JPH10289979A - 高周波半導体デバイス - Google Patents
高周波半導体デバイスInfo
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- JPH10289979A JPH10289979A JP9097265A JP9726597A JPH10289979A JP H10289979 A JPH10289979 A JP H10289979A JP 9097265 A JP9097265 A JP 9097265A JP 9726597 A JP9726597 A JP 9726597A JP H10289979 A JPH10289979 A JP H10289979A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型高性能な高周波半導体デバイスを提供す
る。 【解決手段】 シリコン結晶基板１上に化合物半導体層
２を形成したシリコン−化合物半導体積層基板を用い
て、該化合物半導体層２に形成された化合物半導体能動
素子と、該化合物半導体層上に形成された接地電極とし
ての金属層３と該金属層上に形成された絶縁誘電体層４
と該絶縁誘電体層上に形成された金属配線からなるマイ
クロ波伝送線回路によって形成された受動素子を組み合
せて構成した、化合物半導体層としてはＧａＡｓ系ある
いはＩｎＰ系半導体系が好適であり、また高周波デバイ
スとしてはＭＭＩＣ（Monolisic Microwave Integrated
Circuit）が好適な、高周波半導体デバイス。
る。 【解決手段】 シリコン結晶基板１上に化合物半導体層
２を形成したシリコン−化合物半導体積層基板を用い
て、該化合物半導体層２に形成された化合物半導体能動
素子と、該化合物半導体層上に形成された接地電極とし
ての金属層３と該金属層上に形成された絶縁誘電体層４
と該絶縁誘電体層上に形成された金属配線からなるマイ
クロ波伝送線回路によって形成された受動素子を組み合
せて構成した、化合物半導体層としてはＧａＡｓ系ある
いはＩｎＰ系半導体系が好適であり、また高周波デバイ
スとしてはＭＭＩＣ（Monolisic Microwave Integrated
Circuit）が好適な、高周波半導体デバイス。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン結晶基板
上に化合物半導体層が積層されたシリコン−化合物半導
体積層基板を用いて製作される高周波半導体デバイスに
関し、特に高周波、例えば１００ＭＨｚ以上の周波数帯
で使用される高周波半導体デバイスに関する。
上に化合物半導体層が積層されたシリコン−化合物半導
体積層基板を用いて製作される高周波半導体デバイスに
関し、特に高周波、例えば１００ＭＨｚ以上の周波数帯
で使用される高周波半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】高周波、例えば１００ＭＨｚ以上の周波
数帯で使用される高周波半導体デバイスや高周波半導体
集積デバイス（ＭＭＩＣ＝Monolisic Microwave Integr
ated Circuit）は、移動体通信や無線ＬＡＮなどの無線
通信に用いられている。
数帯で使用される高周波半導体デバイスや高周波半導体
集積デバイス（ＭＭＩＣ＝Monolisic Microwave Integr
ated Circuit）は、移動体通信や無線ＬＡＮなどの無線
通信に用いられている。
【０００３】高周波半導体デバイスの中の能動素子とし
ては、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）に代表される化合物半
導体を用いた金属半導体接合型電界効果トランジスタ
（ＭＥＳＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭ
Ｔ）、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、ダイ
オードなどが利用されている。
ては、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）に代表される化合物半
導体を用いた金属半導体接合型電界効果トランジスタ
（ＭＥＳＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭ
Ｔ）、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、ダイ
オードなどが利用されている。
【０００４】これは主にガリウムヒ素などの化合物半導
体では、その電子移動度と電子の飽和速度がシリコンよ
りも大きいこと、格子定数が同じで禁止帯幅の異なる化
合物混晶半導体材料との組み合せによるバンド構造の設
計により、種々のすぐれた特性を有するデバイス構造の
形成が可能であること、半絶縁性基板（非常に電気抵抗
の大きい基板）が得られ、半絶縁性基板自体をマイクロ
ストリップ伝送線路の誘電体層として利用した図３に示
したような構造のＭＭＩＣが作りやすいこと、などの理
由で、シリコンよりもすぐれた高周波デバイスの作製が
可能であることによる。
体では、その電子移動度と電子の飽和速度がシリコンよ
りも大きいこと、格子定数が同じで禁止帯幅の異なる化
合物混晶半導体材料との組み合せによるバンド構造の設
計により、種々のすぐれた特性を有するデバイス構造の
形成が可能であること、半絶縁性基板（非常に電気抵抗
の大きい基板）が得られ、半絶縁性基板自体をマイクロ
ストリップ伝送線路の誘電体層として利用した図３に示
したような構造のＭＭＩＣが作りやすいこと、などの理
由で、シリコンよりもすぐれた高周波デバイスの作製が
可能であることによる。
【０００５】ここでいうマイクロストリップ伝送線路と
は、均一な厚さｔをもつ、誘電率εの絶縁誘電体基板の
裏面全面に接地用金属層を形成し、上面にある幅ｂをも
った金属配線を形成した構造の配線ことをいう。この構
造の配線はマイクロ波やミリ波などの高周波電磁波を伝
送することが出来ることから、伝送線路と呼ばれ、その
性質を表す特性インピーダンスは、絶縁誘電体層の厚さ
ｔ、誘電率ε、上部配線の幅ｂで決まる。このマイクロ
