JP3264517B2 - 縦型構造へテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、縦型構造へテロ接合
バイポーラトランジスタに関し、より詳しくは、電力増
幅用の縦型構造へテロ接合バイポーラトランジスタに関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近、マイクロ波帯での電力増幅用トラ
ンジスタの需要が高まっている。中でも、既に実用化さ
れているＧaＡsＦＥＴに比して、高い利得と低いアウト
プットコンダクタンスをもつ縦型ヘテロジャンクション
・バイポーラ・トランジスタ(以下「ＨＢＴ」という。)が
高効率増幅器を実現する手段として注目されている(例
えば、Ｎ.Ｌ.ウォン(Ｗang)他,“１０ＧＨzにおけるエ
ミッタ共通およびベース共通ＨＢＴの超高電力効率動
作" ＩＥＥＥ トランスアクション・オン・マイクロ
ウェーブ・セオリー・アンド・テクニクス,vol.３８,Ｎ
o.１０,pp１３８１−１３８９)。

【０００３】知られているように、上記ＨＢＴは、高電
流密度で動作するため、必然的に発熱密度が高くなる。
したがって、適正に動作させるためには、基板表面に形
成された接合部(pn接合)の発熱を効率良く半導体基板外
へ逃がさなければならない。上記文献では、接合部の発
熱を基板裏面側へ逃がす手段を採用している。すなわ
ち、半導体基板を薄く削るとともに、接合部から周
辺へ引き出した電極の直下にバイアホール(基板裏面側
から基板表面側へ貫通する孔)を設け、このバイアホー
ルに熱伝導性の良好な金属材料を埋め込んでいる。な
お、マイクロ波帯用に限らず、広くバイポーラ・トラン
ジスタの電極構造について調べると、特開平３−３３３
５号公報に見られるように、半導体基板表面に形成され
た接合部(半導体基板(コレクタ)に略矩形状のベース領
域を設け、このベース領域内にインターデジタル(すだ
れ状)構造をもつエミッタ領域を設けたもの)の上に、基
板表面から突起するバンプ電極を設けたものがある。詳
しくは、ベース領域,エミッタ領域の略全域にそれぞれ
薄膜電極を設け、各薄膜電極のうち上記インターデジタ
ル構造部以外の所定の面積を有する部分(引き出し電極
部)の上に上記バンプ電極を設けている。このトランジ
スタでは、上記バンプ電極を通して、接合部の発熱を効
率良く基板外へ逃がすことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ＨＢＴ
では、次のような問題が生ずる。 (i)基板を薄く削るのに加え、バイアホールを開口する
ため、ウエハに割れ欠けが生じて歩留が低下する。 (ii)上記バイアホールは、加工精度の制約を受けて、接
合部(発熱箇所)から少なくとも５μm以上離間する。こ
のため、熱抵抗を効果的に減らすことが困難である。 (iii)マイクロ波帯では接合部からのエミッタ引き出し
線が無視できないインダクタンスをもち、フィードバッ
クインダクタンスとして働いて損失となる。

【０００５】このように多くの問題が生ずるため、従来
は、マイクロ波帯での電力増幅用としてＨＢＴを実用化
することができなかった。ここで、先に述べたバンプ電
極を設けることによって放熱の問題を解決することが考
えられる。しかしながら、特開平３−３３３５号公報で
は、上記バンプ電極はある程度の幅寸法を有することか
ら、インターデジタル構造部ではなく、所定の面積を有
する引き出し電極部に設けられている。このままでは素
子の寄生容量(Ｃbe,Ｃbc,Ｃec)を低減するのに限界があ
る。また、インターデジタル構造部から離間した箇所に
バンプ電極を設けているため、エミッタインダクタンス
を十分には低減できない。このため、上記バンプ電極
は、これまでマイクロ波帯用トランジスタには採用され
ることがなかった。

