PL241027B1 - Struktura półprzewodnikowa - Google Patents

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.

Description

PL 241 027 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest struktura półprzewodnikowa, zwłaszcza struktura tranzystora mocy.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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-

Claims (1)

1. PL 241 027 B1 wanie techniki ablacji laserowej. W tym celu, autorzy pracy “Laser ablation of via holes in GaN and AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures” opublikowanej w J. Vac. Sci. Technol. B 24, (2006) pp. 2246-2249 zastosowali laser Nd:YVO4. W pracy “Gallium nitride powerbar transistors with via holes fabricated by laser ablation” Phys. stat. sol. (c) 3, No. 3 (2006) pp. 482-485 mowa jest o pulsacyjnym laserze UV, natomiast w pracy “Circular and rectangular via holes formed in SiC via using ArF based UV excimer laser” opublikowanej w Applied Surface Science, 257, (2011) pp. 2303-2307 zastosowany został laser ekscymerowy ArF.

   Z patentu CN103943677 znana jest struktura zawierająca monokrystaliczne podłoże półprzewodnikowe Al2O3 lub SiC lub Si oraz warstwy epitaksjalne GaN z otworem przelotowym przechodzącym przez podłoże. Takie materiały podłoża są o wiele łatwiejsze w obróbce ale parametry takiej struktury nie są zadawalające.

   Z patentu KR20140073646 znany jest sposób wytwarzania perforowanych warstw epitaksjalnych GaN ale proponowana technologia nie nadaje się do prowadzenia wzrostu podłoży objętościowych GaN.

   Z pracy: S. ZHOU, Shengiun, et al. “Effect of dielectric distributed Bragg reflektor on electrical and optical properties of Gan-based flip-chip Light-emitting diodes”, znany jest przyrząd z otworami przelotowymi wykonanymi jedynie w epitaksjalnych warstwach GaN o sumarycznej grubości poniżej 1 um.

   Celem wynalazku jest opracowanie struktury półprzewodnikowej opartej na monokrystalicznym podłożu GaN z co najmniej dwiema warstwami epitaksjalnymi, z co najmniej jednym otworem przelotowym przechodzącym zarówno przez warstwy epitaksjalne, jak i przez podłoże monokrystaliczne.

   Struktura półprzewodnikowa według wynalazku zawiera monokrystaliczne podłoże półprzewodnikowe pokryte na jednej ze stron co najmniej dwiema warstwami epitaksjalnymi AlGaN/GaN. W strukturze tej na objętościowym, monokrystalicznym podłożu z azotku galu, pokrytym od góry warstwami epitaksjalnymi znajduje się element aktywny, w postaci tranzystora HEMT oraz ścieżka przewodząca lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi. Natomiast od dołu podłoże pokryte jest warstwami metalicznymi tytan/złoto o grubości co najmniej 15 nm, i warstwą złota o grubości 5 μm. Przez podłoże, przez warstwy epitaksjalne oraz przez ścieżkę przewodzącą lub układ elektroniczny także przez warstwę tytan/złoto i warstwę złota przechodzi co najmniej jeden otwór przelotowy, którego ścianki wewnętrzne pokryte są warstwami tytan/złoto o grubości co najmniej 15 nm i warstwą złota o grubości 5 μm.

   Struktura według wynalazku znajduje zastosowanie w tranzystorach EMT AlGaN/GaN przeznaczonych do pracy w zakresie wielkich częstotliwości i wysokich mocy.

   Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia strukturę w przekroju.

   Przykładowa struktura półprzewodnikowa posiada podłoże półprzewodnikowe 1 z monokrystalicznego GaN. Na podłożu 1, od góry znajdują się warstwy epitaksjalne 2 ze strukturą epitaksjalną HEMT zawierającą obszary elementu aktywnego 3 w postaci tranzystora HEMT ze źródłem S, bramką G, drenem D oraz ścieżka przewodząca 4. Struktura zaopatrzona jest pod obszarami połączeń elektrycznych (pod ścieżką przewodzącą 4) w dwa przelotowe otwory 5. Bezpośrednio na ściankach wewnętrznych otworów przelotowych 5 oraz na spodzie podłoża 1 znajduje się warstwa tytan/złoto 6 o grubości 15-200 nm, a na niej warstwa złota 7 o grubości 5 μm.

   W innych przykładowych rozwiązaniach struktury według wynalazku na warstwach epitaksjalnych 2 może znajdować się element bierny w postaci cewki, kondensatora lub rezystora lub też układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi.

   Zastrzeżenie patentowe

   1. Struktura półprzewodnikowa zawierająca monokrystaliczne podłoże półprzewodnikowe pokryte na jednej ze stron co najmniej dwiema warstwami epitaksjalnymi AlGaN/GaN, znamienna tym, że na objętościowym, monokrystalicznym podłożu (1) z azotku galu, pokrytym od góry warstwami epitaksjalnymi (2) znajduje się element aktywny (3), w postaci tranzystora HEMT oraz ścieżka przewodząca (4) lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi, natomiast od dołu podłoże (1)