JP7628943B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

半導体装置の使用中に、半導体基板が発熱する。半導体基板の中心部は、半導体基板の外周部よりも高温になり易い。特許文献１には、電流が流れるセルの密度を、半導体基板の中心部では半導体基板の外周部よりも低くする技術が開示されている。この技術によれば、半導体基板の中心部の温度上昇を抑制できる。

特開２００７－０２７４４０号公報

半導体基板の熱伝導率が、異方性を有する場合がある。このような半導体基板においては、半導体基板の形状が熱伝導率の異方性に適合していないと、半導体基板の中心部で温度上昇が生じ易くなる場合がある。本明細書では、熱伝導率に異方性を有する半導体基板において、その中心部の温度上昇を抑制する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置は、厚み方向に沿って見たときに第１方向に沿って伸びる辺と第２方向に沿って伸びる辺を備える長方形の形状を備える半導体基板を有する。前記半導体基板の前記第１方向における熱伝導率Ｋ１が、前記半導体基板の前記第２方向における熱伝導率Ｋ２と異なる。前記半導体基板の前記第１方向における長さＬ１と前記半導体基板の前記第２方向における長さＬ２が、

という関係を、誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たす。

この半導体装置では、半導体基板の中心部から第１方向に沿って半導体基板の端部に達する経路の熱抵抗が、半導体基板の中心部から第２方向に沿って半導体基板の端部に達する経路の熱抵抗と略等しくなる。したがって、半導体基板の中心部から第１方向と第２方向の両方に効率的に放熱することができ、半導体基板の中心部の温度上昇を抑制することができる。

実施例１の半導体装置が備える半導体チップの平面図。 実施例１の半導体装置の、［０１０］方向に沿う縦断面図。 β型酸化ガリウムの熱伝導率と温度Ｔの関係を示すグラフ。 実施例２の半導体装置が備える半導体チップの平面図。 実施例２の半導体装置の、［０１０］方向に沿う縦断面図。

本明細書が開示する一例の半導体装置では、前記半導体基板が酸化物半導体により構成されていてもよい。また、前記半導体基板が酸化ガリウムにより構成されていてもよい。また、前記半導体基板がβ型酸化ガリウムにより構成されていてもよい。この場合、前記第１方向が、［０１０］方向であってもよい。

本明細書が開示する一例の半導体装置は、前記半導体基板の上面に設けられた上面電極と、前記半導体基板の下面に設けられた下面電極をさらに有していてもよい。また、前記上面電極と前記下面電極の間に前記半導体基板を介して電流が流れてもよい。この場合、前記下面電極に放熱板が接合されていてもよい。また、前記放熱板が等方的熱伝導特性を有していてもよい。また、前記上面電極に金属ブロックが接合されていてもよい。また、前記金属ブロックが等方的熱伝導特性を有していてもよい。

本明細書が開示する一例の半導体装置は、前記半導体基板の温度を検出する温度検出素子をさらに有していてもよい。前記温度検出素子が、前記半導体基板の上面の中央部に設けられていてもよい。

図１、２に示す実施例１の半導体装置１０は、半導体チップ１２と、金属ブロック３０と、放熱板４０を有している。金属ブロック３０は、半導体チップ１２の上面に固定されている。放熱板４０は、半導体チップ１２の下面に固定されている。実施例１では、半導体チップ１２は、ショットキーバリアダイオードである。

半導体チップ１２は、半導体基板２２と上面電極２６と下面電極２８を有している。半導体基板２２は、β型酸化ガリウムにより構成されている。半導体基板２２の上面２２ａは、β型酸化ガリウムの（００１）面によって構成されている。すなわち、半導体基板２２の厚み方向は、β型酸化ガリウムの［００１］方向と平行である。以下では、半導体基板２２の厚みを、厚みＤという。図１に示すように半導体基板２２を厚み方向に沿って見たときに、半導体基板２２は、横方向に長い長方形の形状を有している。半導体基板２２を上側から見たときに、長辺２３はβ型酸化ガリウムの［０１０］方向と平行であり、短辺２４はβ型酸化ガリウムの［１００］方向と平行である。以下では、長辺２３の長さ（すなわち、半導体基板２２の［０１０］方向における長さ）を長さＬ１といい、短辺２４の長さ（すなわち、半導体基板２２の［１００］方向における長さ）を長さＬ２という。

上面電極２６は、半導体基板２２の上面２２ａを覆っている。上面電極２６は、半導体基板２２に対してショットキー接触している。下面電極２８は、半導体基板２２の下面２２ｂを覆っている。下面電極２８は、半導体基板２２に対してオーミック接触している。したがって、半導体基板２２と、上面電極２６と、下面電極２８によって、ショットキーバリアダイオードが形成されている。上面電極２６の電位が下面電極２８の電位よりも高いと、半導体基板２２の内部を通って上面電極２６から下面電極２８へ電流が流れる。上面電極２６の電位が下面電極２８の電位よりも低いと、半導体基板２２に流れる電流が停止する。

