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Die Erfindung betrifft einen Heterostruktur-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung des Transistors. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Leistungstransistor mit Heterostruktur.
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Stand der Technik
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Ein HEMT-Transistor (High-Electron-Mobility Transistor = Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) ist eine spezielle Bauform des Feldeffekttransistors (FET). Von anderen Feldeffekttransistoren unterscheidet sich der HEMT durch einen leitfähigen Kanal mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit. Dazu umfasst der HEMT-Transistor eine Heterostruktur aus verschiedenen Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken. Hierfür kommen insbesondere Verbindungshalbleiter infrage, die aus Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems bestehen.
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Aus Kostengründen werden III/V-Heterostruktur-Bauelemente üblicherweise auf einem Substrat aus Silizium aufgebaut. Die Heterostruktur-Schicht, beispielsweise Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)/Galliumnitrid (GaN) weist jedoch ein anderes Kristallgitter als Silizium auf, so dass an der Grenzfläche zwischen den Materialien und dem Substrat Defekte entstehen. Ferner weist Silizium nur eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine Wärmeleistung aus dem Bereich der Heterostruktur nur schlecht abgeleitet werden kann. Darüber hinaus ist die Durchbruchfeldstärke von HEMT Leistungstransistoren durch die Anwesenheit des Siliziumsubstrats begrenzt. Dadurch kann sich ein Leckstrom vertikal durch die Heterostruktur-Schicht in das Siliziumsubstrat fortpflanzen und von dort lateral weiter ausbreiten. Dies limitiert die Spannungsfestigkeit des Transistors. Ein solcher Transistor eignet sich daher nur beschränkt als Leistungsbauelement.
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Aus „Si Trench Around Drain (STAD) Technology of GaN-DHFETs an Si Substrate for Boosting Power Performance”, P. Srivastava et al., 2011, ist bekannt, dass die Durchbruchspannung eines GaN-Leistungstransistors von ca. 650 V durch eine lokale Entfernung des Siliziumsubstrats unterhalb des Drain-Kontakts auf mehr als 2 kV erhöht werden kann. Dieses Verfahren ist für Bauelemente hoher Leistungsdichte, also mit hoher Sperrspannung oder einem hohen Nennstrom, jedoch nicht geeignet, weil durch das nun fehlende Material unterhalb des aktiven Transistorbereichs keine aktive Entwärmung stattfinden kann. Somit ist während des Betriebs mit einer erheblichen Temperaturerhöhung im aktiven Transistorbereich zu rechnen, was die Leistungsfähigkeit des Transistors stark negativ beeinflusst.
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Aus der Schrift
EP 1 394 865 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitervorrichtung bekannt, bei dem mittels einer auf einem Hilfssubstrat aufgebrachten Separatorschicht zunächst eine Halbleiterschichtenfolge erzeugt wird, bevor diese Halbleiterschichtenfolge anschließend durch die Separatorschicht von dem Hilfssubstrat getrennt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Heterostruktur-Transistor und ein Herstellungsverfahren dafür anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Heterostruktur-Transistors umfasst Schritte des Aufbauens einer Heterostruktur aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken auf einem Substrat, des Aufbringens eines Hilfssubstrats auf die Seite der Heterostruktur, die dem Substrat gegenüberliegt, des vollständigen Entfernens des Substrats und des Verbindens der Heterostruktur mit einer Trägerschicht zur Ableitung von Wärme.
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Dadurch kann die Heterostruktur kostengünstig zunächst auf einem Substrat, beispielsweise Silizium, abgeschieden werden. Die Trägerschicht kann aus einem Material gebildet sein, dessen Eigenschaften den Betrieb des Transistors verbessern, ohne dass Rücksicht auf eine Herstellbarkeit der Heterostruktur auf der Trägerschicht genommen werden müsste. So können die Vorteile eines HEMT-Transistors mit einer verbesserten thermischen und eine elektrischen Leitfähigkeit sowie einer verbesserten mechanischen Tragfähigkeit der Trägerschicht verbunden sein, so dass eine verbesserte Stromtragfähigkeit und eine erhöhte Durchbruchsspannung des entstehenden Bauelements realisiert sein kann. Darüber hinaus kann eine Chipfläche des Bauelements reduziert sein, wodurch Herstellungskosten gesenkt sein können. Das Verfahren kann es erlauben, einen) leistungsfähigen Heterostruktur-Transistor, insbesondere einen HEMT-Transistor für ein Leistungsbauelement, relativ einfach und kostengünstig herzustellen.
