DE102020215006A1 - Vertikales Leistungshalbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements - Google Patents
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Abstract
Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) mit einem Halbleitersubstrat (202, 302) und einer leitfähigen Kontakthalbleiterschicht (204, 304), wobei die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) oberhalb des Halbleitersubstrats (202, 302) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (202, 302) ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist und die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke aufweist, wobei die erste Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements.
- Bekannt sind native Galliumnitridsubstrate, auf denen für das vertikale Leistungshalbleiterbauelement benötigte zusätzliche epitaktische Galliumnitridschichten abgeschieden werden können.
- Nachteilig ist hierbei, dass native Galliumnitridsubstrate einen geringen Durchmesser aufweisen und teuer sind.
- Vertikale Leistungshalbleiterbauelemente auf der Basis von Galliumnitrid mit einem Siliziumsubstrat benötigen zur Reduktion des Gitterfehlpasses zwischen den Galliumnitridschichten und dem Siliziumsubstrat, sowie zur Reduktion der Substratwölbung Bufferschichten.
- Nachteilig ist hierbei, dass diese Zwischenschichten isolierend sind, wodurch der Stromfluss von der Vorderseite zur Rückseite des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements verhindert wird und zusätzlich die Dicke der Galliumnitridschicht begrenzt wird.
- Um vertikale Bauelemente dennoch auf kostengünstigen Siliziumsubstraten mit epitaktisch abgeschiedenen Galliumnitridschichten herstellen zu können, wird die Bufferschicht selektiv entfernt, um die Rückseite des vertikalen Bauelements direkt kontaktieren zu können.
- Nachteilig ist hierbei der hohe Herstellungsaufwand.
- Bei der Herstellung vertikaler Bauelemente ist es ebenfalls bekannt, dotierte Bufferschichten zu verwenden, sodass auf das Anlegen eines rückseitigen Zugangs verzichtet werden kann.
- Nachteilig ist hierbei, dass die Kompensation der Substratwölbung ungünstig ist.
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.
- Offenbarung der Erfindung
- Das vertikale Leistungshalbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat und eine leitfähige Kontakthalbleiterschicht. Die leitfähige Kontakthalbleiterschicht ist oberhalb des Halbleitersubstrats angeordnet. Erfindungsgemäß weisen das Halbleitersubstrat ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke und die leitfähige Kontakthalbleiterschicht ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke auf. Die erste Bandlücke ist größer als die zweite Bandlücke. Mit anderen Worten das erste Halbleitermaterial ist ein Halbleitermaterial mit einer sehr großen Bandlücke, ein sogenanntes Ultra-Wide-Bandgap-Material und das zweite Halbleitermaterial ist ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke, ein sogenanntes Wide-Bandgap-Material.
- Der Vorteil ist hierbei, dass die Herstellung des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements kostengünstig ist.
- In einer Ausgestaltung umfasst das erste Halbleitermaterial Ga2O3.
- Vorteilhaft ist hierbei, dass das Halbleitersubstrat große Durchmesser aufweist.
- In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die leitfähige Kontakthalbleiterschicht GaN.
- Der Vorteil ist hierbei, dass die Gitterfehlanpassung gering ist und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahezu identisch sind. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass lediglich eine geringe energetische Barriere zwischen den Leitungsbändern vorhanden ist.
- In einer Weiterbildung ist die leitfähige Kontakthalbleiterschicht heteroepitaktisch.
- Der Vorteil ist hierbei, dass die auf die Kontakthalbleiterschicht folgenden Schichten, die dasselbe Material aufweisen können wie die Kontakthalbleiterschicht, mit hoher kristalliner Qualität aufgewachsen werden können.
- In einer Weiterbildung ist die leitfähige Kontakthalbleiterschicht unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
- Vorteilhaft ist hierbei, dass die vertikale Leitfähigkeit nicht durch Zwischenschichten beeinträchtigt wird.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist eine leitfähige Driftschicht unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, wobei die leitfähige Driftschicht aus Ga203 besteht.
- Der Vorteil ist hierbei, dass das vertikale Leistungshalbleiterbauelement eine extrem hohe Durchbruchfeldstärke aufweist. Dadurch wird das Verhältnis zwischen Sperrspannung und statischem On-Widerstand positiv beinflusst.
- In einer Ausgestaltung ist das vertikale Leistungshalbleiterbauelement ein vertikaler Leistungstransistor.
- In einer Weiterbildung ist der vertikale Leistungstransistor als vertical diffusion Mosfet, ein Trench Mosfet, ein Current-Aperture Vertical Electron Transistor, ein vertical High Electron Mobility Transistor, oder Feldeffekttransistor mit einer Finnenstruktur ausgestaltet.