【０００６】そこで、この発明の目的は、基板表面に形
成された接合部の発熱を効率良く逃がすことができる
上、引き出し線のインダクタンスや寄生容量などを低減
でき、マイクロ波帯での電力増幅用として実用に供する
ことができる縦型構造へテロ接合バイポーラトランジス
タを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の縦型構造へテロ接合バイポーラトランジ
スタは、半導体基板表面に形成されたベース領域内に、
このベース領域との界面に接合部をなすエミッタ領域を
備え、上記エミッタ領域内で上記接合部は複数に分割さ
れており、上記エミッタ領域の直上に、上記複数に分割
された各接合部に共通するバンプ電極が設けられ、上記
エミッタ領域の幅寸法と上記バンプ電極の幅寸法とが実
質的に一致していることを特徴としている。

【０００８】また、上記バンプ電極は金または金を含む
金属からなるのが望ましい。

【０００９】また、上記バンプ電極はヒートシンクに接
続されているのが望ましい。

【００１０】また、上記複数に分割された接合部は、平
行に並ぶ複数の短冊状のフィンガー部であり、このフィ
ンガー部の長手方向の寸法およびこの方向の上記バンプ
電極の幅寸法は、５μm乃至４０μmの範囲に設定されて
いるのが望ましい。

【００１１】

【作用】エミッタ領域の直上に、複数に分割された各接
合部に共通に設けられたバンプ電極は、発熱箇所の極め
て近傍に位置する。例えば、エミッタトップ型ＨＢＴの
場合、バンプ電極と発熱箇所(ベース／コレクタ接合)と
の距離は、エミッタ厚とベース厚との和(０.５μm程度)
となる。すなわち、従来のバイアホールを設けた場合や
引き出し電極部の上にバンプ電極を設けた場合に比し
て、引き出し距離が略１０分の１程度となる。したがっ
て、上記バンプ電極をヒートシンクに接続することによ
って、放熱効率が著しく高まり、熱抵抗が大幅に低減さ
れる。同時に、エミッタから最短距離で、かつ、太い接
地線で接地されるので、インダクタンスは極小に低減さ
れる。また、上記エミッタ領域の幅寸法と上記バンプ電
極の幅寸法(基板側に接触する箇所の断面の寸法)とが略
一致している場合、一致していない場合に比して次のよ
うな利点がある。まず、エミッタ領域の幅寸法よりもバ
ンプ電極の幅寸法が小さい場合は、エミッタ領域のうち
バンプ電極の周囲にはみ出した部分の放熱効率が低下す
る。これに対して、両寸法が一致している場合は、エミ
ッタ領域全域の放熱が効率良く行なわれる。一方、エミ
ッタ領域の幅寸法よりもバンプ電極の幅寸法が大きい場
合は、エミッタに接続されたバンプ電極がベース領域や
コレクタ領域にはみ出すため、寄生容量(ベース／エミ
ッタ間容量Ｃbe,エミッタ／コレクタ間容量Ｃce)が増加
して、素子特性が悪くなる。これに対して、両寸法が一
致している場合は、このような寄生容量が小さいレベル
に抑えられる。以上のように素子特性が向上する結果、
この縦型構造へテロ接合バイポーラトランジスタをマイ
クロ波帯での電力増幅用として実用に供することが可能
となる。

【００１２】また、上記バンプ電極が金または金を含む
金属からなる場合、一般的な鉛−スズ合金で構成されて
いる場合よりも熱伝導率が大きくなる。したがって、熱
抵抗がさらに低減される。

