PL241027B1

PL241027B1 - Complex semiconductor structure

Info

Publication number: PL241027B1
Application number: PL435019A
Authority: PL
Inventors: Marek Ekielski; Maciej Kamiński; Artur Trajnerowicz; Andrzej Taube
Original assignee: Siec Badawcza Lukasiewicz Instytut Tech Elektronowej
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2022-07-18
Also published as: PL435019A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest złożona struktura półprzewodnikowa, zwłaszcza struktura tranzystora mocy. Struktura posiada podłoże, w postaci objętościowego monokrystalicznego azotku galu, które pokryte jest na jednej ze stron warstwami epitaksjalnymi. W strukturze tej przez podłoże (1), i przez warstwy epitaksjalne (2) przechodzi co najmniej jeden otwór przelotowy. Na powierzchni warstwy epitaksjalnej (2) może znajdować się element aktywny (3), element bierny, ścieżka przewodząca (4) lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi.The invention relates to a complex semiconductor structure, in particular a power transistor structure. The structure has a substrate in the form of bulk monocrystalline gallium nitride, which is covered on one side with epitaxial layers. In this structure, at least one through-hole passes through the substrate (1) and through the epitaxial layers (2). On the surface of the epitaxial layer (2) there may be an active element (3), a passive element, a conducting track (4) or an electronic circuit composed of a number of active and passive elements connected by conducting tracks.

Description

PL 241 027 B1PL 241 027 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest struktura półprzewodnikowa, zwłaszcza struktura tranzystora mocy.The present invention relates to a semiconductor structure, in particular a power transistor structure.

Tranzystory mocy takie jak tranzystor HEMT AlGaN/GaN ze względu na doskonałą kombinację parametrów elektrofizycznych azotku galu, takich jak wysoka wartość krytycznego natężenia pola elektrycznego (ok. 3 MV/cm), wysoka wartość ruchliwości (powyżej 1500 cm²/Vs) i prędkości unoszenia elektronów (ok. 2x107 cm/s) oraz wysoka wartość gęstości nośników w kanale tranzystorów (1 x10¹³ cm^-2), znajdują zastosowanie w wielu gałęziach współczesnej elektroniki, do których należą przede wszystkim mikrofalowa elektronika mocy i energoelektronika, oferując znacznie lepsze parametry i porównywalną cenę niż obecnie wytwarzane elementy na bazie krzemu w obszarze energoelektroniki oraz na bazie arsenku galu w obszarze mikrofalowej elektroniki mocy.Power transistors such as HEMT AlGaN / GaN transistor due to the perfect combination of electrophysical parameters of gallium nitride, such as high critical electric field strength (approx. 3 MV / cm), high mobility value (above 1500 cm ² / Vs) and floating speed electrons (approx. 2x107 cm / s) and a high value of carrier density in the channel of transistors (1 x10 ¹³ cm ^-2 ), are used in many branches of modern electronics, which include, above all, microwave power electronics and power electronics, offering much better parameters and a price comparable to the currently manufactured silicon-based components in the field of power electronics and those based on gallium arsenide in the field of microwave power electronics.

Struktury epitaksjalne AlGaN/GaN służące do wytwarzania tranzystorów mocy dotychczas najczęściej wytwarzane były na obcych podłożach takich jak szafir, krzem czy węglik krzemu. W ostatnim okresie nastąpił znaczący postęp technik wzrostu objętościowych monokrystalicznych podłoży z azotku galu, głównie metodami HVPE (ang. hydride vapor phase epitaxy) i ammonotermalną. Dzięki zastosowaniu struktur AlGaN/GaN o niskiej gęstości dyslokacji, wytwarzanych na monokrystalicznych podłożach GaN potencjalnie możliwe jest uzyskanie przyrządów, które będą się charakteryzowały znacznie lepszymi parametrami elektrycznymi, większą niezawodnością, odpornością na promieniowanie i wysokie temperatury przy znacznie większym uzysku i powtarzalności niż przyrządy wykonywane na obcych podłożach.AlGaN / GaN epitaxial structures for the production of power transistors have so far been most often produced on foreign substrates such as sapphire, silicon or silicon carbide. Recently, there has been significant progress in the techniques of volume growth of monocrystalline gallium nitride substrates, mainly by HVPE (hydride vapor phase epitaxy) and ammonothermal methods. Thanks to the use of AlGaN / GaN structures with low dislocation density, produced on monocrystalline GaN substrates, it is potentially possible to obtain devices that will be characterized by much better electrical parameters, greater reliability, resistance to radiation and high temperatures with a much higher yield and repeatability than instruments made on GaN. foreign surfaces.

Aby w pełni wykorzystać potencjał przyrządów mikrofalowych na bazie heterostruktur AlGaN/GaN na podłożu z monokrystalicznego azotku galu, konieczne jest opracowanie dodatkowych elementów technologii przyrządów, jak np. otwory przelotowe (ang. via holes).In order to fully exploit the potential of microwave instruments based on AlGaN / GaN heterostructures on a substrate of monocrystalline gallium nitride, it is necessary to develop additional elements of instrument technology, such as via holes.