ストリップ伝送線路を基本として、マイクロ波やミリ波
などの高周波電磁波用の種々の受動素子を形成すること
が出来ることが知られている。
は、均一な厚さｔをもつ、誘電率εの絶縁誘電体基板の
裏面全面に接地用金属層を形成し、上面にある幅ｂをも
った金属配線を形成した構造の配線ことをいう。この構
造の配線はマイクロ波やミリ波などの高周波電磁波を伝
送することが出来ることから、伝送線路と呼ばれ、その
性質を表す特性インピーダンスは、絶縁誘電体層の厚さ
ｔ、誘電率ε、上部配線の幅ｂで決まる。このマイクロ
ストリップ伝送線路を基本として、マイクロ波やミリ波
などの高周波電磁波用の種々の受動素子を形成すること
が出来ることが知られている。
【０００６】図３に記載の従来のＭＭＩＣにおいては、
半絶縁性基板１８自体を、このマイクロストリップ伝送
線路２４の誘電体層として利用している。このＭＭＩＣ
においては、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８上にＭＯＣＶＤ
法（有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ法（分子線
エピタキシー法）等で、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、ｎ型
のＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓなどを適宜積層して、例
えばＭＥＳＦＥＴ構造１９を形成したＧａＡｓエピ基板
を用い、ＭＥＳＦＥＴのオーミック電極やゲート電極と
同時に、マイクロストリップ伝送線路によって伝送線路
２４やスパイラルインダクタ２５、キャパシタ２３など
の受動素子構造を形成している。
半絶縁性基板１８自体を、このマイクロストリップ伝送
線路２４の誘電体層として利用している。このＭＭＩＣ
においては、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８上にＭＯＣＶＤ
法（有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ法（分子線
エピタキシー法）等で、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、ｎ型
のＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓなどを適宜積層して、例
えばＭＥＳＦＥＴ構造１９を形成したＧａＡｓエピ基板
を用い、ＭＥＳＦＥＴのオーミック電極やゲート電極と
同時に、マイクロストリップ伝送線路によって伝送線路
２４やスパイラルインダクタ２５、キャパシタ２３など
の受動素子構造を形成している。
【０００７】次に、表面を保護膜で被って、裏面を研磨
し、設計した所定の厚さまで研磨加工した後に、裏面を
接地用金属２６で被覆する。また必要な場合には、裏面
からＧａＡｓ基板をエッチングして、バイアホール２１
を形成し、基板上面との接地をとる場合もある。この場
合、表面に形成されたマイクロストリップ線路２４やス
パイラルインダクタ２５などの伝送線路によって形成さ
れている受動素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８を誘電
体層として使い、裏面の接地用電極２６を対極として使
ったマイクロストリップ構造で形成している。
し、設計した所定の厚さまで研磨加工した後に、裏面を
接地用金属２６で被覆する。また必要な場合には、裏面
からＧａＡｓ基板をエッチングして、バイアホール２１
を形成し、基板上面との接地をとる場合もある。この場
合、表面に形成されたマイクロストリップ線路２４やス
パイラルインダクタ２５などの伝送線路によって形成さ
れている受動素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８を誘電
体層として使い、裏面の接地用電極２６を対極として使
ったマイクロストリップ構造で形成している。
【０００８】これらの、トランジスタ（ここではＭＥＳ
ＦＥＴ１９）などの能動素子以外の働きをする部分を受
動素子と呼が、図３における受動素子以外にも、例えば
バンドパスフィルタ、結合器、分波器、整合用スタブ、
λ／４線路など、多くの受動素子を、マイクロストリッ
プ線路で基板上に構成することができる。
ＦＥＴ１９）などの能動素子以外の働きをする部分を受
動素子と呼が、図３における受動素子以外にも、例えば
バンドパスフィルタ、結合器、分波器、整合用スタブ、
λ／４線路など、多くの受動素子を、マイクロストリッ
プ線路で基板上に構成することができる。
【０００９】この様に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８にモ
ノリシックに複数個の能動素子や、複数個の受動素子な
どを集積化して形成したＭＭＩＣは非常に小型で、かつ
高性能な高周波デバイスであり、移動体通信や無線ＬＡ
Ｎなどの無線通信機器に不可欠なデバイスとなってい
る。
ノリシックに複数個の能動素子や、複数個の受動素子な
どを集積化して形成したＭＭＩＣは非常に小型で、かつ
高性能な高周波デバイスであり、移動体通信や無線ＬＡ
Ｎなどの無線通信機器に不可欠なデバイスとなってい
る。
【００１０】しかしながら、ＧａＡｓなどの化合物半導
体基板には、シリコン基板とくらべて、放熱特性が悪
い、また、重くて脆いために割れやすい、大面積で均一
な特性の基板が得にくく大面積化が困難である、価格が
非常に高い、といった問題点があり、これが高周波半導
体デバイスの高出力化や、高性能化や、低価格化を妨げ
る大きな要因となっている。
体基板には、シリコン基板とくらべて、放熱特性が悪
い、また、重くて脆いために割れやすい、大面積で均一
な特性の基板が得にくく大面積化が困難である、価格が
非常に高い、といった問題点があり、これが高周波半導
体デバイスの高出力化や、高性能化や、低価格化を妨げ
る大きな要因となっている。
【００１１】この化合物半導体がもつ欠点を克服する方
法として、シリコン結晶基板上に化合物半導体層を積層
した積層基板の使用が考えられる。シリコン結晶基板に