【００１３】また、上記バンプ電極がヒートシンクに接
続されている場合、既述のように、放熱効率が著しく高
まり、熱抵抗が大幅に低減される。

【００１４】また、エミッタ領域内で複数に分割された
接合部は、平行に並ぶ複数の短冊状のフィンガー部であ
ることが多い。これは、高周波用トランジスタでは、エ
ミッタフィンガー幅を小さくしてベース抵抗を低減する
のが望ましいからである(エミッタフィンガー幅は、加
工精度その他の制約から一般には１〜１０μmとされ
る。)。この場合において、このフィンガー領域の長手
方向の寸法およびこの方向の上記バンプ電極の寸法は、
５μm乃至４０μmの範囲に設定されている場合、この範
囲外に設定されている場合に比して次のような利点があ
る。まず、上記フィンガー部の長手方向の寸法およびこ
の方向の上記バンプ電極の寸法が５μm以下に設定され
ている場合は、バンプ電極の熱抵抗が極端に大きくな
る。また、一般にバンプ電極の幅寸法と高さ寸法とは同
程度に仕上がるため、素子表面とバンプ電極に接続され
るヒートシンクとの隙間が狭くなり、寄生容量が増大し
て好ましくない。しかも、このような小さいサイズのバ
ンプ電極を安定に形成することは困難である。これに対
して、両寸法が５μm以上に設定されている場合は、バ
ンプ電極の熱抵抗,素子表面とヒートシンクとの間の寄
生容量をそれぞれ実用レベルまで下げることができる。
しかも、バンプ電極をメッキ法による一般的なプロセス
で形成できる。一方、上記フィンガー部の長手方向の寸
法およびこの方向の上記バンプ電極の寸法が４０μm以
上に設定されている場合(バンプ電極の幅寸法は、一般
には８０〜１１０μmに設定される。)は、本発明者によ
る種々の実験結果から、コレクタ抵抗、ベース抵抗、コ
レクタ,ベース各電極のエレクトロマイグレーションお
よび寄生容量Ｃbe,Ｃceが無視できないレベルになり、
素子特性が悪くなることが分かった。これに対して、両
寸法が４０μm以下に設定されている場合は、コレクタ
抵抗,ベース抵抗および寄生容量Ｃbe,Ｃceをそれぞれ実
用レベルまで下げることができる。なお、この場合の寄
生容量Ｃbe,Ｃceは、短冊状のフィンガー部の隙間また
は周囲に露出したベース領域,コレクタ領域と、この各
領域に対向するバンプ電極の底面との間の静電容量であ
る。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の縦型構造へテロ接合バイポ
ーラトランジスタを実施例により詳細に説明する。

【００１６】図１はこの発明の一実施例のマイクロ波電
力増幅用npnエミッタトップ型ＨＢＴの平面パターンを
示し、図２は上記ＨＢＴの断面を示している。これらの
図に示すように、このＨＢＴは、半絶縁性基板１０の表
面に順に積層されたサブコレクタ層１２,コレクタ層８,
ベース層７,エミッタ層５を備えている(以下、サブコレ
クタ層１２とコレクタ層８とを併せて、単に「コレクタ
層８」という。)。接合部として、コレクタ層８とベース
層７との界面にベース／コレクタ接合、ベース層７とエ
ミッタ層５との界面にベース／エミッタ接合がそれぞれ
形成されている。各半導体層８,７,５上には、それぞれ
コレクタ電極９,ベース電極６,エミッタ電極３が設けら
れている。さらに、エミッタ電極３の直上に、Ｔi層２
を介して、金(Ａu)からなる円柱状のバンプ電極１が設
けられている。図１に示すように、上記エミッタ層５は
平行に並ぶ４つの短冊状のフィンガー部５aに分割形成
されており、ベース電極６は、このフィンガー部５aの
隙間(および両側)に露出しているベース層７に、くし状
にパターン形成されている。上記エミッタ電極３は、略
円状にパターン形成されており、４つのフインガー部５
aにそれぞれ接触する一方、層間絶縁膜１１によってベ
ース電極６と絶縁されている。また、コレクタ電極９
は、ベース電極６の両側に形成されている。

【００１７】高周波用接合部の場合、ベース抵抗を低減
するためにエミッタフィンガー部５aの幅は小さいほう
が望ましいが、加工精度その他の制約から、上記フィン
ガー部５aの幅は一般的な１〜４μmの範囲に設定されて
いる。同様に、ベース電極６,コレクタ電極９の幅も小
さいほうが望ましいが、加工精度とエレクトロマイグレ
ーション耐性の制約から、一般的な１〜３μmの範囲に
設定されている。一方、フィンガー部５aの長手方向の
寸法は５〜４０μmの範囲に設定されている。また、上
記バンプ電極１の幅寸法(直径)は、フィンガー部５aが
配されている領域、すなわちエミッタ領域(略正方形)の
一辺の寸法と略同一に設定されており、５μm乃至４０
μmの範囲である。なお、この実施例ではエミッタ領域
は略正方形であるが、エミッタ領域が長方形状等になる
場合には、フィンガー部５aの長手方向の寸法をエミッ
タ領域の幅寸法とし、これをバンプ電極１の幅寸法と略
一致させるのが良い。この理由は、ベース電極６,コレ
クタ電極９のうち長手方向に引き出された部分(各半導
体層の領域外に存する配線部分)にバンプ電極１が被さ
って不要な容量が発生するのを防ぐためである。ただ
し、エミッタ領域はこの実施例のように略正方形とし、
円柱状のバンプ電極１を設けるのが作製容易である。