Otwory przelotowe są na przykład nieodłącznym elementem struktury każdego mikrofalowego tranzystora mocy. W większości zastosowań układy mikrofalowe wykorzystujące tranzystory HEMT AlGaN/GaN wytwarzane są w technologii linii mikropaskowej, co powoduje, że elektroda źródła tranzystora HEMT musi być połączona z masą. Aby zmniejszyć pasożytnicze indukcyjności pogarszające parametry układu takie jak wzmocnienie mocy, występujące kiedy elektrodę źródła tranzystora łączy się do masy za pomocą połączeń drutowych, najczęściej stosuje się otwory przelotowe łączące elektrodę źródła tranzystora bezpośrednio z dolną powierzchnią struktury półprzewodnikowej. Co więcej otwory przelotowe stosowane są również, jako jeden z elementów mikrofalowych monolitycznych układów scalonych w technologii tranzystorów AlGaN/GaN HEMT, łącząc elektrodę źródła tranzystora z uziemieniem układu oraz łącząc np. elementy bierne takie jak kondensatory, rezystory czy cewki z liniami transmisyjnymi układu czy uziemieniem.For example, through-holes are inherent in the structure of any microwave power transistor. In most applications, microwave circuits using HEMT AlGaN / GaN transistors are manufactured in microstrip line technology, which means that the source electrode of the HEMT transistor must be connected to ground. To reduce parasitic inductances that degrade system parameters, such as power amplification, occurring when the transistor source electrode is bonded to ground with wire connections, through-holes are most commonly used to connect the transistor source electrode directly to the bottom surface of the semiconductor structure. Moreover, the through holes are also used as one of the elements of microwave monolithic integrated circuits in the AlGaN / GaN HEMT transistor technology, connecting the transistor source electrode with the system ground and connecting, for example, passive elements such as capacitors, resistors or coils with the system transmission lines or grounding .

Ze względu na wysoką odporność chemiczną GaN jego trawienie na głębokość kilkudziesięciu mikrometrów stanowi zasadniczą trudność wykonywania otworów przelotowych w strukturach tranzystora tego typu. Najczęściej stosowaną techniką trawienia GaN oraz związków pokrewnych jest trawienie ICP w plazmach chlorowych z domieszką takich gazów jak trójchlorek boru, argon, tlen czy azot, o czym donosi przeglądowa praca “A Review of Dry Etching of GaN and Related Materials” MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 11 (2000). Maską do trawienia GaN jest zazwyczaj warstwa metaliczna bądź dielektryczna.Due to the high chemical resistance of GaN, its etching to a depth of several dozen micrometers is a major difficulty in making through holes in the structures of this type of transistor. The most commonly used technique for etching with GaN and related compounds is ICP etching in chlorine plasmas with an admixture of such gases as boron trichloride, argon, oxygen or nitrogen, as reported in the review paper "A Review of Dry Etching of GaN and Related Materials" MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 11 (2000). The GaN etching mask is typically a metallic or dielectric layer.

Dotychczas, nie zademonstrowano wykonywania otworów przelotowych w technologii tranzystorów HEMT AlGaN/GaN na podłożu z objętościowego azotku galu. Znane są natomiast sposoby wytwarzania otworów przelotowych w tranzystorach HEMT AlGaN/GaN na podłożu z węglika krzemu. W opisie patentowym US 6,475,889 B1 otwory przelotowe wykonywane są techniką trawienia ICP przez maskę tlenkową ITO. Do wytrawienia wzoru w ITO posłużono się plazmą BCI3, natomiast do trawienia SiC wykorzystano plazmę SF6. Ostatecznie, podłoże SiC z wykonanymi otworami przelotowymi służy jako maska do trawienia warstwy aktywnej AlGaN/GaN. Wg autorów zastosowanie transparentnego ITO wraz z SiC o grubości około 100 μm zapewnia możliwość dokładnego pozycjonowania wykonywanych otworów przelotowych względem obszarów kontaktów źródła i drenu tranzystora HEMT.HEMT AlGaN / GaN transistor technology on a bulky gallium nitride substrate has not been demonstrated so far. On the other hand, methods of producing through holes in HEMT AlGaN / GaN transistors on a silicon carbide substrate are known. In US 6,475,889 B1, the through holes are made by etching ICP through an ITO oxide mask. BCI3 plasma was used to etch the pattern in ITO, while SF6 plasma was used for SiC etching. Finally, the SiC substrate with the through holes serves as a mask for etching the AlGaN / GaN active layer. According to the authors, the use of transparent ITO with SiC with a thickness of about 100 μm provides the possibility of precise positioning of the through holes made in relation to the contact areas of the source and drain of the HEMT transistor.

