半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置，其具有高破壞耐量。半導(dǎo)體裝置具備：第1元件，其是由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的常導(dǎo)通型的晶體管；第2元件，其與所述第1元件串聯(lián)連接，是源極-漏極間的耐壓低于所述第1元件的晶體管；第1二極管，其在所述第1元件或所述第2元件的柵極與所述第1元件的漏極之間按照陰極與所述漏極側(cè)連接的方式連接，并且具有規(guī)定的雪崩耐壓；和第1電阻，其與連接了所述第1二極管的所述柵極連接，其中，所述第1二極管的雪崩耐壓低于所述第1元件的破壞電壓。
【專利說明】
半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，在高頻設(shè)備用半導(dǎo)體元件中，作為半導(dǎo)體材料使用氮化物系化合物半導(dǎo)體，例如使用氮化鎵(GaN)系化合物半導(dǎo)體(以下稱為GaN系半導(dǎo)體元件)。在GaN系半導(dǎo)體元件中，在半導(dǎo)體基板的表面，例如使用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(M0CVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposit1n)法設(shè)置緩沖層和 GaN 慘雜層。最近，除了高頻用途以外，基于還能應(yīng)用在電力用的功率設(shè)備這樣的認(rèn)識(shí)，還進(jìn)行高耐壓、處置大電流的設(shè)備的研究。
[0003]作為GaN系半導(dǎo)體元件的一種，有高電子遷移率晶體管(HEMT:High ElectronMobility Transistor)。HEMT例如具有層疊GaN層和氮化鋁鎵(AlGaN)層的構(gòu)成。在GaN層與 AlGaN層的界面產(chǎn)生二維電子氣(2DEG:Two Dimens1nal Electron Gas)。該 2DEG 能通過調(diào)整AlGaN層的Al組成比和層厚來控制其載流子濃度。在HEMT中，2DEG層成為流過電流的路徑。并且，在HEMT中，在AlGaN層的表面的一部分配置相對(duì)于AlGaN層具有肖特基特性的柵極電極，通過柵極電壓的控制來進(jìn)行由2DEG層構(gòu)成的路徑的導(dǎo)通截止。在HEMT中，將在柵極電壓為OV時(shí)源極-漏極間導(dǎo)通的類型稱作常導(dǎo)通型。另一方面將在柵極電壓為OV時(shí)源極-漏極間為非導(dǎo)通、在使柵極電壓為正電壓時(shí)導(dǎo)通的類型稱作常截止型。下面，將由GaN系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的HEMT等稱作GaN-HEMT等。
[0004]在應(yīng)用電路中使用的元件中，出于應(yīng)用電路的安全動(dòng)作的觀點(diǎn)，有時(shí)期望常截止型。為了使HEMT為常截止型，存在如下技術(shù):在柵極電極的正下方注入氟等的離子或進(jìn)行等離子體照射來部分地消除2DEG層，或者通過蝕刻等使柵極電極正下方的AlGaN層的厚度部分地變薄。另外，為了防止柵極泄漏，有時(shí)還在柵極電極下加上絕緣膜。在常截止型的HEMT中，在柵極為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若對(duì)源極-漏極間施加電壓，則從柵極端起2DEG層耗盡化，從而能維持高耐壓。因此，由于HEMT作為大電力用的高耐壓的半導(dǎo)體元件發(fā)揮功能，因此，近年來，作為高頻、高效率的電力用半導(dǎo)體元件開發(fā)進(jìn)展盛行。另外，使用2DEG層作為導(dǎo)通層的高耐壓肖特基勢(shì)魚二極管(Schottky Barrier D1de:SBD)也同樣在開發(fā)中。
[0005]由于作為電力用半導(dǎo)體元件使用，因此如上述那樣以高速動(dòng)作，導(dǎo)通電阻低是較大的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，在電力用半導(dǎo)體元件中要求即使加上各種負(fù)載也不會(huì)破壞的較高的可靠性。在半導(dǎo)體元件的基本特性中有雪崩耐量(雪崩耐壓)。雪崩耐量表示如下的耐量:即使對(duì)元件施加雪崩耐量以上的電壓而源極-漏極間因雪崩擊穿而擊穿，直到規(guī)定的電流為止也不會(huì)損壞。例如，在非專利文獻(xiàn)I中，使用GaN-HEMT調(diào)查被稱作TLP(Transmiss1nline pulser)測(cè)定的、施加短時(shí)間的電壓應(yīng)力時(shí)的電流電壓特性。此時(shí)，GaN-HEMT在某電壓下急劇地產(chǎn)生負(fù)電阻，之后不發(fā)生雪崩破壞而破壞，認(rèn)為雪崩耐量低。
