开关用半导体器件及开关电路制造技术

提供一种开关用半导体器件，具有在由碳化硅或者蓝宝石构成的单晶基片（１０１）上形成的由Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ（其中，０≤ｘ≤１）构成的第一化合物层（１０２）、在第一化合物层（１０２）上形成的由Ｉｎ↓［ｙ］Ａｌ↓［ｚ］Ｇａ↓［１－ｙ－ｚ］Ｎ（其中，０≤ｙ≤１、０＜ｚ≤１）构成的第二化合物层（１０３）、和在第二化合物层（１０３）上形成的栅电极（１０５）。栅电极（１０５）通过在覆盖第一层间绝缘膜（１０６）的第二层间绝缘膜（１０７）上形成的金属布线（１０９），与在覆盖该栅电极（１０５）的第一层间绝缘膜（１０６）上形成的电阻元件（１０８）电连接。这样，可以同时实现导通电阻的减小和截止电容的减小，并且获得栅宽的最优设计值。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在移动电话机等高频通信机器中使用的开关用半导体器件及开关电路。
技术介绍
近年以移动电话机为代表的移动通信器材，普遍采用高频开关电路在发射电路和接收电路之间切换通过天线发射接收的高频信号。高频开关电路的重要电特性是，导通状态时的插入损耗特性和截止状态时的隔离特性。以前，为使插入损耗特性和隔离特性并存，采用在砷化镓(GaAs)构成的基片上制作的砷化镓类场效应晶体管。尽管已经进入到由硅(Si)或者硅锗(SiGe)取代砷化镓的时代，移动通信器材的高频部件的开关集成电路器件仍然保持使用砷化镓(GaAs)类化合物半导体的趋势。图17表示现有的由场效应晶体管FET1、FET2、和配置在各晶体管FET1及FET2的栅极与控制端子CTL1、CTL2之间的电阻R1、R2所构成的高频开关电路的电路构成图(如，参照非专利文献1)。当在FET1的控制端子CLT1上施加0V电压，并且在FET2的控制端子CLT2上施加-5V电压，则开关电路处于导通状态；反之，当在FET1的控制端子CLT1上施加-5V电压，并且在FET2的控制端子CLT2上施加0V电压，则开关电路处于截止状态。如前所述，对作为开关电路的重要电特性的插入损耗特性和隔离特性起决定作用的基本的器件参数有场效应晶体管处于导通状态时的漏·源间电阻的导通电阻Ron、和晶体管处于截止状态时的漏·源间电容的截止电容Coff。为减小导通时的插入损耗必须减小导通电阻Ron，另外，为提高截止时的隔离特性就必须减小截止电容Coff。但是导通电阻Ron和截止电容Coff相互之间是一种权衡关系。即为了减小导通电阻Ron，如果减小场效应晶体管的漏·源间的间隔，而相反却增大了截止电容Coff，从而引起隔离特性的恶化。III-V族氮化物，如氮化铝镓(AlGaN)与氮化镓(GaN)产生异质结所形成的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)作为取代GaAs类HFET的下一代高速电子器件受到关注，而且不只是高输出器件，也可期待成为低噪声器件。然而，作为高频开关电路的报告还没有面世。本申请的专利技术就是通过采用氮化镓(GaN)类HFET，同时实现减小导通电阻Ron和减小截止电容Coff。由AlGaN/GaN构成的HFET作为高频开关电路用器件也极有前途。第一，氮化镓(GaN)的高绝缘击穿电压能使可切换信号功率实现飞跃性地增加。一般讲，可通过开关电路的信号功率是由HFET的反向耐压和阈值Vth决定的。由于GaN类HFET与GaAs类HFET相比，其反向耐压能达到其数倍以上，因而可以切换大功率信号。然而，尽管GaN类HFET是极有前途的高频开关电路用器件，但就GaN类HFET来说，还是存在导通电阻Ron高的问题。还有，如前所述，作为高频开关电路用器件，要提高它的隔离特性就必须减小截止电容Coff。