Innym rodzajem maski jest Ni osadzany metodą elektrochemiczną. Dla przykładu, autorzy pracy “Fabrication and Electrical Properties of an AlGaN/GaN HEMT on SiC with a Taper-shaped Backside Via Hole” opublikowanej w J. Korean Phys. Soc., 67, (2015), pp. 718-722 zastosowali warstwę Ni o grubości 10 μm. Trawienie SiC prowadzono w plaźmie SF6, natomiast trawienie struktury AlGaN/GaN w mieszaninie BCI3/CI2. Innym sposobem wykonania otworu przelotowego jest zastoso-Another type of mask is Ni deposited by electrochemical method. For example, the authors of "Fabrication and Electrical Properties of an AlGaN / GaN HEMT on SiC with a Taper-shaped Backside Via Hole" published in J. Korean Phys. Soc., 67, (2015), pp. 718-722 used a Ni layer with a thickness of 10 μm. The digestion of SiC was carried out in the SF6 plasma, while the digestion of the AlGaN / GaN structure was carried out in the BCI3 / Cl2 mixture. Another way to make a through hole is to use

Claims

The use of laser ablation techniques. For this purpose, the authors of “Laser ablation of via holes in GaN and AlGaN / GaN high electron mobility transistor structures” published in J. Vac. Sci. Technol. B 24, (2006) pp. 2246-2249 used a Nd: YVO4 laser. In "Gallium nitride powerbar transistors with via holes fabricated by laser ablation" Phys. Stat. salt. (c) 3, No. 3 (2006) pp. 482-485 mentions a pulsed UV laser, while in the work "Circular and rectangular via holes formed in SiC via using ArF based UV excimer laser" published in Applied Surface Science, 257, (2011) pp. 2303-2307 an ArF excimer laser was used.

The patent CN103943677 describes a structure containing a monocrystalline Al2O3 or SiC or Si semiconductor substrate and GaN epitaxial layers with a through hole passing through the substrate. Such base materials are much easier to work with, but the parameters of such a structure are not satisfactory.

The patent KR20140073646 discloses a method of producing perforated GaN epitaxial layers, but the proposed technology is not suitable for the growth of GaN bulk substrates.

From work: S. ZHOU, Shengiun, et al. "Effect of dielectric distributed Bragg reflector on electrical and optical properties of Gan-based flip-chip Light-emitting diodes", an apparatus is known with through holes made only in epitaxial GaN layers with a total thickness of less than 1 µm.

The object of the invention is to provide a semiconductor structure based on a monocrystalline GaN substrate with at least two epitaxial layers, with at least one through hole passing through both the epitaxial layers and the monocrystalline substrate.

The semiconductor structure according to the invention comprises a monocrystalline semiconductor substrate coated on one side with at least two AlGaN / GaN epitaxial layers. In this structure, on a bulk, monocrystalline gallium nitride substrate, covered with epitaxial layers from above, there is an active element in the form of a HEMT transistor and a conducting path or an electronic system composed of many active and passive elements connected by conducting paths. On the other hand, from the bottom, the substrate is covered with titanium / gold metallic layers at least 15 nm thick, and with a gold layer of 5 μm thickness. At least one through hole passes through the substrate, through the epitaxial layers and through the conductive path or the electronic system, and through the titanium / gold layer and the gold layer, the inner walls of which are covered with titanium / gold layers at least 15 nm thick and with a gold layer with a thickness of 5 μm.

The structure according to the invention is used in EMT AlGaN / GaN transistors designed for operation in the high frequency and high power range.

The invention is explained in more detail on the basis of an embodiment shown in the drawing which shows the structure in section.

An exemplary semiconductor structure has a monocrystalline GaN semiconductor substrate 1. On the substrate 1, there are epitaxial layers 2 from the top with the HEMT epitaxial structure containing areas of the active element 3 in the form of a HEMT transistor with source S, gate G, drain D and conductive path 4. The structure is provided under the electrical connection areas (under the conductive path 4 ) into two through holes 5. Directly on the walls of the inner through holes 5 and on the bottom of the substrate 1 there is a titanium / gold layer 6 with a thickness of 15-200 nm, and a gold layer 7 with a thickness of 5 μm.

In other exemplary embodiments of the structure according to the invention, the epitaxial layers 2 may have a passive element in the form of a coil, capacitor or resistor, or an electronic circuit composed of a plurality of active and passive elements connected by conducting paths.

Patent claim

A semiconductor structure comprising a monocrystalline semiconductor substrate coated on one side with at least two epitaxial layers AlGaN / GaN, characterized in that an active element is provided on the bulk, monocrystalline gallium nitride substrate (1) covered with epitaxial layers (2) (3), in the form of a HEMT transistor and a conducting path (4) or an electronic circuit composed of many active and passive elements connected by conducting paths, while from the bottom the substrate (1)