[0006]作為GaN-HEMT的其它的課題，能舉出被稱作崩塌(collapse)的現(xiàn)象。崩塌是若對(duì)元件施加高電壓，則正向電阻上升到初始值的例如數(shù)倍程度的現(xiàn)象。若產(chǎn)生崩塌，則元件中的電力損耗便會(huì)增加。
[0007]非專利文獻(xiàn)
[0008]非專利文獻(xiàn)1:J.Kuzmik et al.,“Electrostatic discharge effects inAlGaN / GaN high-electron-mobility transistors，，，Applied Physics Letters,Vol.83，N0.22，2003，pp.4655-4657.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明鑒于上述問題而提出，目的在于提供具有高破壞耐量的半導(dǎo)體裝置。
[0010]為了解決上述課題，達(dá)成目的，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的特征在于具備:第I元件，其是由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的常導(dǎo)通型的晶體管；第2元件，其與所述第I元件串聯(lián)連接，是源極-漏極間的耐壓低于所述第I元件的晶體管；第I 二極管，其在所述第I元件或所述第2元件的柵極與所述第I元件的漏極之間按照陰極與所述漏極側(cè)連接的方式進(jìn)行連接，并且具有規(guī)定的雪崩耐壓；和第I電阻，其與連接了所述第I 二極管的所述柵極連接，其中，所述第I二極管的雪崩耐壓低于所述第I元件的破壞電壓。
[0011]發(fā)明效果
[0012]根據(jù)本發(fā)明，起到了能夠?qū)崿F(xiàn)具有高破壞耐量的半導(dǎo)體裝置的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。
[0014]圖2是構(gòu)成圖1所示的半導(dǎo)體裝置的第I元件即HEMT的示意截面圖。
[0015]圖3是說明圖1所示的半導(dǎo)體裝置的特性的圖。
[0016]圖4是實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。
[0017]圖5是實(shí)施方式3所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。
[0018]圖6是在芯片上形成二極管的情況下的構(gòu)成圖。
[0019]圖7是圖6的A-A線截面圖。
[0020]圖8是實(shí)施方式4所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。
[0021]圖9是表示應(yīng)力電壓與崩塌的關(guān)系的圖。
[0022]符號(hào)說明
[0023]I第I元件
[0024]la、2a源極電極
[0025]lb、2b柵極電極
[0026]lc,2c漏極電極
[0027]Id、1005 基板
[0028]Ie緩沖層
[0029]If GaN 層
[0030]Ifa 2DEG 層
[0031]Ig AlGaN 層
[0032]Ih鈍化膜
[0033]2、13 第 2 元件
[0034]3第I 二極管
[0035]3a、5a、7a、8a、9a、10a、11a、13a 陽極電極
[0036]3b、5b、7b、8b、9b、10b、lib、13b 陰極電極
[0037]3APN 結(jié)二極管
[0038]4第I電阻
[0039]5、8、9、10、11 保護(hù)用二極管
[0040]6第2電阻
[0041]7第2 二極管
[0042]12第3電阻
[0043]100、200、300、400 半導(dǎo)體裝置
[0044]1000 芯片
[0045]1001 活性部
[0046]1002源極焊盤
[0047]1003柵極焊盤
[0048]1004漏極焊盤
[0049]1006氮化物系化合物半導(dǎo)體層
[0050]1007 絕緣膜
[0051]A陽極端子
[0052]C陰極端子
[0053]D漏極端子
[0054]G柵極端子
[0055]S源極端子

【具體實(shí)施方式】
[0056]下面，參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施方式。另外，并非通過本實(shí)施方式來限定本發(fā)明。另外，在各附圖中，對(duì)相同或?qū)?yīng)的要素適當(dāng)標(biāo)注相同的符號(hào)。進(jìn)而，附圖是示意性的圖，需要留意的是，各要素的尺寸關(guān)系等有與現(xiàn)實(shí)不同的情況。在附圖相互之間，也有包含相互的尺寸關(guān)系或比例不同的部分的情況。