は、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板に比べて、放熱特
性が良い、軽く丈夫なため割れにくい、大面積基板が既
に安定的に供給されている、などの長所があることか
ら、このシリコン結晶基板上に化合物半導体層１〜１０
μｍ程度積層したシリコン結晶基板上化合物半導体基板
を用い、その化合物半導体層に能動素子を形成すること
ができれば、前記の、放熱特性が悪い、また、重くて脆
いために割れやすい、大面積で均一な特性の基板が得に
くく大面積化が困難である、価格が非常に高い、といっ
た問題点を解決し、かつ、化合物半導体の、電子移動度
と電子の飽和速度がシリコンよりも大きいこと、格子定
数の同じで禁止帯幅の異なる化合物混晶半導体材料との
組み合せによるバンド構造の設計により、種々のすぐれ
た特性を有すデバイス構造の形成が可能であること、を
活かした高性能な高周波半導体デバイスを実現すること
が可能となると考えられる。
法として、シリコン結晶基板上に化合物半導体層を積層
した積層基板の使用が考えられる。シリコン結晶基板に
は、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板に比べて、放熱特
性が良い、軽く丈夫なため割れにくい、大面積基板が既
に安定的に供給されている、などの長所があることか
ら、このシリコン結晶基板上に化合物半導体層１〜１０
μｍ程度積層したシリコン結晶基板上化合物半導体基板
を用い、その化合物半導体層に能動素子を形成すること
ができれば、前記の、放熱特性が悪い、また、重くて脆
いために割れやすい、大面積で均一な特性の基板が得に
くく大面積化が困難である、価格が非常に高い、といっ
た問題点を解決し、かつ、化合物半導体の、電子移動度
と電子の飽和速度がシリコンよりも大きいこと、格子定
数の同じで禁止帯幅の異なる化合物混晶半導体材料との
組み合せによるバンド構造の設計により、種々のすぐれ
た特性を有すデバイス構造の形成が可能であること、を
活かした高性能な高周波半導体デバイスを実現すること
が可能となると考えられる。
【００１２】しかしながら、シリコン−化合物半導体積
層基板を用いて、図３に示した様なＭＭＩＣを形成する
と、シリコン基板の導電性や、シリコン−ＧａＡｓ界面
の導電性層の存在の為に、伝送線路におけるマイクロ波
の伝送損失が激しくなり、ＭＭＩＣの特性が劣化してし
まうという問題があった。
層基板を用いて、図３に示した様なＭＭＩＣを形成する
と、シリコン基板の導電性や、シリコン−ＧａＡｓ界面
の導電性層の存在の為に、伝送線路におけるマイクロ波
の伝送損失が激しくなり、ＭＭＩＣの特性が劣化してし
まうという問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、前記シリコン結晶基板上に化合物半導体層を積層し
たシリコン−化合物半導体積層基板を用いることによ
り、従来の化合物半導体基板を用いたデバイスにおけ
る、放熱特性が悪い、脆くて重いため割れやすい、大面
積で均一な特性の基板が得にくい、高価格であるといっ
た問題を解決した上に、従来シリコン−化合物半導体積
層基板では実現できなかった高性能な受動素子をシリコ
ン−化合物半導体積層基板上に作成し、ＭＭＩＣなどの
小型高性能な高周波デバイスを提供することである。
は、前記シリコン結晶基板上に化合物半導体層を積層し
たシリコン−化合物半導体積層基板を用いることによ
り、従来の化合物半導体基板を用いたデバイスにおけ
る、放熱特性が悪い、脆くて重いため割れやすい、大面
積で均一な特性の基板が得にくい、高価格であるといっ
た問題を解決した上に、従来シリコン−化合物半導体積
層基板では実現できなかった高性能な受動素子をシリコ
ン−化合物半導体積層基板上に作成し、ＭＭＩＣなどの
小型高性能な高周波デバイスを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の要旨とするところは、シリコン結晶基板上に
化合物半導体層を形成したシリコン−化合物半導体積層
基板上の該化合物半導体層に形成された化合物半導体能
動素子と、該化合物半導体層上に形成された接地電極と
しての金属層と該金属層上に形成された絶縁誘電体層と
該絶縁誘電体層上に形成された金属配線からなるマイク
ロ波伝送線回路からなる受動素子から構成されることを
特徴とする、高周波半導体デバイスにある。さらに、化
合物半導体層がＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導体
であると好適であり、さらに、高周波半導体デバイスと
してはＭＭＩＣが好適である。
の本発明の要旨とするところは、シリコン結晶基板上に
化合物半導体層を形成したシリコン−化合物半導体積層
基板上の該化合物半導体層に形成された化合物半導体能
動素子と、該化合物半導体層上に形成された接地電極と
しての金属層と該金属層上に形成された絶縁誘電体層と
該絶縁誘電体層上に形成された金属配線からなるマイク
ロ波伝送線回路からなる受動素子から構成されることを
特徴とする、高周波半導体デバイスにある。さらに、化
合物半導体層がＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導体
であると好適であり、さらに、高周波半導体デバイスと
してはＭＭＩＣが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】上記課題を解決するための本発明
の実施の形態は、シリコン結晶基板上に化合物半導体層
を形成したシリコン−化合物半導体積層基板上の該化合
物半導体層に形成された化合物半導体素子と、該化合物
半導体層上に形成された接地電極としての金属層と、該
金属層上に形成された絶縁誘電体層と、該絶縁誘電体層
上に形成された金属配線からなるマイクロ波伝送線回路
からなる受動素子から構成されることを特徴とする、高
周波半導体デバイスである。
の実施の形態は、シリコン結晶基板上に化合物半導体層
を形成したシリコン−化合物半導体積層基板上の該化合
物半導体層に形成された化合物半導体素子と、該化合物
半導体層上に形成された接地電極としての金属層と、該
金属層上に形成された絶縁誘電体層と、該絶縁誘電体層
上に形成された金属配線からなるマイクロ波伝送線回路