【００１８】このＨＢＴは次のようにして作製される。
まず、図２に示すように、公知の手順(例えば電子通信
学会技術研究報告ＥＤ９０−１３５に記載されている)
により、半絶縁性ＧaＡs基板１０の表面にＡlＧaＡs／
ＧaＡsからなるコレクタ層８,ベース層７,エミッタ層５
およびベース電極６,コレクタ電極９を形成する(ベース
層７とエミッタ層５の厚みの和は０.５μm程度であ
る。)。次に、層間絶縁膜１１としてポリイミドを用い
て、ベース電極６,コレクタ電極９上をカバーする一
方、エミッタフィンガー部５aの直上に開口を設ける(な
お、ベース電極６,コレクタ電極９を素子外部に接続す
るための開口は、図示しない離れた場所に開口す
る。)。この後、上記エミッタ領域の直上に、Ｔi／Ｐt
／Ａuからなるエミッタ電極(保護用電極層)３を略円状
にパターン形成する。さらに、図示しないＳiＮx膜をパ
シベーション膜として全面に堆積して、このＳiＮx膜の
エミッタ電極３上の部分(バンプ電極１を設けるべき領
域)に円状の開口を設ける。次に、Ｔi層２を全面に蒸着
する。次に、レジストを塗布して、フォトリソグラフィ
を行って、上記レジストのエミッタ電極３上の部分(バ
ンプ電極１を設けるべき領域)に円状の開口を設ける。
そして、メッキ法により、Ａuからなるバンプ電極１を
形成する。最後に、残っているレジストを除去し、バン
プ電極１以外の領域に存するＴi層２をウェットエッチ
ングにより除去して、作製を完了する。

【００１９】上記ＨＢＴのバンプ電極１と発熱箇所(ベ
ース／コレクタ接合)との距離は、エミッタ厚とベース
厚との和(０.５μm程度)であり、極めて近接している。
したがって、図３に示すように、上記バンプ電極１の上
部１aをヒートシンク４にボンディング(フリップチップ
ボンディング)することによって、著しく放熱効率を高
めることができ、熱抵抗を大幅に低減することができ
る。同時に、エミッタ電極３から最短距離で、かつ、太
い接地線で接地できるので、インダクタンスを極小に低
減できる。したがって、このＨＢＴをマイクロ波帯での
電力増幅用として実用に供することができる。

【００２０】また、上記バンプ電極１は金(Ａu)からな
っているので、一般的な鉛−スズ合金で構成する場合よ
りも熱伝導率を大きくでき、したがって、熱抵抗をさら
に低減することができる。

【００２１】また、上記エミッタ領域の幅寸法と上記バ
ンプ電極１の基板側の部分１bの幅寸法と略一致させて
いるので、エミッタ領域全域の放熱を効率良く行うこと
ができる。しかも、バンプ電極１がベース領域やコレク
タ領域にはみ出すようなことが無く、したがって、ベー
ス／エミッタ間容量Ｃbe,エミッタ／コレクタ間容量Ｃc
eなどの寄生容量を小さいレベルに抑えることができ
る。したがって、素子特性を向上させることができる。