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Das beschriebene Verfahren kann in unterschiedlichen Varianten angewendet werden.
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In einer ersten Variante umfasst das Verbinden der Heterostruktur mit der Trägerschicht Schritte des Aufbringens der Trägerschicht auf die Seite der Heterostruktur, die dem Hilfssubstrat gegenüberliegt, und des vollständigen Entfernens des Hilfssubstrats. Die Trägerschicht umfasst bevorzugterweise ein elektrisch isolierendes und thermisch leitfähiges Material, beispielsweise eine geeignete Keramik. Dadurch kann eine gute Ableitung von anfallender Wärme durch die Trägerschicht realisiert werden.
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In einer zweiten Variante umfasst das Verbinden der Heterostruktur mit der Trägerschicht Schritte des Aufbringens einer Isolierschicht auf die Seite der Heterostruktur, die dem Hilfssubstrat gegenüberliegt, des Aufbringens der Trägerschicht auf die Isolierschicht und des vollständigen Entfernens des Hilfssubstrats.
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Die Isolierschicht kann beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN) umfassen. Dadurch kann die Trägerschicht auch elektrisch leitfähig sein. Insbesondere können Aluminium- oder Kupfer-Trägerschichten verwendet werden, die eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
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In einer dritten Variante umfasst die Trägerschicht das Hilfssubstrat und in das Hilfssubstrat eingebrachte elektrische Durchkontaktierungen. Die elektrischen Durchkontaktierungen ermöglichen es, Anschlüsse des Transistors mit einer Schaltung zu verbinden. Dadurch kann auf ein Entfernen des Hilfssubstrats verzichtet werden.
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In einer Ausgestaltung wird zusätzlich auf die Seite der Heterostruktur, die dem Hilfssubstrat gegenüberliegt, eine Isolierschicht aufgebracht. Die Isolierschicht kann im Folgenden mit einer weiteren, beispielsweise metallischen Trägerschicht zur Ableitung von Wärme verbunden werden. Dadurch kann die Heterostruktur sowohl von oben als auch von unten entwärmt werden.
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Nach einer vierten Variante umfasst das Verbinden der Heterostruktur mit einer Trägerschicht Schritte des Einbringens von vertikalen Sollbruchstellen zwischen vorbestimmten Abschnitten der Heterostruktur und des Aufbringens des vereinzelten Abschnitts auf die Trägerschicht. Ein vereinzelter Abschnitt ist dabei von Sollbruchstellen begrenzt. Der vereinzelte Abschnitt können ein einzelnes Bauelement oder auch mehrere Bauelemente sein. Ein Modul, das einen oder mehrere der Heterostruktur-Transistoren aufnimmt, kann so auf mechanischem Weg mit dem Bauelement verbunden werden.
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In einer Ausführungsform wird auf die Seite der Heterostruktur, die dem Hilfssubstrat gegenüberliegt, eine Isolierschicht aufgebracht, bevor die Sollbruchstellen eingebracht werden. Dadurch können die entstehenden Transistoren auch auf einer elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet werden. Außerdem kann der Transistor auf diese Weise unempfindlicher gegenüber mechanischen Einflüssen sein.
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Ein erfindungsgemäßer Heterostruktur-Transistor umfasst eine Heterostruktur aus verschiedenen Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken und eine Trägerschicht zur Ableitung von Wärme. Dabei wurde die Trägerschicht erst nach der Herstellung der Heterostruktur mit der Heterostruktur verbunden. Ein solcher Transistor kann insbesondere mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
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Der Heterostruktur-Transistor kann sich durch eine große elektrische Leistungsfähigkeit oder kurze Schaltzeiten bei geringen Herstellungskosten auszeichnen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen
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1 Schritte eines ersten Verfahrens zum Herstellen eines Heterostruktur-Transistors, und
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2 bis 4 weitere Verfahren zum Herstellen eines Heterostruktur-Transistors darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine Halbleiterstruktur 100, die in Schritten eines Verfahrens 200 zu einem oder mehreren Heterostruktur-Transistoren (HEMT) verarbeitet wird. Der entstehende Heterostruktur-Transistor 105 kann insbesondere ein Leistungstransistor, beispielsweise zum Einsatz in einer Steuereinrichtung für einen Elektromotor in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug oder in einem Invertersystem für eine Photovoltaikanlage, sein.