上面電極２６には、金属ブロック３０がはんだ等を介して接合されている。なお、図示していないが、金属ブロック３０の上面には、絶縁層等を介して放熱板が接合されている。金属ブロック３０は、半導体チップ１２に電流を流す配線部材として機能するとともに、半導体チップ１２から熱を逃がす放熱部材として機能する。金属ブロック３０は、銅等の金属によって構成されている。金属ブロック３０は、等方的熱伝導特性を有する。すなわち、金属ブロック３０の熱伝導率は、いずれの方向でも等しい。

下面電極２８には、放熱板４０がはんだ等を介して接合されている。放熱板４０は、半導体チップ１２に電流を流す配線部材として機能するとともに、半導体チップ１２から熱を逃がす放熱部材として機能する。放熱板４０は、アルミニウム等の金属によって構成されている。放熱板４０は、等方的熱伝導特性を有する。すなわち、放熱板４０の熱伝導率は、いずれの方向でも等しい。

β型酸化ガリウムによって構成された半導体基板２２は、熱伝導率に異方性を有している。すなわち、β型酸化ガリウムの熱伝導率は、結晶方向によって異なる。図３は、β型酸化ガリウムの熱伝導率と温度Ｔの関係を、結晶方向ごとに示している。図３に示すように、β型酸化ガリウムでは［０１０］方向の熱伝導率がその他の方向の熱伝導率よりも高い。上述したように、半導体基板２２を厚み方向に沿って見たときに、長辺２３は［０１０］方向と平行であり、短辺２４は［１００］方向と平行である。したがって、長辺２３に沿う方向における半導体基板２２の熱伝導率Ｋ１は、短辺２４に沿う方向における半導体基板２２の熱伝導率Ｋ２よりも高い。例えば、Ｔ＝１５０℃における［０１０］方向の熱伝導率Ｋ１は１４．４Ｗ／ｍＫであり、１５０℃における［１００］方向の熱伝導率Ｋ２は７．２Ｗ／ｍＫである。

半導体基板２２の長さＬ１、Ｌ２は、下記の数式１を、誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たす。

数式１を誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たすことは、下記数式２を満たすことに等しい。

ショットキーバリアダイオードがオンして半導体基板２２に電流が流れると、半導体基板２２が発熱する。半導体基板２２が上面２２ａ及び下面２２ｂの広い範囲で金属ブロック３０及び放熱板４０に接合されているので、半導体基板２２全体に比較的均等に電流が流れる。また、半導体基板２２が上面２２ａ及び下面２２ｂの広い範囲で金属ブロック３０及び放熱板４０に接合されているので、半導体基板２２の全体で金属ブロック３０及び放熱板４０によって略均等に放熱が行われる。このように、半導体基板２２に均等に電流が流れるとともに半導体基板２２で均等に放熱が行われると、半導体基板２２の中心部２２ｃが、半導体基板２２の中で最も高温となる。すなわち、半導体基板２２で発生した熱は、半導体基板２２の内部を横方向（すなわち、厚み方向に直交する方向）にも移動する。半導体基板２２の中心部２２ｃは、半導体基板２２の外周端面から遠いため、高温になり易い。ショットキーバリアダイオードは、半導体基板２２の中心部２２ｃの温度が基準値（すなわち、ショットキーバリアダイオードに対して設定されている最高動作温度（例えば、１５０℃））を超えないように制御される。例えば、ショットキーバリアダイオードの動作条件に基づいて中心部２２ｃの温度が予測され、中心部２２ｃの温度が基準値を超えないようにショットキーバリアダイオードの電流値や通電時間が制限される。実施例１の半導体装置１０では、半導体基板２２の形状が上記数式１を満たす形状であるため、中心部２２ｃの温度上昇が抑制される。以下に、中心部２２ｃの温度上昇抑制について、詳細に説明する。