からなる受動素子から構成されることを特徴とする、高
周波半導体デバイスである。
【００１６】ここで化合物半導体とは、シリコンやゲル
マニウムなどのような単元素からなる半導体材料と異な
り、２種類の元素以上の材料の組み合せからなる化合物
結晶あるいは混晶のうち、半導体的性質を持つ材料の総
称であり、これらの半導体材料のうち異なる材料を積層
して形成した構造を持った半導体層を総称して、化合物
半導体層とよんでいる。
マニウムなどのような単元素からなる半導体材料と異な
り、２種類の元素以上の材料の組み合せからなる化合物
結晶あるいは混晶のうち、半導体的性質を持つ材料の総
称であり、これらの半導体材料のうち異なる材料を積層
して形成した構造を持った半導体層を総称して、化合物
半導体層とよんでいる。
【００１７】この化合物半導体層は、シリコン結晶基板
の上にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）または
ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）等で、化合物半導体
結晶をエピタキシャル成長させた薄膜を目的とする機能
を持った能動素子の構造に適する様に適宜積層して形成
する。
の上にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）または
ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）等で、化合物半導体
結晶をエピタキシャル成長させた薄膜を目的とする機能
を持った能動素子の構造に適する様に適宜積層して形成
する。
【００１８】シリコン−化合物半導体積層基板とは、こ
のようにシリコン結晶基板上に化合物半導体層を形成し
た基板の事である。このシリコン−化合物半導体積層基
板の化合物半導体層には通常の化合物半導体デバイスと
同様なプロセスにより化合物半導体能動素子を形成する
ことが出来る。本発明は、このシリコン−化合物半導体
積層基板の化合物半導体層の上部に接地金属層−絶縁誘
電体層−金属配線層からなるマイクロストリップ伝送線
回路からなる受動素子を形成し、これを化合物半導体層
の化合物半導体能動素子と組み合せることにより、通常
の化合物半導体基板よりも優れたシリコン−化合物半導
体積層基板の特長である、良好な放熱特性、大面積基
板、低価格という特性を活かした、能動素子−受動素子
一体型の、高性能な高周波半導体デバイスである。なお
ここで受動素子とは、付加電源による電力を入力信号に
応じて制御することの出来る能動素子以外の素子の事
で、入力信号を外部付加電力を使わずに変換する素子を
いう。
のようにシリコン結晶基板上に化合物半導体層を形成し
た基板の事である。このシリコン−化合物半導体積層基
板の化合物半導体層には通常の化合物半導体デバイスと
同様なプロセスにより化合物半導体能動素子を形成する
ことが出来る。本発明は、このシリコン−化合物半導体
積層基板の化合物半導体層の上部に接地金属層−絶縁誘
電体層−金属配線層からなるマイクロストリップ伝送線
回路からなる受動素子を形成し、これを化合物半導体層
の化合物半導体能動素子と組み合せることにより、通常
の化合物半導体基板よりも優れたシリコン−化合物半導
体積層基板の特長である、良好な放熱特性、大面積基
板、低価格という特性を活かした、能動素子−受動素子
一体型の、高性能な高周波半導体デバイスである。なお
ここで受動素子とは、付加電源による電力を入力信号に
応じて制御することの出来る能動素子以外の素子の事
で、入力信号を外部付加電力を使わずに変換する素子を
いう。
【００１９】シリコン−化合物半導体積層基板の化合物
半導体層としては、シリコンよりも電子の移動度や電子
飽和速度の大きく高周波半導体デバイスを作製するのに
有利な物性をもつＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導
体が適している。
半導体層としては、シリコンよりも電子の移動度や電子
飽和速度の大きく高周波半導体デバイスを作製するのに
有利な物性をもつＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導
体が適している。
【００２０】ここでＧａＡｓ系半導体とは、ＧａＡｓや
ＡｌＡｓ、またこの両者の任意の割合の混晶であるＡｌ
ＧａＡｓなどのようにＧａＡｓ結晶と格子定数がほぼ同
じで、格子整合が可能な化合物半導体を総称してこのよ
うに呼ぶ。また多少格子定数が異なっていても、厚さが
薄く上下からＧａＡｓ結晶と格子定数がほぼ同じ材料で
挟まれているために格子が本来の値から歪み、ＧａＡｓ
結晶と格子定数がほぼ同じになってしまった、化合物半
導体も広い意味でＧａＡｓ系半導体と呼ぶ。
ＡｌＡｓ、またこの両者の任意の割合の混晶であるＡｌ
ＧａＡｓなどのようにＧａＡｓ結晶と格子定数がほぼ同
じで、格子整合が可能な化合物半導体を総称してこのよ
うに呼ぶ。また多少格子定数が異なっていても、厚さが
薄く上下からＧａＡｓ結晶と格子定数がほぼ同じ材料で
挟まれているために格子が本来の値から歪み、ＧａＡｓ
結晶と格子定数がほぼ同じになってしまった、化合物半
導体も広い意味でＧａＡｓ系半導体と呼ぶ。
【００２１】また、ＩｎＰ系半導体とは、ＧａＡｓより
もやや長い格子定数をもつＩｎＰと結晶と格子定数がほ
ぼ同じで、格子整合が可能な化合物半導体を総称してこ
のように呼ぶ。良く使う材料としては、ＩｎＰ結晶以外
に、ＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同じになるように組成
を調節したＩｎＧａＡｓ（Ｉｎが０．５、Ｇａが０．
５、Ａｓが１．０）などがある。また、ＧａＡｓ系半導
体と同様に、ＩｎＰ結晶と多少格子定数が異なっていて
も、厚さが薄く上下からＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同
じ材料で挟まれているために格子が本来の値から歪み、
ＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同じになってしまった、化
合物半導体も広い意味でＩｎＰ系半導体と呼ぶ。