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In einem ersten Schritt 205 wird eine Heterostruktur 110 auf einem Substrat 115 bereitgestellt. Zur vereinfachten Darstellung sind Zwischenschichten, die zwischen dem Substrat 115 und der Heterostruktur 110 erforderlich sind, nicht dargestellt. Die Heterostruktur 110 umfasst ein erstes Halbleitermaterial 120 und ein zweites Halbleitermaterial 125, die vorzugsweise in Schichten übereinander angeordnet sind. Dabei haben die Halbleitermaterialien 120 und 125 unterschiedlich große Bandlücken. Beispielsweise kann eines der Halbleitermaterialien 120, 125 aus der Gruppe III und der andere aus der Gruppe V des Periodensystems stammen. Insbesondere kann das Materialsystem GaN/AlGaN verwendet werden. Das Substrat 115 ist bevorzugterweise aus Silizium gebildet, kann jedoch in anderen Ausführungsformen beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) oder Saphir umfassen. Das Substrat 115 wird bevorzugterweise maßgeblich anhand seiner Eigenschaften beim Aufbringen der Halbleitermaterialien 120 und 125 ausgewählt, elektrische oder thermische Eigenschaften des Substrat im späteren Betrieb des Transistors können vernachlässigt werden.
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In einem folgenden Schritt 210 wird ein Hilfssubstrat 130, das vorzugsweise ebenfalls Silizium umfasst, auf der Seite der Heterostruktur 110 angebracht, die dem Substrat 115 gegenüberliegt.
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In einem weiteren Schritt 215 wird das Substrat 115 vollständig entfernt. Dies kann beispielsweise nasschemisch, etwa durch KOH-Ätzen, oder durch ein geeignetes Trockenätzverfahren erfolgen.
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In einem Schritt 220 wird eine Trägerschicht 135 an der Seite der Heterostruktur 110 angebracht, an der sich zuvor das Substrat 115 befand. Die Trägerschicht 135 ist elektrisch isolierend und bevorzugterweise thermisch gut leitfähig. Beispielsweise kann eine geeignete Keramik als Trägerschicht 135 verwendet werden.
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In einem nachfolgenden Schritt 225 wird das Hilfssubstrat 130 vollständig entfernt, beispielsweise wieder durch KOH-Ätzen oder durch Trockenätzen. Optional können nun noch weitere Verarbeitungsschritte erfolgen, die die Heterostruktur 110 verändern oder weitere Schichten in ihrem Bereich anbringen oder entfernen. In einem Schritt 230 können Abschnitte 140 der Halbleiterstruktur 100 vereinzelt werden, um die einzelnen Abschnitte 140, die jeweils einen Heterostruktur-Transistor 105 bilden, beispielsweise in ein Modul zu übertragen.
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2 zeigt ein weiteres Verfahren 300, das alternativ zum Verfahren 200 aus 1 verwendet werden kann, um einen oder mehrere Heterostruktur-Transistoren 105 aus einer Halbleiterstruktur 100 herzustellen. Im Folgenden werden hauptsächlich Abweichungen vom ersten Verfahren 200 genauer beschrieben, entsprechende Schritte oder Details finden sich in obiger Beschreibung.
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Die ersten drei Schritte 305, 310 und 315 entsprechen den Schritten 205, 210 und 215 des Verfahrens 200. In einem Schritt 320 wird auf die Unterseite der Heterostruktur 110, an die Stelle, wo sich zuvor das Substrat 115 befand, eine Isolierschicht 145 aufgebracht. Die Isolierschicht 145 ist elektrisch isolierend und bevorzugterweise thermisch hochgradig leitfähig. Beispielsweise kann hierfür Aluminiumnitrid (AIN) verwendet werden.
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In einem nachfolgenden Schritt 325 wird auf die Unterseite der Isolierschicht 145, also auf die der Heterostruktur 110 abgewandte Seite der Isolierschicht 145, die Trägerschicht 135 aufgebracht. In diesem Fall kann jedoch die Trägerschicht 135 wahlweise auch elektrisch leitfähig sein. Beispielsweise kann die Trägerschicht 135 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet sein.
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In einem Schritt 330 wird das Hilfssubstrat 130 auf der Oberseite der Heterostruktur 110 vollständig entfernt, wie oben mit Bezug auf Schritt 225 des Verfahrens 200 beschrieben ist. Nach einer optionalen Weiterverarbeitung können die Abschnitte 140 der Halbleiterstruktur 100 in einem Schritt 335 vereinzelt und beispielsweise in Module eingebaut werden.