- In einer Ausgestaltung ist das vertikale Leistungshalbleiterbauelement eine Schottky-Diode oder eine p/n-Diode.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements umfasst das Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, das ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist, und das Aufbringen einer leitfähigen Kontakthalbleiterschicht auf dem Halbleitersubstrat, wobei die leitfähige Kontakthalbleiterschicht ein zweites Halbleitermaterial aufweist, das eine zweite Bandlücke umfasst, und die erste Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke. Das Verfahren umfasst weiterhin das Prozessieren vorderseitiger Schichten des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements, und das Erzeugen von Kontaktelektroden des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements. Unter dem Begriff vorderseitige Schichten wird dabei ein Schichtsystem verstanden, das eine gleichrichtende oder schaltende Funktion des Leistungshalbleiterbauelements ermöglicht.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
- Figurenliste
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen vertikalen Leistungstransistor aus dem Stand der Technik, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements, -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements, und -
4 ein Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements. -
1 zeigt einen vertikalen Leistungstransistor 100 aus dem Stand der Technik. Der vertikale Leistungstransistor 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 102 aus Silizium, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt. Auf der ersten Seite des Halbleitersubstrats 102 ist eine Bufferschicht 103 angeordnet, die elektrisch isolierend ist. Auf der Bufferschicht 103 ist eine n-leitfähige Kontakthalbleiterschicht 104 angeordnet. Auf der Kontakthalbleiterschicht 104 ist eine gering dotierte n-leitfähige Driftschicht 105 angeordnet. Auf der Driftschicht 105 ist eine Vorderseite 106 des vertikalen Leistungstransistors 100 mit den aktiven Bereichen angeordnet. Auf der Vorderseite 106 ist eine Sourceelektrode 107 und eine Gateelektrode 108 angeordnet. Ausgehend von einer Oberfläche der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 102 erstreckt sich ein Graben 109 in Richtung der ersten Seite. Auf dem Graben 109 ist eine Drainelektrode 101 angeordnet. Sowohl die Kontakthalbleiterschicht 104 als auch die Driftschicht 105 sind mittels Epitaxie erzeugt. Die Kontakthalbleiterschicht 104, die Driftschicht 105 und die Vorderseite 106 des vertikalen Leistungstransistors 100 umfassen GaN. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von GaN und Si, sowie die Gitterfehlanpassung führen dazu, dass die GaN-Schichten nur eine maximale Dicke aufweisen können. Diese Dicke begrenzt dabei die Durchbruchspannung des vertikalen Leistungstransistors. -
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements 200 beispielhaft in Form eines vertikalen Leistungstransistors mit einem Halbleitersubstrat 202, das ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist. Auf dem Halbleitersubstrat 202 ist eine leitfähige Kontakthalbleiterschicht 204 mit einem zweiten Halbleitermaterial angeordnet, wobei das zweite Halbleitermaterial eine zweite Bandlücke aufweist. Zwischen dem Halbleitersubstrat 202 und der leitfähigen Kontakthalbleiterschicht 204 können weitere leitfähige Zwischenschichten angeordnet sein, die die Gitteranpassung verbessern. Auf der leitfähigen Kontakthalbleiterschicht 204 ist eine leitfähige Driftschicht 205 angeordnet. Auf der leitfähigen Driftschicht 205 ist ein vorderseitiges Schichtensystem 206 angeordnet und schematisch dargestellt. Bei der vorliegenden Leistungstransistorarchitektur handelt es sich hierbei um das p/n+Gatedielektrikum. Der vertikale Leistungstransistor kann beispielsweise als vertical diffusion Mosfet, Trench Mosfet, Current-Aperture Vertical Electron Transistor, vertical High Electron Mobility Transistor oder Feldeffekttransistor mit einer Finnenstruktur ausgestaltet sein. Das erste Halbleitermaterial ist Ga203. Somit weist die erste Bandlücke einen Wert von 4,9 eV auf. Das zweite Halbleitermaterial umfasst GaN, wobei die zweite Bandlücke einen Wert von 3,4 eV aufweist. Die Driftschicht 205 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel GaN. Die leitfähige Kontakthalbleiterschicht 204 und die leitfähige Driftschicht 205 sind jeweils n-dotiert, wobei die Driftschicht 205 eine wesentlich geringere Dotierung aufweist. -
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements 300 in Form eines vertikalen Leistungstransistors. Der vertikale Leistungstransistor umfasst ein Halbleitersubstrat 302 aus Ga203, das stark n-dotiert ist. Unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat 302 ist eine schwach n-dotierte Driftschicht 305 aus Ga203 angeordnet. Auf der n-dotierten Driftschicht 305 ist eine n-dotierte Kontaktschicht 304 aus GaN angeordnet. Oberhalb der n-dotierten Kontaktschicht 304 ist ein vorderseitiges Schichtensystem 306 des vertikalen Leistungstransistors 300 angeordnet und schematisch dargestellt. Auf dem vorderseitigen Schichtensystem 306 sind schematisch dargestellt eine Sourceelektrode 307 und eine Gateelektrode 308 angeordnet. Unterhalb des Halbleitersubstrats 302 ist eine Drainelektrode 301 angeordnet. - In einem nicht gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat 202 und 302 nach Fertigstellung des vertikalen Leistungstransistors mittels selektivem Ätzen oder mittels Lift-off entfernt werden, da die thermische Leitfähigkeit von Ga203 gering ist. Das Halbleitersubstrat 202 und 302 aus Ga203 ist besonders geeignet, da sich die epitaktischen GaN-Schichten in der bevorzugten Bruchrichtung von Ga203 leicht lösen lassen. Die Drainelektrode 201 und 301 ist unmittelbar mit der leitfähigen Kontakthalbleiterschicht 204 und 304 elektrisch leitend verbunden. Alternativ kann zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ein Graben im Halbleitersubstrat 202 und 302 erzeugt werden. Dieser Graben erstreckt sich ausgehend von einer Rückseite des Halbleitersubstrats 202 und 302 in das Innere des Halbleitersubstrats 202 und 302. Der Graben kann in einem bestimmten Bereich die Tiefe des Halbleitersubstrats 202 und 302 aufweisen, sodass die leitfähige Kontakthalbleiterschicht 204 und 304 offenliegt und mit der Drainelektrode 201 und 301 elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich kann der Graben mit einem weiteren Metall, z. B. Kupfer, verfüllt werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Dies trägt auch zur mechanischen Stabilität des vertikalen Leistungstransistors bei.