[0057]在非專利文獻(xiàn)I中公開了 GaN-HEMT的特性。本發(fā)明的
【發(fā)明者】們對(duì)GaN-SBD進(jìn)行了與非專利文獻(xiàn)I相同的TLP測(cè)定，與非專利文獻(xiàn)I的情況相同，確認(rèn)到急劇的負(fù)電阻特性，不雪崩破壞，幾乎是瞬時(shí)破壞。
[0058]大電流元件由于設(shè)備尺寸比較大，因此，若有這樣的負(fù)電阻特性，則在相對(duì)于整體的大小非常微小的區(qū)域集中龐大的電流，從而導(dǎo)致瞬時(shí)破壞。例如，在元件中，作為靜電(ESD electrostatic discharge)耐量,要求即使短時(shí)間對(duì)元件施加過電壓也不會(huì)損壞,但在雪崩耐量低的上述特性中難以確保充分的ESD耐量。
[0059]圖9是表示GaN-HEMT中的應(yīng)力電壓和崩塌的關(guān)系的圖。橫軸表示源極_漏極間的應(yīng)力電壓，縱軸表示崩塌的程度。在此，崩塌的程度例如用由于崩塌而增加的正向電阻相對(duì)于正向電阻的初始值的比來表征。
[0060]如圖9所示，若應(yīng)力電壓增加，則在某電壓Vl下崩塌急劇增大。將這樣的電壓Vl稱作崩塌增大電壓。另外，若應(yīng)力電壓進(jìn)一步增加，則在破壞電壓V2元件破壞。在GaN-HEMT中，若由于浪涌或靜電而使得施加高于崩塌增大電壓Vl的過電壓，則崩塌急劇增大，若施加更高的過電壓，則不雪崩破壞而在破壞電壓V2瞬時(shí)破壞。
[0061]與此相對(duì)，以下說明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置由于能抑制由崩塌引起的電阻的增大并具有高的破壞耐量，因此成為可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
[0062](實(shí)施方式I)
[0063]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。如圖1所示，半導(dǎo)體裝置100具備--第I元件1、第2元件2、第I 二極管3、第I電阻4、保護(hù)用二極管5、源極端子S、柵極端子G和漏極端子D。
[0064]第I元件I是由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的常導(dǎo)通型的HEMT，具備:源極電極la、柵極電極Ib以及漏極電極lc。圖2是表示第I元件I即HEMT的示意截面圖。如圖2所示，第I元件I例如具有在由硅構(gòu)成的基板Id上依次層疊由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層le、作為電子渡越層的GaN層If、作為電子提供層的帶隙(bandgap)寬于GaN的AlGaN層Ig的結(jié)構(gòu)。在AlGaN層Ig上形成與AlGaN層Ig肖特基接觸的柵極電極lb、與AlGaN層Ig歐姆接觸的源極電極la、漏極電極lc。源極電極Ia和漏極電極Ic夾著柵極電極Ib配置。未形成源極電極la、柵極電極Ib以及漏極電極Ic的AlGaN層Ig的表面區(qū)域例如通過由SiN構(gòu)成的鈍化(passivat1n)膜Ih保護(hù)。
[0065]在GaN層If的與AlGaN層Ig的界面形成有2DEG層lfa。由此，作為第I元件I的HEMT作為常導(dǎo)通型的HEMT動(dòng)作。在此，第I元件I是源極-漏極間的耐壓為例如200V以上的高耐壓元件。
[0066]第2兀件2例如是由娃系半導(dǎo)體材料構(gòu)成的MOS(Metal Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體)型的FET(Field Effect Transistor,場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等的晶體管,具備:源極電極2a、柵極電極2b以及漏極電極2c。第2元件2是源極-漏極間的耐壓為例如50V以下、耐壓低于第I元件的低耐壓元件。漏極電極2c與第I元件I的源極電極Ia連接。即，第I元件I與第2元件2串聯(lián)連接。
[0067]第I 二極管3具備陽極電極3a和陰極電極3b，在第I元件I的柵極電極Ib和漏極電極Ic之間按照陰極電極3b連接在漏極電極Ic側(cè)的方式連接。第I 二極管3例如是具有600V程度的規(guī)定的雪崩耐壓的二極管。第I 二極管3是PN結(jié)二極管或肖特基二極管，但并沒有特別的限定。
[0068]柵極電阻即第I電阻4連接在第I 二極管3所連接的柵極電極即第I元件I的柵極電極lb、和第2元件2的源極電極2a之間。如此，該半導(dǎo)體裝置100包含串聯(lián)連接第I元件I和第2元件2、且連接第I元件I的柵極電極Ib和第2元件2的源極電極2a的級(jí)聯(lián)連接結(jié)構(gòu)。