もやや長い格子定数をもつＩｎＰと結晶と格子定数がほ
ぼ同じで、格子整合が可能な化合物半導体を総称してこ
のように呼ぶ。良く使う材料としては、ＩｎＰ結晶以外
に、ＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同じになるように組成
を調節したＩｎＧａＡｓ（Ｉｎが０．５、Ｇａが０．
５、Ａｓが１．０）などがある。また、ＧａＡｓ系半導
体と同様に、ＩｎＰ結晶と多少格子定数が異なっていて
も、厚さが薄く上下からＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同
じ材料で挟まれているために格子が本来の値から歪み、
ＩｎＰ結晶と格子定数がほぼ同じになってしまった、化
合物半導体も広い意味でＩｎＰ系半導体と呼ぶ。
【００２２】高周波半導体デバイスとして、特に高集積
なデバイスは、通常ＭＭＩＣ（Monolisic Microwave In
tegrated Circuit）と呼ばれ、化合物半導体基板を用い
たＭＭＩＣは移動体通信の高周波用デバイスとして、そ
の小型化、高性能化に有利である事から、広く使われ始
めている。本発明は、シリコン−化合物半導体積層基板
を用いてＭＭＩＣ構造を実現した、高周波半導体デバイ
スである。
なデバイスは、通常ＭＭＩＣ（Monolisic Microwave In
tegrated Circuit）と呼ばれ、化合物半導体基板を用い
たＭＭＩＣは移動体通信の高周波用デバイスとして、そ
の小型化、高性能化に有利である事から、広く使われ始
めている。本発明は、シリコン−化合物半導体積層基板
を用いてＭＭＩＣ構造を実現した、高周波半導体デバイ
スである。
【００２３】
【実施例】以下実施例をあげて、本発明を詳細に説明す
る。
る。
【００２４】図１の高周波半導体デバイスは、シリコン
−化合物半導体積層基板上の化合物半導体層２に能動素
子としてトランジスタの一つであるＭＥＳＦＥＴ８、
９、１０を形成した例を示したものである。
−化合物半導体積層基板上の化合物半導体層２に能動素
子としてトランジスタの一つであるＭＥＳＦＥＴ８、
９、１０を形成した例を示したものである。
【００２５】形成する能動素子としては、この実施例の
ＭＥＳＦＥＴ以外にも、ＨＥＭＴやＨＢＴ、ダイオード
など種々の化合物半導体能動素子が考えられる。ＭＥＳ
ＦＥＴは、ソース３、ゲート８、ドレイン９から出来て
いる。ここで化合物半導体層２とは、シリコン単結晶や
ゲルマニウム単結晶などのような単元素からなる半導体
材料と異なり、２種類の元素以上の材料の組み合せから
なる化合物結晶あるいは混晶のうち、半導体的性質を持
つ材料の総称であり、またさらに、これらの半導体材料
のうち異なるものを積層して形成した構造を持つ半導体
積層材料を総称して、化合物半導体層２とよんでいる。
ＭＥＳＦＥＴ以外にも、ＨＥＭＴやＨＢＴ、ダイオード
など種々の化合物半導体能動素子が考えられる。ＭＥＳ
ＦＥＴは、ソース３、ゲート８、ドレイン９から出来て
いる。ここで化合物半導体層２とは、シリコン単結晶や
ゲルマニウム単結晶などのような単元素からなる半導体
材料と異なり、２種類の元素以上の材料の組み合せから
なる化合物結晶あるいは混晶のうち、半導体的性質を持
つ材料の総称であり、またさらに、これらの半導体材料
のうち異なるものを積層して形成した構造を持つ半導体
積層材料を総称して、化合物半導体層２とよんでいる。
【００２６】この化合物半導体層２は均一組成の物質の
場合もあるが、通常、単純なＭＥＳＦＥＴの場合でも、
下部にバッファ層としての半導体層の積層構造が形成さ
れ、その上に能動素子の活性半導体層（ＭＥＳＦＥＴの
場合はチャネル）が形成された積層構造としている。ま
た、ＨＥＭＴやＨＢＴなどを形成する場合には、あらか
じめシリコン−化合物半導体積層基板を作製する段階
で、化合物半導体層２にそのための多層構造（ＨＥＭＴ
構造やＮＰＮ構造）を形成したシリコン−化合物半導体
積層基板を使用する。
場合もあるが、通常、単純なＭＥＳＦＥＴの場合でも、
下部にバッファ層としての半導体層の積層構造が形成さ
れ、その上に能動素子の活性半導体層（ＭＥＳＦＥＴの
場合はチャネル）が形成された積層構造としている。ま
た、ＨＥＭＴやＨＢＴなどを形成する場合には、あらか
じめシリコン−化合物半導体積層基板を作製する段階
で、化合物半導体層２にそのための多層構造（ＨＥＭＴ
構造やＮＰＮ構造）を形成したシリコン−化合物半導体
積層基板を使用する。
【００２７】図１の例において、シリコン結晶基板１上
の化合物半導体積層２の上には接地電極３が形成されて
おり、これはＭＥＳＦＥＴ１０のソース電極も兼ねてい
る。またゲート電極８、ドレイン電極９の各電極に上層
のマイクロストリップ伝送線路５、６が接続している。
このゲート電極８やドレイン電極９がつながっているマ
イクロストリップ伝送線路５、６の下側には絶縁誘電体
層４を挟んでソース電極兼接地電極３が存在する構造に
なっており、これと上層のマイクロストリップ伝送線路
５、６が対となって高周波電磁波の伝送線路を形成して
いる。この絶縁誘電体層４の材質としては、誘電率が低
く、絶縁性が良く、誘電損失が小さく、また形成（成膜
やパターニング）しやすい、表面の平坦性や厚みの均一
加工性が良いことが必要である。具体的にはＰＣＶＤな
どで作製するＳｉＯ2 などの無機絶縁材料や、スピンコ
ーティングとベイキングで形成するＢＣＢ膜（benzo-cy
clo-butene）やポリイミド膜などの有機絶縁材料を利用
して形成する。なお、保護膜１１も、絶縁性材料で形成
している。
の化合物半導体積層２の上には接地電極３が形成されて
おり、これはＭＥＳＦＥＴ１０のソース電極も兼ねてい
る。またゲート電極８、ドレイン電極９の各電極に上層
のマイクロストリップ伝送線路５、６が接続している。
このゲート電極８やドレイン電極９がつながっているマ
イクロストリップ伝送線路５、６の下側には絶縁誘電体
層４を挟んでソース電極兼接地電極３が存在する構造に
なっており、これと上層のマイクロストリップ伝送線路
５、６が対となって高周波電磁波の伝送線路を形成して
いる。この絶縁誘電体層４の材質としては、誘電率が低
く、絶縁性が良く、誘電損失が小さく、また形成（成膜