- Alternativ kann das vertikale Leistungshalbleiterbauelement 200 und 300 als Schottky-Diode oder pn-Diode ausgestaltet sein. Das vorderseitige Schichtensystem 206 und 306 des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements 200 und 300 umfasst bei der Schottky-Diodenarchitektur einen Schottky-Kontakt und bei der pn-Diodenarchitektur eine p-Halbleiterschicht.
- Die vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente 200 und 300, insbesondere die vertikalen Leistungstransistoren, können im elektrischen Antriebsstrang, beispielsweise im DC/DC-Wandler oder im Inverter, von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen Anwendung finden. Sie können ebenfalls in Kraftfahrzeugladegeräten oder in Invertern von Haushaltsgeräten angewendet werden.
-
4 zeigt ein Verfahren 400 zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements. Das Verfahren 400 startet mit dem Schritt 410, indem ein Halbleitersubstrat mit einem ersten Halbleitermaterial, das eine erste Bandlücke aufweist, bereitgestellt wird. In einem folgenden Schritt 420 wird eine leitfähige Kontakthalbleiterschicht mit einem zweiten Halbleitermaterial, das eine zweite Bandlücke aufweist, mittels Epitaxie auf das Halbleitersubstrat aufgebracht, wobei die erste Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke. In einem folgenden Schritt 430 wird ein vorderseitiges Schichtensystem des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements erzeugt. In einem folgenden Schritt 440 werden Kontaktelektroden des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements mittels Metallabscheidung erzeugt.
Claims (10)
- Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) mit einem Halbleitersubstrat (202, 302) und einer leitfähigen Kontakthalbleiterschicht (204, 304), wobei die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) oberhalb des Halbleitersubstrats (202, 302) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (202, 302) ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist und die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke aufweist, wobei die erste Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke.
- Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial Ga203 umfasst. - Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) GaN umfasst. - Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) heteroepitaktisch ist.
- Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Kontakthalbleiterschicht (204, 304) unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat (202, 302) angeordnet ist.
- Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass eine leitfähige Driftschicht (205, 305) unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat (202, 302) angeordnet ist, wobei die leitfähige Driftschicht (205, 305) aus Ga203 ist. - Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vertikale Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) ein vertikaler Leistungstransistor ist.
- Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Leistungstransistor als vertical diffusion Mosfet, ein Trench Mosfet, ein Current-Aperture Vertical Electron Transistor, ein vertical High Electron Mobility Transistor, oder Feldeffekttransistor mit einer Finnenstruktur ausgestaltet ist. - Vertikales Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das vertikale Leistungshalbleiterbauelement (200, 300) eine Schottky-Diode oder eine p/n-Diode ist. - Verfahren (400) zur Herstellung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements mit den Schritten: • Bereitstellen (410) eines Halbleitersubstrats mit einem ersten Halbleitermaterial, das eine erste Bandlücke aufweist, • Aufbringen (420) einer leitfähigen Kontakthalbleiterschicht auf dem Halbleitersubstrat, wobei die leitfähige Kontakthalbleiterschicht ein zweites Halbleitermaterial aufweist, das eine zweite Bandlücke umfasst, wobei die erste Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke, • Prozessieren (430) vorderseitiger Schichten des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements, und • Erzeugen (440) von Kontaktelektroden des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements.
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| DE102022208933A1 (de) | 2022-08-29 | 2024-02-29 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Prozessierter Halbleiterwafer und Verfahren zum Herstellen eines prozessierten Halbleiterwafers |
| DE102022209804A1 (de) | 2022-09-19 | 2024-03-21 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, sowie ein Halbleiterbauelement |
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