[0069]保護(hù)用二極管5具備陽極電極5a和陰極電極5b，在第I元件的柵極電極Ib和源極電極Ia之間按照陰極電極5b與源極電極Ia側(cè)連接的方式連接。
[0070]源極端子S與第2元件2的源極電極2a連接，柵極端子G與第2元件2的柵極電極2b連接，漏極端子D與第I元件I的漏極電極Ic連接。源極端子S、柵極端子G以及漏極端子D作為該半導(dǎo)體裝置100整體的端子與外部連接。例如，柵極端子G與外部的柵極驅(qū)動(dòng)電路連接。
[0071]說明該半導(dǎo)體裝置100的動(dòng)作。首先，說明在源極端子S-漏極端子D間施加正向電壓的情況。在未對(duì)柵極端子G施加?xùn)艠O電壓的狀態(tài)下，由于第2元件2為截止?fàn)顟B(tài)，因此不在源極端子S-漏極端子D間流過電流，該半導(dǎo)體裝置100為截止?fàn)顟B(tài)。接下來，若對(duì)柵極端子G施加閾值以上的柵極電壓，則第2元件2成為導(dǎo)通狀態(tài)，在源極端子S-漏極端子D間流過電流。如此，該半導(dǎo)體裝置100作為常截止型的FET動(dòng)作。
[0072]接下來說明在半導(dǎo)體裝置100的源極端子S-漏極端子D間施加反向電壓的情況。若反向電壓不斷提高，則在第I 二極管3的陽極電極3a-陰極電極3b間也施加反向電壓。之后，若第I 二極管3的陽極-陰極間電壓超過雪崩耐壓，則第I 二極管3擊穿而從陰極電極3b向陽極電極3a流過雪崩電流。該雪崩電流也流過作為柵極電阻的第I電阻4。于是，由于第I電阻而產(chǎn)生電壓降，對(duì)第I元件I的柵極電極Ib施加?xùn)艠O電壓。如柵極電壓成為閾值以上，則第I元件成為導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，由于保護(hù)用二極管5連接在柵極電極Ib和源極電極Ia之間，因此，不在柵極電極Ib流過正向電流。
[0073]若如此第I元件I成為導(dǎo)通狀態(tài)，則施加在第2元件2的源極-漏極間的反向電壓提高，第2元件2的源極-漏極間擊穿，從而在源極-漏極間流過電流。其結(jié)果，在第I元件I的源極-漏極間不能再施加這以上的反向電壓。
[0074]在此，在該半導(dǎo)體裝置100中，第I 二極管3的雪崩耐壓設(shè)定得低于第I元件I的破壞電壓，且低于崩塌增大電壓。其結(jié)果，即使對(duì)半導(dǎo)體裝置100施加反向電壓，也會(huì)在對(duì)第I元件I施加高于崩塌增大電壓的電壓前第I 二極管3擊穿，進(jìn)而第2元件2擊穿，從而不能再在第I元件I的源極-漏極間施加高于崩塌增大電壓的反向電壓。
[0075]圖3是說明半導(dǎo)體裝置100的特性的圖。橫軸表示漏極電壓，縱軸表示漏極電流。區(qū)域S表示第I元件I的崩塌增大的區(qū)域。VBl表示第I元件的破壞電壓，VB2表示第I 二極管3的雪崩耐壓，VB3表示第I元件的崩塌增大電壓。
[0076]假設(shè)在沒有第I 二極管3的情況下，若對(duì)半導(dǎo)體裝置100的源極端子S-漏極端子D間施加反向電壓，則漏極電壓到達(dá)第I元件的崩塌增大電壓，第I元件I的崩塌急劇增大。進(jìn)而，若漏極電壓增大而到達(dá)第I元件I的破壞電壓，則第I元件I破壞。
[0077]但是，在本實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體裝置100中，在漏極電壓達(dá)到第I元件I的崩塌增大電壓之前第I 二極管3擊穿，抑制了漏極電壓進(jìn)一步增加。因此，即使由于靜電等而對(duì)半導(dǎo)體裝置100施加了浪涌電壓，也能防止第I元件I的崩塌的增大，進(jìn)而防止破壞。其結(jié)果，半導(dǎo)體裝置100成為具有高破壞耐量的裝置。
[0078](實(shí)施方式2)
[0079]圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。如圖4所示，半導(dǎo)體裝置200具有在圖1所示的半導(dǎo)體裝置100構(gòu)成的基礎(chǔ)上進(jìn)一步追加了第2電阻6、第2 二極管7、保護(hù)用二極管8、9、10的構(gòu)成。
[0080]第2電阻6與第2元件2的柵極電極2b、和半導(dǎo)體裝置200的柵極端子G連接。第2 二極管7具備陽極電極7a和陰極電極7b。第2 二極管7在第2元件2的柵極電極2b和漏極電極2c之間按照陰極電極7b與漏極電極2c側(cè)連接的方式連接。第2 二極管7是具有規(guī)定的雪崩耐壓的二極管。第2 二極管7是PN結(jié)二極管或肖特基二極管，但沒有特別的限定。