やパターニング）しやすい、表面の平坦性や厚みの均一
加工性が良いことが必要である。具体的にはＰＣＶＤな
どで作製するＳｉＯ2 などの無機絶縁材料や、スピンコ
ーティングとベイキングで形成するＢＣＢ膜（benzo-cy
clo-butene）やポリイミド膜などの有機絶縁材料を利用
して形成する。なお、保護膜１１も、絶縁性材料で形成
している。
【００２８】作製手順としては、シリコン−化合物半導
体積層基板上に、通常の化合物半導体素子製造プロセス
により目的とする１個または複数個の化合物半導体能動
素子１０、（ここではＭＥＳＦＥＴ）、ゲート電極８、
ドレイン電極９を形成し、次に、この化合物半導体能動
素子を形成したシリコン−化合物半導体積層基板上に接
地電極層となる金属層３を形成する。このとき、通常
は、化合物半導体能動素子１０の部分には金属層が直接
付着しないように事前に保護膜を形成しておく。
体積層基板上に、通常の化合物半導体素子製造プロセス
により目的とする１個または複数個の化合物半導体能動
素子１０、（ここではＭＥＳＦＥＴ）、ゲート電極８、
ドレイン電極９を形成し、次に、この化合物半導体能動
素子を形成したシリコン−化合物半導体積層基板上に接
地電極層となる金属層３を形成する。このとき、通常
は、化合物半導体能動素子１０の部分には金属層が直接
付着しないように事前に保護膜を形成しておく。
【００２９】次に接地電極用金属層３の上に絶縁誘電体
層４を設計した必要膜厚だけ形成する。絶縁誘電体層４
には必要に応じて、化合物半導体能動素子や接地電極と
電気的に接続するためのコンタクトホールを形成する。
コンタクトホールの形成は通常フォトリソとエッチング
（ドライまたはウェット）により行なう。
層４を設計した必要膜厚だけ形成する。絶縁誘電体層４
には必要に応じて、化合物半導体能動素子や接地電極と
電気的に接続するためのコンタクトホールを形成する。
コンタクトホールの形成は通常フォトリソとエッチング
（ドライまたはウェット）により行なう。
【００３０】次に絶縁誘電体層４の上部にある配線金属
層５、６、７を形成してからこれを設計通りに加工し
て、受動素子や、入出力用のボンディングパッドなどを
形成する。保護層が必要な場合には、上部金属層５、
６、７の上に保護膜１１を形成する。ただし、この保護
膜１１も、先の絶縁誘電体層４と同様に、使用する周波
数範囲での誘電損失を小さくするために、誘電率が出来
るだけ小さく、電気抵抗が大きい必要がある。また、保
護膜層の誘電率によりマイクロストリップラインなどの
転送線路の特性インピーダンスなどの数値も変わるの
で、あらかじめ保護膜の特性による影響を考慮した設計
でマイクロストリップ構造を形成しておくことが必要と
なる。
層５、６、７を形成してからこれを設計通りに加工し
て、受動素子や、入出力用のボンディングパッドなどを
形成する。保護層が必要な場合には、上部金属層５、
６、７の上に保護膜１１を形成する。ただし、この保護
膜１１も、先の絶縁誘電体層４と同様に、使用する周波
数範囲での誘電損失を小さくするために、誘電率が出来
るだけ小さく、電気抵抗が大きい必要がある。また、保
護膜層の誘電率によりマイクロストリップラインなどの
転送線路の特性インピーダンスなどの数値も変わるの
で、あらかじめ保護膜の特性による影響を考慮した設計
でマイクロストリップ構造を形成しておくことが必要と
なる。
【００３１】次に実施例の上面図、図２により本発明を
詳細に説明する。本実施例はシリコン−化合物半導体積
層基板を応用したＭＭＩＣの例であり、シリコン基板の
上に化合物半導体層を積層して作製したシリコン−化合
物半導体積層基板上の該化合物半導体層に形成した２つ
のＭＥＳＦＥＴと、その上部に形成した入出力用伝送線
路１５、バイアス回路用インダクタ１６、整合回路用ス
タブ１４、バイパスコンデンサ用絶縁膜１２、入出力
（ゲートとドレイン）用ボンディングパッド電極１３、
ソース用ボンディングパッド電極１７から構成されてい
る。
詳細に説明する。本実施例はシリコン−化合物半導体積
層基板を応用したＭＭＩＣの例であり、シリコン基板の
上に化合物半導体層を積層して作製したシリコン−化合
物半導体積層基板上の該化合物半導体層に形成した２つ
のＭＥＳＦＥＴと、その上部に形成した入出力用伝送線
路１５、バイアス回路用インダクタ１６、整合回路用ス
タブ１４、バイパスコンデンサ用絶縁膜１２、入出力
（ゲートとドレイン）用ボンディングパッド電極１３、
ソース用ボンディングパッド電極１７から構成されてい
る。
【００３２】ＭＥＳＦＥＴのソース電極３はソース電極
兼接地電極層１７と同じ層で、化合物半導体層の上に形
成されている。絶縁誘電体層４は、ソース電極兼接地電
極層１７のほぼ全面に形成されているが、ソースのボン
ディング用のパッド部分１７と、伝送線路とゲート、伝
送線路とドレインを接続する部分の絶縁誘電体層４は、
微細加工により除去する。
兼接地電極層１７と同じ層で、化合物半導体層の上に形
成されている。絶縁誘電体層４は、ソース電極兼接地電
極層１７のほぼ全面に形成されているが、ソースのボン
ディング用のパッド部分１７と、伝送線路とゲート、伝
送線路とドレインを接続する部分の絶縁誘電体層４は、
微細加工により除去する。
【００３３】絶縁誘電体層４の上には、マイクロストリ
ップ構造からなる伝送線路１４、１５、１６を形成す
る。この時マイクロストリップ線路１５の特性インピー
ダンスは、主にこの伝送線路の幅ｂと絶縁誘電体層の誘
電率εとその厚さｔから決まるので、あらかじめ設計し
た通りの幅に正確に形成加工する。また、整合回路用の
マイクロストリップ線路スタブ構造１４や、バイパス回
路の高周波カット用インダクタ１６なども、設計に基づ
いて所定の特性になるように形成する。ここで、高周波
カット用インダクタ１６の交差部分の形成には、通常の
ＭＭＩＣ等で用いられているエアブリッジ構造などを応
用し、交差部分の容量結合を低減する。キャパシタの形
成には、伝送線路電極の上に、誘電率の高い絶縁膜１２
を薄く成膜し、その上にさらにキャパシタの対向電極層
１３を形成する。
ップ構造からなる伝送線路１４、１５、１６を形成す
る。この時マイクロストリップ線路１５の特性インピー
ダンスは、主にこの伝送線路の幅ｂと絶縁誘電体層の誘
電率εとその厚さｔから決まるので、あらかじめ設計し