另外，开关电路的特性除与每单位栅宽的导通电阻Ron和截止电容Coff有关外，还依赖于场效应晶体管的栅宽。但是，对该栅宽最优化的方法也还是不明朗的问题。非专利文献1K.Miyatsuji and D.Ueda，“A GaAs High Power RFSingle Pole Dual Throw Switch IC for Digital Mobile CommunicationSystem”，IEEE Journal of Solid-state circuits，Vol.30，No.9 pp.979-983，September 1995。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决将GaN类HFET用于高频开关电路用器件时的问题，对使用III-V族氮化物的开关用半导体器件试图实现减小导通电阻与减小截止电容共存，并取得栅宽的最合适的设计值。为实现上述目的，本专利技术对使用III-V族氮化物开关用半导体器件，在基片上采用与砷化镓相比介电常数小的材料或者采用减小欧姆电阻的结构。具体讲，有关本专利技术的开关用半导体器件，其特征在于，包括第一化合物层，其在基片上形成，一般式为InxGa1-xN，其中0≤x≤1；第二化合物层，其在第一化合物层上形成，一般式为InyAlzGa1-y-zN，其中0≤y≤1，0＜z≤1；栅电极，其在第二化合物层上形成；和电阻器，其与栅电极连接。有关本专利技术的开关用半导体器件，由于由GaN类化合物构成，而GaN类化合物与GaAs类化合物相比介电常数小，所以能实现截止电容Coff的减小。此时，外延生长用基片上，由于能使用比GaAs类化合物介电常数小的碳化硅、蓝宝石、硅、或者氮化铝等，能更进一步减小截止电容Coff。另外，由于GaN类晶体管比GaAs类晶体管的二维电子密度高，能减小导通电阻Ron。本专利技术的开关用半导体器件，优选进一步包括第三化合物层，其被形成在基片和第一化合物层之间，一般式为AluGa1-uN，其中0＜u≤1。这样由于在基片和第一化合物层之间设置由AluGa1-uN构成的第三化合物层，因AluGa1-uN的介电常数低，能更进一步减小截止电容Coff。在本专利技术的开关用半导体器件中，优选基片为碳化硅、蓝宝石、硅或者氮化铝。本专利技术的开关用半导体器件，优选进一步包括欧姆电极，其被形成在第二化合物层上；在第二化合物层中的在欧姆电极的下方区域中，掺杂n型杂质。这样，由于减小了第二化合物层和欧姆电极的接触电阻，能确保减小导通电阻Ron。进一步，这时优选n型杂质掺杂到第二化合物层中的与欧姆电极的界面及其附近的区域中。并且，优选n型杂质为硅。在本专利技术的开关用半导体器件中，假定栅电极的栅宽为Wg，栅电极中每单位栅宽的沟道截止时的漏·源间电容为Coff，每单位栅宽的最大漏极电流为Imax，耐压为Vb，系统的特征阻抗为Zo，工作频率为f，则优选栅宽Wg具有Vb/(Imax·Zo)≤Wg≤1/(2π·f·Coff·Zo)的关系。这样，晶体管的栅宽设定在不超过上式左边的耐压值，并且受到上式右边对截止电容Coff和特征阻抗Zo的关系的限制。此外，由于柵宽设定为最优值，可以有效传递高频信号。并且，由于基片材料的介电常数小，使截止电容Coff减小，从而可以同时实现减小插入损耗和提高隔离特性。在本专利技术的开关用半导体器件中，优选栅电极由单一的栅电极构成；进一步包括升压电路，其对栅电极施加将电源电压升压后的升压电压。这样，利用升压电路，可以减少晶体管的级数，进而即便是只有单一栅极的单栅结构，也能切换输入功率大的RF信号。在本专利技术的开关用半导体器件中，优选在栅电极和第二化合物层之间形成栅绝缘膜。这样，栅电极采用所谓的MIS型，能实现高耐压。