[0081 ] 保護(hù)用二極管8、9、10分別具備陽極電極8a、9a、1a和陰極電極8b、9b、1b。保護(hù)二極管8在第2元件2的柵極電極2b和第I 二極管7之間按照陽極電極8a與陽極電極7a側(cè)連接的方式連接。保護(hù)二極管9在第2元件2的柵極電極2b和源極電極2a之間按照陰極電極％與源極電極2a側(cè)連接的方式連接。保護(hù)二極管10在第2元件2的柵極電極2b和保護(hù)二極管9之間按照陽極電極1a與陽極電極9a側(cè)連接的方式連接。
[0082]如對(duì)該半導(dǎo)體裝置200的源極端子S-漏極端子D間施加反向電壓，則在第I 二極管3的陽極-陰極間電壓超過雪崩耐壓時(shí)，第I 二極管3擊穿從而從陰極電極3b向陽極電極3a流過雪崩電流，之后，通過第I電阻4而對(duì)第I元件I的柵極電極Ib施加?xùn)艠O電壓，從而第I元件I成為導(dǎo)通狀態(tài)，這一點(diǎn)與半導(dǎo)體裝置100的情況相同。
[0083]在半導(dǎo)體裝置200的情況下，如第I元件I成為導(dǎo)通狀態(tài)，則在第2 二極管7的陽極電極7a-漏極電極7b間施加反向電壓。之后，若第2 二極管7的陽極-陰極間電壓超過雪崩耐壓，則第2 二極管7擊穿從而從陰極電極7b向陽極電極7a流過雪崩電流。該雪崩電流也流過作為第2元件2的柵極電阻的第2電阻6。于是，通過第2電阻6對(duì)第2元件2的柵極電極2b施加?xùn)艠O電壓，從而第2元件2成為導(dǎo)通狀態(tài)。由此，第I元件I的源極電位接近柵極電位，從而第I元件也成為導(dǎo)通狀態(tài)，流過電流。其結(jié)果，在第I元件的源極-漏極間不能再施加這以上的反向電壓。另外，保護(hù)用二極管9發(fā)揮功能，使得在第2元件2的柵極電壓相對(duì)于源極電壓成為正電壓的情況下不流過柵極電流。保護(hù)用二極管8、10分別是第2 二極管7、保護(hù)用二極管9的保護(hù)用二極管。
[0084]在本實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置200中，與半導(dǎo)體裝置100相同，在漏極電壓到達(dá)第I元件I的崩塌增大電壓前第I 二極管3擊穿，從而抑制了漏極電壓的進(jìn)一步的增力口。因此，即使由于靜電等而對(duì)半導(dǎo)體裝置200施加了浪涌電壓，也能防止第I元件I的崩塌的增大、進(jìn)而破壞。其結(jié)果，半導(dǎo)體裝置200成為具有高的破壞耐量的裝置。
[0085]進(jìn)而，如上述那樣，在半導(dǎo)體裝置100中，第2元件2的源極-漏極間擊穿從而在源極-漏極間流過電流。與此相對(duì)，在半導(dǎo)體裝置200中，由于第2元件2成為導(dǎo)通狀態(tài)而在源極-漏極間流過電流，因此，能流過更大的電流。另外，為了實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作，第2 二極管7的雪崩耐壓低于第2元件2的源極-漏極間的雪崩耐壓。例如，在第2元件2的源極-漏極間耐壓為30V的情況下，第2 二極管7的雪崩耐壓低于30V。
[0086](實(shí)施方式3)
[0087]圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式3所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。如圖5所示，半導(dǎo)體裝置300具有在圖1所示的半導(dǎo)體裝置100的構(gòu)成的基礎(chǔ)上變更第I 二極管3以及第I電阻4的連接位置、刪除保護(hù)用二極管5、進(jìn)一步追加了第3電阻12、保護(hù)用二極管9、10、11的結(jié)構(gòu)。
[0088]第I 二極管3在第2元件2的柵極電極2b和第I元件I的漏極電極Ic之間按照陰極電極3b與漏極電極Ic側(cè)連接的方式連接。另外，第I電阻4與第2元件2的柵極電極2b、半導(dǎo)體裝置200的柵極端子G連接。
[0089]第3電阻12連接在第I元件I的柵極電極Ib和第2元件2的源極電極2a之間，作為針對(duì)級(jí)聯(lián)連接中的第I元件I的柵極電阻發(fā)揮功能。保護(hù)用二極管11具備陽極電極Ila和陰極電極11b，在第2元件2的柵極電極2b和第I 二極管3之間按照陽極電極Ila與陽極電極3a側(cè)連接的方式連接。保護(hù)二極管9、10連接在與圖4所示的半導(dǎo)體裝置200中的保護(hù)二極管9、10相同的位置。
[0090]若在該半導(dǎo)體裝置300的源極端子S-漏極端子D間施加反向電壓，則在第I 二極管3的陽極-陰極間電壓超過雪崩耐壓時(shí)，第I 二極管3擊穿從而從陰極電極3b向陽極電極3a流過雪崩電流。之后，通過第I電阻4對(duì)第2元件的柵極電極2b施加?xùn)艠O電壓從而第2元件2成為導(dǎo)通狀態(tài)。其結(jié)果，在第I元件I的源極-漏極間不能再施加這以上的反向電壓。另外，保護(hù)用二極管9發(fā)揮功能，使得在第2元件2的柵極電壓相對(duì)于源極電壓成為正電壓的情況下不流過柵極電流。保護(hù)用二極管11、10分別是第I 二極管3、保護(hù)用二極管9的保護(hù)用二極管。
