボンディングパッドを配置し、他辺側にコレクタ
電極のボンディングパッドを配置することで、効率的な
熱放散のためのパターン配置が可能となり、各単位セル
に対して、偏りなく均一な放熱が行える。

【００３１】総じて本発明によれば、電流集中による熱
破壊に対して安定なヘテロ接合型バイポーラトランジス
タが提供される。それ故、ＧＨｚ帯で高出力特性を有す
るヘテロ接合バイポーラトランジスタを、安定に製造す
ることができ、且つ信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の化合物半導体装置のパ
ターンの配置構成を示す説明図。

【図２】本発明の第２実施形態の化合物半導体装置のパ
ターンの配置構成を示す説明図。

【図３】各単位セル近傍の拡大図。

【図４】図３のＤＤ線に沿った断面図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半絶縁性半導体基板上に、ストライプ状
   に配置されたヘテロ接合バイポーラトランジスタの多数
   の単位セルからなるセル領域と、該セル領域に平行に配
   置されると共に櫛の歯状に前記各単位セルのベース領域
   又はコレクタ領域に接続するベース配線電極又はコレク
   タ配線電極と、該配線電極を挟んで前記セル領域に平行
   に配置された放熱用電極と、該放熱用電極と前記セル領
   域の各単位セルのエミッタ領域に接続すると共に絶縁膜
   を介して前記セル領域及び配線電極上にブリッジ状に配
   置された厚い金メッキ層と、前記半導体基板の一辺の近
   傍に配置された前記ベース配線電極に接続するボンディ
   ングパッドと、前記半導体基板の反対辺の近傍に配置さ
   れた前記コレクタ配線電極に接続するボンディングパッ
   ドとを備えたことを特徴とする化合物半導体装置。