有关本专利技术的开关电路，其特征在于，包括在输入端子和输出端子之间串联连接的第一晶体管、和与第一晶体管分路连接的第二晶体管；第一晶体管和第二晶体管，形成在同一基片上，分别包括第一化合物层，其一般式为InxGa1-xN，其中0≤x≤1；第二化合物层，其在第一化合物层上形成，一般式为InyAlzGa1-y-zN，其中0≤y≤1，0＜z≤1；栅电极，其在第二化合物层上形成；和电阻器，其与栅电极连接。依据本专利技术的开关电路，采用本专利技术的一对开关用半导体器件可以构成具有分路电路(支路)的开关电路。本专利技术的开关电路，优选具有第一开关电路和第二开关电路，分别包含第一晶体管和第二晶体管；第一开关电路中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关用半导体器件，其特征在于，包括：第一化合物层，其在基片上形成，一般式为Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ，其中０≤ｘ≤１；第二化合物层，其在所述第一化合物层上形成，一般式为Ｉｎ↓［ｙ］Ａｌ↓［ｚ］Ｇａ↓［１－ｙ－ｚ］Ｎ， 其中０≤ｙ≤１，０＜ｚ≤１；栅电极，其在所述第二化合物层上形成；和电阻器，其与所述栅电极连接。

【技术特征摘要】
JP 2003-8-20 2003-2960601.一种开关用半导体器件，其特征在于，包括第一化合物层，其在基片上形成，一般式为InxGa1-xN，其中0≤x≤1；第二化合物层，其在所述第一化合物层上形成，一般式为InyAlzGa1-y-zN，其中0≤y≤1，0＜z≤1；栅电极，其在所述第二化合物层上形成；和电阻器，其与所述栅电极连接。2.根据权利要求1所述的开关用半导体器件，其特征在于，进一步包括第三化合物层，其被形成在所述基片和所述第一化合物层之间，一般式为AluGa1-uN，其中0＜u≤1。3.根据权利要求1所述的开关用半导体器件，其特征在于，所述基片为碳化硅、蓝宝石、硅或者氮化铝。4.根据权利要求1所述的开关用半导体器件，其特征在于，进一步包括欧姆电极，其被形成在所述第二化合物层上；在所述第二化合物层中的在所述欧姆电极的下方区域中，掺杂n型杂质。5.根据权利要求1所述的开关用半导体器件，其特征在于，进一步包括欧姆电极，其被形成在所述第二化合物层上；在所述第二化合物层中的与所述欧姆电极的界面及其附近的区域中，掺杂n型杂质。6.根据权利要求4或者5所述的开关用半导体器件，其特征在于，所述n型杂质为硅。7.根据权利要求1～5中任一项所述的开关用半导体器件，其特征在于，假定所述栅电极的栅宽为Wg，所述栅电极中每单位栅宽的沟道截止时的漏·源间电容为Coff，每单位栅宽的最大漏极电流为Imax，耐压为Vb，系统的特征阻抗为Zo，工作频率为f，则栅宽Wg具有Vb/(Imax·Zo)≤Wg≤1/(2π·f·Coff·Zo)的关系。8.根据权利要求1～5中任一项所述的开关用半导体器件，其特征在于，所述栅电极由单一的栅电极构成；进一步包括升压电路，其对所述栅电极施加将电源电压升压后的升压电压。9.根据权利要求1～5中任一项所述的开关用半导体器件，其特征在于，在所述栅电极和所述第二化合物层之间形成栅绝缘膜。10.根据权利要求9所述的开关用半导体器件，其特征在于，所述栅绝缘膜由氧化镓、氧化铝、或者氮化铝构成。11.一种开关电路，其特征在于，包括在输入端子和输出端子之间串联连接的第一晶体管、和与所述第一晶体管分路连接的第二晶体管；所述第一晶体管和所述第二晶体管，形成在同一基片上，分别包括第一化合物层，其一般式为InxGa1-xN，其中0≤x...

【专利技术属性】
技术研发人员：石田秀俊，田中毅，上田大助，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]