[0091]在本實(shí)施方式3所涉及的半導(dǎo)體裝置300中，在漏極電壓到達(dá)第I元件I的崩塌增大電壓前，第I 二極管3擊穿從而能抑制漏極電壓進(jìn)一步增加。因此，即使由于靜電等而對(duì)半導(dǎo)體裝置300施加了浪涌電壓，也能防止第I元件I的崩塌的增大，進(jìn)而能防止破壞。其結(jié)果，半導(dǎo)體裝置300成為具有高破壞耐量的裝置。
[0092]在上述實(shí)施方式3所涉及的半導(dǎo)體裝置300中，為了不對(duì)第I 二極管3施加過大的負(fù)載，或?yàn)榱耸沟贗 二極管3小型化，優(yōu)選盡可能使作為柵極電阻的第I電阻4的電阻值增大。例如，在將流過第I 二極管3的雪崩電流設(shè)定為10mA的情況下，需要由此使第2元件2成為導(dǎo)通狀態(tài)地設(shè)定第I電阻4的電阻值。例如，為了使10mA的雪崩電流引起的第I電阻4的電壓降為1V以上，使第I電阻4的電阻值為100 Ω以上。
[0093]另一方面，為了半導(dǎo)體裝置300的開關(guān)速度的高速化，為了降低寄生電容引起的寄生效應(yīng)，優(yōu)選減小第I電阻4的電阻值。例如，在第I電阻4的電阻值為10Ω時(shí)，為了使第I電阻4的電壓降為1V以上，使流過第I 二極管3的雪崩電流為IA以上。
[0094]如此，雖然若第I電阻4的電阻值較大則柵極信號(hào)的速度下降，但由于該速度下降而滯后的信號(hào)通過第2元件2被放大，因此，對(duì)第I元件I的開關(guān)動(dòng)作的影響成為最小限。即，決定實(shí)施方式3所涉及的半導(dǎo)體裝置300的結(jié)構(gòu)中的作為整體的開關(guān)動(dòng)作的速度的電阻值通過第I電阻4和第3電阻12決定。由此，即使增大第I電阻4的電阻值，也能通過減小第3電阻12的電阻值來抑制半導(dǎo)體裝置300的作為整體的開關(guān)速度的降低。
[0095]另外，實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體裝置100的情況，是不在與柵極驅(qū)動(dòng)電路連接一側(cè)的柵極端子G和第2元件2的柵極電極2b之間插入柵極電阻的構(gòu)成。為此，若從柵極驅(qū)動(dòng)電路側(cè)來看，在驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體裝置100的情況下，與驅(qū)動(dòng)單體的HEMT的情況相比，通過將驅(qū)動(dòng)的元件從HEMT改變?yōu)镸OSFET的第2元件2，從而除了成為常截止動(dòng)作以外沒有特別的變化。因此，半導(dǎo)體裝置100更適于高速動(dòng)作。
[0096]在半導(dǎo)體裝置100的實(shí)際的驅(qū)動(dòng)狀況中，與HEMT的第I元件I的柵極電極Ib連接的第I電阻4對(duì)裝置的開關(guān)速度帶來影響。但是，由于原本第I元件I的柵極電位與源極電位成為相等，因此，半導(dǎo)體裝置100的開關(guān)動(dòng)作時(shí)的電壓變化根據(jù)第I元件I的源極電位的電位變化來進(jìn)行。由于伴隨源極電位變化的電流的充放電通過第I元件I的溝道和第2元件進(jìn)行，因此成為第I電阻4的電阻值難以直接影響到半導(dǎo)體裝置100的開關(guān)特性的狀況。如此，雖然在MOSFET和HEMT的級(jí)聯(lián)連接中的開關(guān)速度通過MOSFET的柵極電阻和HEMT的柵極電阻來控制，但從整體來說，不依賴于HEMT的柵極電阻。
[0097]另外，在實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置200的情況下，由于第2 二極管7是低耐壓的二極管即可，因此能增大雪崩電流。其結(jié)果，由于能使第2電阻6的電阻值較小，因此適于高速動(dòng)作。例如，在第I 二極管3的雪崩耐壓為600V、第2元件2的源極-漏極間耐壓為30V的情況下，第2 二極管7的雪崩耐壓可以小于30V程度。因此，如實(shí)施方式3的構(gòu)成那樣，與在第2元件2的柵極電極2b和第I元件I的漏極電極Ic間插入第I 二極管3的構(gòu)成相比，第2 二極管7的雪崩耐壓可以是比20分之I小的值。這使得若使用相同尺寸的二極管，則與使用第I 二極管3的情況相比，能流過比大約20倍大的電流。作為其結(jié)果，能將柵極電阻設(shè)定得比大約20分之I小，實(shí)質(zhì)上能夠使柵極電阻大幅地低電阻化，能進(jìn)行高速的開關(guān)。因而，基于柵極電阻的開關(guān)速度的控制范圍大幅擴(kuò)展。