【００２２】また、本発明者による種々の実験結果か
ら、エミッタフィンガー部５aの長手方向の寸法および
この方向の上記バンプ電極１の寸法を最適範囲５〜４０
μmに設定している。したがって、このＨＢＴは、バン
プ電極１の熱抵抗,素子表面とヒートシンク４との間の
寄生容量をそれぞれ実用レベルまで下げることができ
る。しかも、バンプ電極１をメッキ法による一般的なプ
ロセスで形成できる(バンプ電極の幅寸法が５μm以下に
なるとメッキ法では形成できない。)。また、コレクタ
抵抗,ベース抵抗および寄生容量Ｃbe,Ｃceをそれぞれ実
用レベルまで下げることができる。なお、この場合の寄
生容量Ｃbe,Ｃceは、短冊状のフィンガー部５aの隙間ま
たは周囲に露出したベース領域,コレクタ領域と、この
各領域に対向するバンプ電極１の底面との間の容量であ
る。エミッタフィンガー部５aの長手方向の寸法(および
バンプ電極１の幅寸法)の上限を４０μmとしたのは、ベ
ース電極６内の高周波信号のピーク電流密度による制限
からである。例えば、この発明の実施に好適なサイズの
トランジスタとして、幅３μmのエミッタフィンガー部
５aを４本有するものを考える。ベース電極６は、ベー
ス層７上に厚さ８００〜１０００Åのオーミック接触層
(Ｔi層／ＡuＺnまたはＡuＭn層)を設け、この上に重ね
た厚さ４μmのＡu層をベース層７の領域外へ配線として
引き出したものとする。このトランジスタを動作周波数
f＝fт／１０(f_Ｔ＝１５ＧＨz)の典型的な条件下で動作
させた場合、図４に示すように、エミッタフィンガー部
５aの長手方向の寸法が長くなるにつれてベース電極６
を流れるピーク電流密度が直線的に増加する。そして、
エミッタフィンガー部５aの長さが約４０μmを超える
と、ベース電極６の配線部分(Ａu層)のエレクトロン・
マイグレーション許容電流密度(７×１０^５Ａ／cm^２)を
超えてしまう。このため、エミッタフィンガー部５aの
長手方向の寸法は４０μm以下に設定するのが望まし
い。なお、上記ベース電極６の配線部分の材料として、
Ａuに代えてＷやＡl,Ｃuを用いることが考えられる。し
かし、Ｗを用いた場合は、確かに許容電流密度は大きく
なるけれども、電気抵抗が大きいという問題がある。ま
た、Ａl,Ｃuは、許容電流密度がむしろＡuよりも小さ
い。結局、ベース電極６の配線部分の材料は、上の例の
ようにＡuが適していることになる。このように、エミ
ッタフィンガー部５aの長手方向の寸法は、５〜４０μm
が好ましい。特に、３μm幅のエミッタフィンガーを４
本設ける場合は、高周波特性上、エミッタフィンガー部
５aの長手方向の寸法は２０μmであるのが好ましい。

【００２３】なお、この実施例では、素子基板１０の裏
面側からの放熱を特に図らなかったが、当然ながら、基
板１０の裏面を薄く削って、伝熱用はんだ,ケースキャ
ップ等を経由して放熱する手段と組み合わせてもよい。
また、上記ＨＢＴでは、バンプ電極１がエミッタ電極３
としての役割も果たしているが、これに限られるもので
はない。バンプ電極１を、エミッタ電極３でなくベース
電極６またはコレクタ電極９と接続しても良く、また、
電極としては使用せず、絶縁膜を介して熱放散のみ行う
ようにしても良い。

【００２４】また、この実施例ではコレクタ層８,ベー
ス層７,エミッタ層５をこの順に半導体基板１０上に形
成したが、この反対に、エミッタ層,ベース層,コレクタ
層の順に形成してもよい。また、上記各半導体層８,７,
５の導電型をnpn型からpnp型に反転させてもよい。

【００２５】また、トランジスタの構造は、エミッタ層
のみがバンドギャップの大きい、いわゆるシングルヘテ
ロバイポーラトランジスタ(ＳＨＢＴ)でも良いし、コレ
クタ層にもワイドバンドギャップ材料を用いたタブルヘ
テロバイポーラトランジスタ(ＤＨＢＴ)でも良い。つま
り、トランジスタは、縦型構造へテロ接合バイポーラト
ランジスタであれば良い。

【００２６】また、上記各半導体層８,７,５の組成は、
ＡlＧaＡs／ＧaＡsに限られるものではなく、例えばＩn
ＧaＡs／ＩnＡlＡs系、ＩnＧaＡs／ＩnＰ系など他の格
子整合系でも良く、また、ＩnＧaＡs／ＡlＧaＡsなどの
格子不整合系であっても良い。