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3 zeigt ein Verfahren 400 als weitere Alternative zu den Verfahren 200 und 300 der 1 und 2. Im Folgenden werden wieder hauptsächlich Abweichungen zu den vorgenannten Verfahren genauer erläutert.
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In einem Schritt 405 wird die Heterostruktur 110 auf dem Substrat 115 bereitgestellt. In einem nachfolgenden Schritt 410 wird das Hilfssubstrat 130 auf der Oberseite der Heterostruktur 110 abgeschieden. In diesem Fall umfasst das Hilfssubstrat 130 jedoch eine oder mehrere Durchkontaktierungen 150, die in vertikaler Richtung verlaufen. Ein Ende jeder Durchkontaktierung 150 kann so in Kontakt mit der Heterostruktur 110 gelangen, während ein entgegengesetztes Ende zur elektrischen Kontaktierung an der freien Oberfläche des Hilfssubstrats 130 zur Verfügung steht.
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In einem Schritt 415 wird das Substrat 115 vollständig entfernt, wie oben mit Bezug auf die Schritte 215 und 315 beschrieben ist.
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In einem optionalen Schritt 420 kann die Isolierschicht 145 an der Unterseite der Heterostruktur 110 angebracht werden. Nach einem optionalen weiteren Prozessieren der bestehenden Schichten wie oben ausgeführt können in einem Schritt 425 die Abschnitte 140 der Halbleiterstruktur 100 vereinzelt und die entstehenden Heterostruktur-Transistoren 105 weiterverarbeitet werden, beispielsweise indem sie in ein Modul eingebaut werden.
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Im eingebauten Zustand erfolgt eine Kontaktierung der Heterostruktur 110 mittels der Durchkontaktierungen 150. So können insbesondere ein Gate-Anschluss, ein Source-Anschluss und ein Drain-Anschluss des Transistors 105 elektrisch kontaktiert werden. Optional kann durch die Hilfsschicht 130 zusätzlich eine Entwärmung der Heterostruktur 110 stattfinden. Dazu kann eine entsprechende Schicht, beispielsweise eine zusätzliche Trägerschicht 135, mit der Hilfsschicht 130 verbunden werden. Ist die optionale Isolierschicht 145 vorgesehen, so kann die zusätzliche Trägerschicht 135 wahlweise elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Wurde keine Isolierschicht 145 vorgesehen, so ist bevorzugt, dass die Trägerschicht 135 elektrisch isolierend ist.
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4 zeigt ein Verfahren 500 als Alternative zu einem der Verfahren 200 bis 400 der 1 bis 3. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zu vorgenannten Verfahren eingegangen.
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In einem ersten Schritt 505 wird die Heterostruktur 110 auf dem Substrat 115 bereitgestellt. Anschließend wird in einem Schritt 510 das Hilfssubstrat 130 auf der Seite der Heterostruktur 110 angebracht, die von dem Substrat 115 abgewandt ist. In einem Schritt 515 wird das Substrat 115 vollständig entfernt. Die Schritte 505 bis 515 entsprechen den oben beschriebenen Schritten 205 bis 215 des Verfahrens 200 von 1.
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In einem optionalen Schritt 520 wird nun die Isolierschicht 145 an der Stelle aufgebracht, wo sich zuvor das Substrat 115 befand. Nach optionalen weiteren Prozessschritten können die einzelnen Abschnitte 140 der Halbleiterstruktur 100 vereinzelt werden. Dazu können in einem Schritt 525 vertikale Gräben 155 auf mechanischem oder chemischem Wege zwischen vorbestimmten Abschnitten 140 der Heterostruktur 110 eingebracht werden.
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Die vertikalen Gräben 155, die zwischen benachbarten Abschnitten 140 liegen, zertrennen das Hilfssubstrat 130 in vertikaler Richtung bevorzugterweise nicht vollständig. Dadurch entstehen im Hilfssubstrat 130 Sollbruchstellen, so dass die einzelnen Transistoren 105 mittels eines geeigneten Manipulators abgebrochen und in einem abschließenden Schritt 530 in ein Modul 160 eingebaut werden können. Die Trägerschicht 135 ist in diesem Fall bereits am Modul 160 vorgesehen bzw. von diesem umfasst. Am Modul 160 erfolgt eine Kontaktierung des Transistors 105 wahlweise mittels Flächenkontakten, Bonddrähten oder einer anderen Kontaktiereinrichtung.