図１の放熱経路１０１は、中心部２２ｃから［０１０］方向に沿って短辺２４（すなわち、半導体基板２２の外周端面）まで達する放熱経路を示している。また、図１の放熱経路１０２は、中心部２２ｃから［１００］方向に沿って長辺２３（すなわち、半導体基板２２の外周端面）まで達する放熱経路を示している。また、一般に、放熱経路の熱抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｌｒ／（Ｓ・Ｋ）の数式によって定まる。なお、この数式において、変数Ｌｒは放熱経路の長さであり、変数Ｓは放熱経路の断面積であり、変数Ｋは放熱経路の熱伝導率である。放熱経路１０１の断面積Ｓ１は、長さＬ２と厚みＤの積である。また、放熱経路１０１の長さＬｒ１は、長さＬ１の半分である。したがって、放熱経路１０１の熱抵抗Ｒ１は、Ｒ１＝Ｌｒ１／（Ｓ１・Ｋ１）＝Ｌ１／（２・Ｌ２・Ｄ・Ｋ１）の関係を満たす。放熱経路１０２の断面積Ｓ２は、長さＬ１と厚みＤの積である。また、放熱経路１０２の長さＬｒ２は、長さＬ２の半分である。したがって、放熱経路１０２の熱抵抗Ｒ２は、Ｒ２＝Ｌｒ２／（Ｓ２・Ｋ２）＝Ｌ２／（２・Ｌ１・Ｄ・Ｋ２）の関係を満たす。放熱経路１０１の熱抵抗Ｒ１と放熱経路１０２の熱抵抗Ｒ２が等しい場合には、Ｌ１／（２・Ｌ２・Ｄ・Ｋ１）＝Ｌ２／（２・Ｌ１・Ｄ・Ｋ２）の関係が満たされる。この数式は、上記数式１と等しい。したがって、上記数式１を満たすことは、放熱経路１０１の熱抵抗Ｒ１と放熱経路１０２の熱抵抗Ｒ２が等しいことを意味する。

上述したように、半導体基板２２の長さＬ１、Ｌ２は、上記数式１を誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たす。したがって、半導体基板２２では、放熱経路１０１の熱抵抗Ｒ１と放熱経路１０２の熱抵抗Ｒ２がほぼ等しい。このため、ショットキーバリアダイオードが動作したときに、中心部２２ｃから放熱経路１０１と放熱経路１０２によって略均等に放熱される。したがって、中心部２２ｃが効率的に放熱され、中心部２２ｃの温度上昇が抑制される。このため、実施例１の半導体装置１０は、比較的厳しい温度条件でも動作を継続することができる。

なお、図３に示すように、熱伝導率は、半導体基板の温度によって変化する。上記数式１の熱伝導率Ｋ１、Ｋ２として、半導体装置の動作温度範囲内の温度における熱伝導率を採用することができる。例えば、半導体装置の最高動作温度（例えば、１５０℃）における熱伝導率を、熱伝導率Ｋ１、Ｋ２として用いることができる。

図４、５は、実施例２の半導体装置１１０を示している。なお、図４、５では、実施例１の半導体装置１０の各部に対応する部分に対して、実施例１と同様の参照符号を付している。実施例２の半導体装置１１０では、半導体チップ１２は、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）である。すなわち、半導体基板２２の内部に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース層、ボディ層、ドレイン層等を有するＭＯＳＦＥＴ構造が形成されている。実施例２では、上面電極２６がＭＯＳＦＥＴのソース電極であり、下面電極２８がＭＯＳＦＥＴのドレイン電極である。上面電極２６は金属ブロック３０に接続されており、下面電極２８は放熱板４０に接続されている。なお、実施例２では、金属ブロック３０は、後述する温度検出素子９０を覆うように配置されている。

実施例２では、半導体基板２２の上面２２ａに、温度検出素子９０が設けられている。温度検出素子９０は、半導体基板２２の上面２２ａ上に設けられたポリシリコン膜によって構成されているｐｎダイオードである。温度検出素子９０は、図示しない層間絶縁膜によって半導体基板２２から絶縁されている。上面電極２６は、温度検出素子９０とその配線９１、９２を避けるように、上面２２ａに設けられている。また、半導体基板２２の上面２２ａには、信号電極２７ａ～２７ｃが設けられている。信号電極２７ａ～２７ｃは、上面電極２６の隣に配置されている。信号電極２７ａ～２７ｃのそれぞれは、ワイヤー９４によって図示しない端子に接続されている。

信号電極２７ｃは、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極（図示省略）に接続されている。ＭＯＳＦＥＴは、下面電極２８（すなわち、ドレイン電極）に上面電極２６（すなわち、ソース電極）よりも高い電位が印加された状態で使用される。信号電極２７ｃ（すなわち、ゲート電極）に所定の電位が印加されると、ＭＯＳＦＥＴがオンし、半導体基板２２の内部を下面電極２８から上面電極２６に向かって電流が流れる。信号電極２７ｃの電位が低下すると、ＭＯＳＦＥＴがオフし、電流が停止する。

信号電極２７ａは、配線９１によって温度検出素子９０に接続されている。信号電極２７ｂは、配線９２によって温度検出素子９０に接続されている。信号電極２７ａと信号電極２７ｂを介して、温度検出素子９０（すなわち、ｐｎダイオード）に定電流を流すことができる。温度検出素子９０の温度が変化すると、温度検出素子９０で生じる順方向電圧降下が変化する。したがって、信号電極２７ａと信号電極２７ｂの間の電圧を測定することで、温度検出素子９０の温度を検出することができる。温度検出素子９０が半導体基板２２の上面２２ａの中心に設けられているので、温度検出素子９０によって半導体基板２２の中心部２２ｃの温度を検出することができる。