た通りの幅に正確に形成加工する。また、整合回路用の
マイクロストリップ線路スタブ構造１４や、バイパス回
路の高周波カット用インダクタ１６なども、設計に基づ
いて所定の特性になるように形成する。ここで、高周波
カット用インダクタ１６の交差部分の形成には、通常の
ＭＭＩＣ等で用いられているエアブリッジ構造などを応
用し、交差部分の容量結合を低減する。キャパシタの形
成には、伝送線路電極の上に、誘電率の高い絶縁膜１２
を薄く成膜し、その上にさらにキャパシタの対向電極層
１３を形成する。
【００３４】以上のように、上記の実施例で示した回路
以外でも、絶縁誘電体層４の上のマイクロストリップ線
路を用いれば、ほとんど全てのマイクロストリップ型の
受動素子を形成することができるので、これを化合物半
導体層の化合物半導体能動素子と組み合せれば、シリコ
ン−化合物半導体層積層基板をもちいて、高周波で利用
される高周波半導体デバイスや、高周波半導体集積デバ
イスであるＭＭＩＣを自由に形成することが可能とな
る。
以外でも、絶縁誘電体層４の上のマイクロストリップ線
路を用いれば、ほとんど全てのマイクロストリップ型の
受動素子を形成することができるので、これを化合物半
導体層の化合物半導体能動素子と組み合せれば、シリコ
ン−化合物半導体層積層基板をもちいて、高周波で利用
される高周波半導体デバイスや、高周波半導体集積デバ
イスであるＭＭＩＣを自由に形成することが可能とな
る。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコン基板の上に化合物半導体の積層構造を形成した
シリコン−化合物半導体積層基板を用いて、その特長を
充分に活かしたまま、複雑な受動素子も基板上に作製す
る事も可能となり、安価で高性能な高周波デバイスを容
易に実現することができる。
シリコン基板の上に化合物半導体の積層構造を形成した
シリコン−化合物半導体積層基板を用いて、その特長を
充分に活かしたまま、複雑な受動素子も基板上に作製す
る事も可能となり、安価で高性能な高周波デバイスを容
易に実現することができる。
【図１】 本発明を適用した半導体デバイスであるＭＥ
ＳＦＥＴの構成例を示す断面図である。
ＳＦＥＴの構成例を示す断面図である。
【図２】 本発明を適用した半導体デバイスであるＭＭ
ＩＣの構成例を示す平面図である。
ＩＣの構成例を示す平面図である。
【図３】 従来のＭＭＩＣの構造例の一部を示す斜視図
である。
である。
１…シリコン結晶基板 ２…化合物半導体層 ３…接地電極用金属層（兼ソース電極） ４…絶縁誘電体層 ５…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（ゲート
に接続） ６…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（ドレイ
ンに接続） ７…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（ソース
に接続） ８…ゲート電極 ９…ドレイン電極 １０…化合物半導体素子 １１…保護膜 １２…キャパシタ用誘電体層（高誘電率材料） １３…ボンディングパッド用金属層（兼キャパシタ） １４…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（整合
用スタブ） １５…マイクロ波伝送線路回路（伝送線路用マイクロス
トリップライン） １６…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（チョ
ーク用インダクタ） １７…接地電極用金属層（兼ボンディングパッド） １８…半絶縁性ＧａＡｓ半導体基板 １９…化合物半導体層（ＭＥＳＦＥＴ、能動素子） ２０…薄膜抵抗素子（ＭＥＳＦＥＴ、受動素子） ２１…接地用バイアホール ２２…ＭＩＭ構造キャパシタ（受動素子） ２３…コプレーナ構造キャパシタ（受動素子） ２４…マイクロストリップ伝送線路 ２５…スパイラルインダクター（受動素子） ２６…接地用裏面金属層（２層構造）
に接続） ６…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（ドレイ
ンに接続） ７…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（ソース
に接続） ８…ゲート電極 ９…ドレイン電極 １０…化合物半導体素子 １１…保護膜 １２…キャパシタ用誘電体層（高誘電率材料） １３…ボンディングパッド用金属層（兼キャパシタ） １４…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（整合
用スタブ） １５…マイクロ波伝送線路回路（伝送線路用マイクロス
トリップライン） １６…マイクロ波伝送線路回路からなる受動素子（チョ
ーク用インダクタ） １７…接地電極用金属層（兼ボンディングパッド） １８…半絶縁性ＧａＡｓ半導体基板 １９…化合物半導体層（ＭＥＳＦＥＴ、能動素子） ２０…薄膜抵抗素子（ＭＥＳＦＥＴ、受動素子） ２１…接地用バイアホール ２２…ＭＩＭ構造キャパシタ（受動素子） ２３…コプレーナ構造キャパシタ（受動素子） ２４…マイクロストリップ伝送線路 ２５…スパイラルインダクター（受動素子） ２６…接地用裏面金属層（２層構造）
Claims (3)
- 【請求項１】 シリコン結晶基板上に化合物半導体層を
形成したシリコン−化合物半導体積層基板上の該化合物
半導体層に形成された化合物半導体素子と、該化合物半
導体層上に形成された接地電極としての金属層と、該金
属層上に形成された絶縁誘電体層と、該絶縁誘電体層上
に形成された金属配線からなるマイクロ波伝送線回路か
らなる受動素子から構成されることを特徴とする、高周
波半導体デバイス。 - 【請求項２】 前記化合物半導体層がＧａＡｓ系半導体
またはＩｎＰ系半導体であることを特徴とする請求項１
記載の高周波半導体デバイス。 - 【請求項３】 前記高周波半導体デバイスが、ＭＭＩＣ
（Monolisic Microwave Integrated Circuit）であるこ
とを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波半