【００２７】また、素子特性を向上させるために、Ｏ ,
Ｂ ,Ｈ イオン等を外部ベース直下に注入してＣbcを低
減する構成にしても良く、イオン注入による素子間分離
構造としても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の縦
型構造へテロ接合バイポーラトランジスタによれば、バ
ンプ電極と発熱箇所との距離を従来に比して極めて近接
させることができる。したがって、上記バンプ電極をヒ
ートシンクにボンディングすることによって、著しく放
熱効率を高めることができ、熱抵抗を大幅に低減するこ
とができる。同時に、エミッタから最短距離で、かつ、
太い接地線で接地されるので、インダクタンスを極小に
低減できる。したがって、このＨＢＴをマイクロ波帯で
の電力増幅用として実用に供することができる。また、
エミッタ領域の幅寸法と上記バンプ電極の幅寸法とが実
質的に一致している場合、エミッタ領域全域の放熱を効
率良く行うことができる上、ベース／エミッタ間容量Ｃ
be,エミッタ／コレクタ間容量Ｃceなどの寄生容量を小
さいレベルに抑えることができ、素子特性を向上させる
ことができる。

【００２９】また、上記バンプ電極は金または金を含む
金属からなる場合、一般的な鉛−スズ合金で構成する場
合よりも熱伝導率を大きくでき、したがって、熱抵抗を
さらに低減することができる。

【００３０】また、上記バンプ電極がヒートシンクに接
続されている場合、既述のように、放熱効率が著しく高
まり、熱抵抗が大幅に低減される。

【００３１】また、エミッタ領域内で複数に分割された
接合部は、平行に並ぶ複数の短冊状のフィンガー部であ
り、このフィンガー部の長手方向の寸法およびこの方向
の上記バンプ電極の幅寸法は、５μm乃至４０μmの範囲
に設定されている場合、上記バンプ電極の熱抵抗、素子
表面とヒートシンクとの間の寄生容量、コレクタ抵抗、
ベース抵抗、寄生容量Ｃbe,Ｃceをそれぞれ実用レベル
まで下げることができる。しかも、バンプ電極をメッキ
法による一般的なプロセスで形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例のＨＢＴの平面パターン
を示す図である。

【図２】 上記ＨＢＴの断面構造を示す図である。

【図３】 上記ＨＢＴをヒートシンクにフリップチップ
ボンディングした状態を示す図である。

【図４】 エミッタフィンガー長Ｌとベース電極ピーク
電流密度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ バンプ電極 ２ Ｔi層 ３ エミッタ電極 ４ ヒートシンク ５ エミッタ層 ６ ベース電極 ７ ベース層 ８ コレクタ層 ９ コレクタ電極 １０ 半絶縁性ＧaＡs基板 １１ 層間絶縁膜 １２ サブコレクタ層

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板表面に形成されたベース領域
   内に、このベース領域との界面に接合部をなすエミッタ
   領域を備え、 上記エミッタ領域内で上記接合部は複数に分割されてお
   り、 上記エミッタ領域の直上に、上記複数に分割された各接
   合部に共通するバンプ電極が設けられ、 上記エミッタ領域の幅寸法と上記バンプ電極の幅寸法と
   が実質的に一致していることを特徴とする縦型構造へテ
   ロ接合バイポーラトランジスタ。
2. 【請求項２】 上記バンプ電極は金または金を含む金属
   からなることを特徴とする請求項１に記載の縦型構造へ
   テロ接合バイポーラトランジスタ。
3. 【請求項３】 上記バンプ電極はヒートシンクに接続さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の縦型構造へ
   テロ接合バイポーラトランジスタ。
4. 【請求項４】 上記複数に分割された接合部は、平行に
   並ぶ複数の短冊状のフィンガー部であり、 このフィンガー部の長手方向の寸法およびこの方向の上
   記バンプ電極の幅寸法は、５μm乃至４０μmの範囲に設
   定されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型構
   造へテロ接合バイポーラトランジスタ。