実施例２でも、半導体基板２２は、β型酸化ガリウムにより構成されている。実施例２でも、実施例１と同様に、長辺２３が［０１０］方向と平行であり、短辺２４が［１００］方向と平行である。実施例２でも、半導体基板２２の長さＬ１、Ｌ２は、上記数式１を、誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たす。

実施例２では、ＭＯＳＦＥＴの動作中に、半導体基板２２が発熱する。また、ＭＯＳＦＥＴの動作中に、半導体基板２２の中心部２２ｃの温度が温度検出素子９０によって検出される。ＭＯＳＦＥＴ９０は、温度検出素子９０によって検出される中心部２２ｃの温度が基準値（例えば、ＭＯＳＦＥＴに対して定められた最高動作温度）を超えないように制御される。例えば、温度検出素子９０の検出温度が基準値を超えると、ＭＯＳＦＥＴに流れる電流が抑制される場合がある。また、例えば、温度検出素子９０の検出温度が基準値を超えると、ＭＯＳＦＥＴの動作時間が制限される場合がある。実施例２でも実施例１と同様に、半導体基板２２の長さＬ１、Ｌ２が数式１を誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たすので、半導体基板２２の中心部２２ｃから熱が効率的に放出される。したがって、半導体基板２２の中心部２２ｃの温度上昇が抑制され、温度検出素子９０によって検出される温度の上昇が抑制される。したがって、ＭＯＳＦＥＴは厳しい温度条件でも動作を継続することができる。

なお、実施例２において、半導体基板２２中におけるＭＯＳＦＥＴのレイアウトによっては、半導体基板２２中で最も温度が高くなる箇所が中心部２２ｃからずれる場合がある。この場合、温度検出素子９０の位置を中心部２２ｃからずらしてもよい。

なお、上述した実施例１、２では、長辺２３が伸びる方向が［０１０］方向であり、短辺２４が伸びる方向が［１００］方向であった。しかしながら、長辺２３が伸びる方向における熱伝導率が短辺２４が伸びる方向における熱伝導率よりも高ければ、長辺２３が伸びる方向及び短辺２４が伸びる方向はどのような方向であってもよい。

また、上述した実施例１、２では、半導体基板２２がβ型酸化ガリウムによって構成されていたが、半導体基板２２が他の方の酸化ガリウムによって構成されていてもよいし、半導体基板２２が酸化ガリウム以外の酸化物半導体によって構成されていてもよいし、半導体基板２２が酸化物半導体以外の半導体によって構成されていてもよい。半導体基板２２の材料として、熱伝導率に異方性を有する種々の材料を用いることができる。

実施例の［０１０］方向は第１方向の一例である。実施例の［１００］方向は第２方向の一例である。実施例の長辺２３は第１方向に沿って伸びる辺の一例である。実施例の短辺２４は第２方向に沿って伸びる辺の一例である。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：半導体装置、１２：半導体チップ、２２：半導体基板、２３：長辺、２４：短辺

Claims (12)

1. 半導体装置であって、
   厚み方向に沿って見たときに、第１方向に沿って伸びる辺（２３）と第２方向に沿って伸びる辺（２４）を備える長方形の形状を備える半導体基板（２２）を有し、
   前記半導体基板の前記第１方向における熱伝導率Ｋ１が、前記半導体基板の前記第２方向における熱伝導率Ｋ２と異なり、
   前記半導体基板の前記第１方向における長さＬ１と前記半導体基板の前記第２方向における長さＬ２が、
   

   

   という関係を、誤差が－５％から＋５％の範囲内で満たす、半導体装置。
2. 前記半導体基板が酸化物半導体により構成されている、請求項１の半導体装置。
3. 前記半導体基板が酸化ガリウムにより構成されている、請求項１または２の半導体装置。
4. 前記半導体基板がβ型酸化ガリウムにより構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記第１方向が、［０１０］方向である請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記半導体基板の上面に設けられた上面電極（２６）と、
   前記半導体基板の下面に設けられた下面電極（２８）、
   をさらに有し、
   前記上面電極と前記下面電極の間に前記半導体基板を介して電流が流れる、請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記下面電極に放熱板（４０）が接合されている、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記放熱板が等方的熱伝導特性を有する、請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記上面電極に金属ブロック（３０）が接合されている、請求項６～８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記金属ブロックが等方的熱伝導特性を有する、請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記半導体基板の温度を検出する温度検出素子（９０）をさらに有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
12. 前記温度検出素子が、前記半導体基板の上面の中央部に設けられている、請求項１１に記載の半導体装置。

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