導体デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9097265A JPH10289979A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 高周波半導体デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9097265A JPH10289979A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 高周波半導体デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10289979A true JPH10289979A (ja) | 1998-10-27 |
Family
ID=14187715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9097265A Withdrawn JPH10289979A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 高周波半導体デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10289979A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002001641A1 (fr) * | 2000-06-27 | 2002-01-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif semi-conducteur |
| KR20020070739A (ko) * | 2001-03-03 | 2002-09-11 | 삼성전자 주식회사 | 단일 칩 고주파 집적회로 및 그 제조 방법 |
| JP2010098251A (ja) * | 2008-10-20 | 2010-04-30 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| US20120319170A1 (en) * | 2010-02-26 | 2012-12-20 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Electronic device and method for producing electronic device |
| US8766445B2 (en) | 2011-10-12 | 2014-07-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device |
| CN111313846A (zh) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 恩智浦美国有限公司 | 用于提供偏置信号与rf信号的隔离的系统和方法 |
-
1997
- 1997-04-15 JP JP9097265A patent/JPH10289979A/ja not_active Withdrawn
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002001641A1 (fr) * | 2000-06-27 | 2002-01-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif semi-conducteur |
| EP1231640A1 (en) * | 2000-06-27 | 2002-08-14 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US6674131B2 (en) | 2000-06-27 | 2004-01-06 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor power device for high-temperature applications |
| EP1231640A4 (en) * | 2000-06-27 | 2008-10-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | SEMICONDUCTOR COMPONENT |
| KR20020070739A (ko) * | 2001-03-03 | 2002-09-11 | 삼성전자 주식회사 | 단일 칩 고주파 집적회로 및 그 제조 방법 |
| JP2010098251A (ja) * | 2008-10-20 | 2010-04-30 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| US20120319170A1 (en) * | 2010-02-26 | 2012-12-20 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Electronic device and method for producing electronic device |
| US8878250B2 (en) * | 2010-02-26 | 2014-11-04 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Electronic device and method for producing electronic device |
| US8766445B2 (en) | 2011-10-12 | 2014-07-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device |
| CN111313846A (zh) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 恩智浦美国有限公司 | 用于提供偏置信号与rf信号的隔离的系统和方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040706 |