[0098]但是，上述第I 二極管3、第2 二極管7既可以用與第I元件1、第2元件2不同的芯片構(gòu)成，也可以單片式(monolithic)地形成在包含第I元件1、第2元件2的芯片上。這種情況下，例如用多晶硅在芯片上形成各二極管。
[0099]圖6是在芯片上形成二極管的情況下的構(gòu)成圖。圖7是圖6的A-A線截面圖。圖6所示的芯片1000具備:形成第I元件I或第2元件2的活性部1001、分別與形成于活性部1001的元件的源極電極、柵極電極、漏極電極連接的源極焊盤1002、柵極焊盤1003、漏極焊盤1004。
[0100]進(jìn)而，如圖7所示，芯片1000具備:在其上部形成元件的基板1005、形成于基板1005上的形成元件的氮化物系化合物半導(dǎo)體層1006、和形成于氮化物系化合物半導(dǎo)體層1006上的絕緣膜1007。
[0101]在此，如圖6、7所示那樣，作為第I 二極管3或第2 二極管7的PN結(jié)二極管3A在芯片1000的絕緣膜1007上按照與柵極焊盤1003和漏極焊盤1004連接的方式單片式地形成。該P(yáng)N結(jié)二極管3A具有串聯(lián)連接了由多晶硅形成的多個(gè)PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，由于用于電連接的引線鍵合變少，因此，有能削減焊盤面積和組裝工序的優(yōu)點(diǎn)。
[0102](實(shí)施方式4)
[0103]圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式4所涉及的半導(dǎo)體裝置的電路構(gòu)成圖。如圖8所示，半導(dǎo)體裝置400具有在圖1所示的半導(dǎo)體裝置100的基礎(chǔ)上將第2元件2置換為第2元件13、將源極端子S、漏極端子D分別置換為陽極端子A、陰極端子C、刪除了柵極端子G的構(gòu)成。
[0104]第2元件13例如是PN結(jié)型或SBD型的二極管，具備陽極電極13a、陰極電極13b。第2元件13是陽極-陰極間的耐壓為例如50V以下、耐壓低于第I元件I的低耐壓的元件。陰極電極13b與第I元件I的源極電極Ia以及保護(hù)用二極管5的陰極電極5b連接。如此，第I元件I和第2元件13串聯(lián)連接。另外，第I電阻4連接在連接了第I 二極管3的柵極電極即第I元件I的柵極電極lb、與第2元件13的陽極電極13a之間。陽極電極13a進(jìn)一步與陽極端子A連接。陰極端子C與第I元件I的漏極電極Ic連接。
[0105]如此，該半導(dǎo)體裝置400包含第I元件I和第2元件13串聯(lián)連接、且第I元件I的柵極電極Ib和第2元件13的陽極電極13a連接的級(jí)聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)，作為級(jí)聯(lián)二極管發(fā)?車功能。
[0106]在半導(dǎo)體裝置400的陽極端子A-陰極端子C間施加反向電壓時(shí)，若第I 二極管3的陽極-漏極間電壓超過雪崩耐壓，則第I 二極管3擊穿從而從陰極電極3b向陽極電極3a流過雪崩電流。該雪崩電流也流過作為柵極電阻的第I電阻4。于是，由于第I電阻4而產(chǎn)生電壓降，在第I元件I的柵極電極Ib施加?xùn)艠O電壓。如柵極電壓成為閾值以上，則第I元件I成為導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，由于在柵極電極Ib和源極電極Ia之間連接有保護(hù)用二極管5，因此，不在柵極電極Ib流過正向電流。
[0107]若如此第I元件I成為導(dǎo)通狀態(tài)，則在第2元件13的陽極-陰極間施加的反向電壓提高，第2元件13的陽極-陰極間擊穿從而流過電流。其結(jié)果，在第I元件I的源極-漏極間不能再施加這以上的反向電壓。
[0108]在該半導(dǎo)體裝置400中，第I 二極管3的雪崩耐壓設(shè)定得低于第I元件I的破壞電壓，且低于崩塌增大電壓。其結(jié)果，即使對(duì)半導(dǎo)體裝置400施加反向電壓，也在對(duì)第I元件I施加高于崩塌增大電壓的電壓前第I 二極管3擊穿，進(jìn)而第2元件13擊穿，從而在第I元件I的源極-漏極間不再施加高于崩塌增大電壓的反向電壓。因此，即使由于靜電等而對(duì)半導(dǎo)體裝置400施加浪涌電壓，也能防止第I元件I的崩塌的增大，進(jìn)而防止破壞。其結(jié)果，半導(dǎo)體裝置400成為具有高破壞耐量的裝置。
[0109]另外，若第2元件13是SBD型，則優(yōu)選導(dǎo)通電阻小。另一方面，若第2元件13是PN結(jié)型,則優(yōu)選漏電流小。
[0110]如以上那樣，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置在強(qiáng)烈要求破壞耐量等的可靠性的逆變器等的電力變換裝置、各種產(chǎn)業(yè)用機(jī)械等的電源裝置、在進(jìn)行引擎的燃燒控制的點(diǎn)火器等的容易進(jìn)入大的浪涌的電路等中使用的功率半導(dǎo)體裝置中有用。
[0111]另外，在上述實(shí)施方式中，第I 二極管的雪崩耐壓低于第I元件的崩塌增大電壓，但本發(fā)明并不限定于此，只要第I 二極管的雪崩耐壓低于第I元件的破壞電壓，則成為具有高破壞耐量的可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
[0112]另外，在上述實(shí)施方式中，第I元件是HEMT，但只要第I元件是常導(dǎo)通型的晶體管就沒有特別的限定，例如也可以是JFET(Junct1n FET,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
[0113]另外，并不由上述實(shí)施方式來限定本發(fā)明。適當(dāng)組合上述各構(gòu)成要素而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)也包含在本發(fā)明中。另外，進(jìn)一步的效果和變形例能由本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地導(dǎo)出。因而，本發(fā)明的更廣泛的形態(tài)并不受到上述的實(shí)施方式的限定，能進(jìn)行各種變更。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備: 第I元件，其是由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的常導(dǎo)通型的晶體管； 第2元件，其與所述第I元件串聯(lián)連接，是源極-漏極間的耐壓低于所述第I元件的晶體管； 第I 二極管，其在所述第I元件或所述第2元件的柵極與所述第I元件的漏極之間按照陰極與所述漏極側(cè)連接的方式進(jìn)行連接，并且具有規(guī)定的雪崩耐壓；和第I電阻，其與連接了所述第I 二極管的所述柵極連接， 所述第I二極管的雪崩耐壓低于所述第I元件的破壞電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第I二極管與所述第I元件的柵極連接，所述第I電阻與所述第I元件的柵極、和所述第2元件的源極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述半導(dǎo)體裝置還具備: 第2 二極管，其在所述第2元件的柵極與漏極之間按照陰極與所述漏極側(cè)連接的方式進(jìn)行連接，并且具有規(guī)定的雪崩耐壓；和 第2電阻，其與所述第2元件的柵極、和與該半導(dǎo)體裝置的外部連接的柵極端子連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第2 二極管的雪崩耐壓低于所述第2元件的雪崩耐壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第2 二極管單片式地形成在包含所述第2元件的芯片上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第I二極管與所述第2元件的柵極連接，所述第I電阻與所述第2元件的柵極、和與該半導(dǎo)體裝置的外部連接的柵極端子連接。
7.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備: 第I元件，其是由氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的常導(dǎo)通型的晶體管； 第2元件，其與所述第I元件串聯(lián)連接，是陽極-陰極間的耐壓低于所述第I元件的二極管； 第I 二極管，其在所述第I元件的柵極與所述第I元件的漏極之間按照陰極與所述漏極側(cè)連接的方式進(jìn)行連接，并且具有規(guī)定的雪崩耐壓；和 第I電阻，其連接在所述第I元件的柵極與所述第2元件的陽極之間， 所述第I二極管的雪崩耐壓低于所述第I元件的破壞電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第I二極管的雪崩耐壓低于所述第I元件的崩塌增大電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第I二極管單片式地形成在包含所述第I元件的芯片上。
【文檔編號(hào)】H01L21/33GK104183484SQ201310412149
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月22日
【發(fā)明者】上野勝典 申請(qǐng)人:古河電氣工業(yè)株式會(huì)社, 富士電機(jī)株式會(huì)社