DE112010001560T5 - GaN-FLI P-CHIP-Leistungstransistor mit elektrisch isolierter Rückseite - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleiter umfassend: ein Siliciumsubstrat, ein Verbindungshalbleitermaterial, ein Isoliermaterial zwischen dem Siliciumsubstrat und dem Verbindungshalbleitermaterial und eine Überfläche mit elektrischen Verbindungsanschlüssen sowie ein Passivierungsmaterial, wobei es sich beim Passivierungsmaterial um ein Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder eine Kombination aus beiden Substanzen handelt. Die vorliegende Erfindung macht eine dicke, elektrische Isolierung zwischen einer Wärmesenke und der Rückseite eines oberflächenmontierten Transistors durch Aufnahme einer AlN-Keimschicht, die das Siliciumsubstrat galvanisch vom Transistor trennt, überflüssig. Auch die Seitenwände des Transistors werden vom aktiven Gebiet des Transistors elektrisch isoliert.

Description

  • GaN-Transistoren werden bislang auf Siliciumbasis hergestellt und direkt auf einer gedruckten Leiterplatte montiert. Die Problematik besteht hierbei darin, dass die Rückseite des Transistors noch immer elektrisch aktiv sein kann, was zu Korrosion und Erhitzung der Rückseite führen kann. Mit dem Einsatz einer Wärmesenke zum Abkühlen geht oft auch die Isolierung der Transistorrückseite einher, wodurch der Transistor größer und kostenintensiver ist.
  • 1 zeigt das Beispiel eines klassischen Transistors 1, der auf die Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte 17 montiert ist. Auf der Leiterplatte 17 sind Kupferbahnen 15 angebracht. Durch Polyimidpassivierung 16 voneinander getrennte Lotkugeln 14 wird eine elektrische und physische Verbindung zwischen dem aktiven Gebiet 13 des Transistors und den Kupferbahnen 15 auf der gedruckten Leiterplatte 17 hergestellt. Der Transistor 1 besteht aus einer Seitenwand 12 und einer Rückseite 11, wobei die Seitenwand 12 und die Rückseite 11 auf der Vorderseite der Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden sind.
  • 2 zeigt eine Wärmesenke 19, die auf dem Transistor 1 angebracht ist und die Wärme von der Rückseite 11 des Siliciumsubstrates 10 ableitet. Wird eine Wärmesenke 19 auf der Rückseite 11 des Transistors 1 vorgesehen, muss zwischen dem Siliciumsubstrat 10 und der Wärmesenke 19 zusätzlich eine Isolierung 18 eingebracht werden, damit die Wärmesenke 19 aufgrund des Kontakts mit der Rückseite 11, die wiederum elektrisch mit der Vorderseite verbunden ist, nicht elektrisch aktiv wird. Eine zusätzliche Isolierung 18 wirkt sich jedoch nachteilig auf die Hitzeableitung weg vom Transistor 1 durch die Wärmesenke 19 aus.
  • Entsprechend ist eine Lösung für das vorstehend beschriebene Problem notwendig, das heißt ein Transistor, bei dem die Wärmesenke direkt auf der Rückseite eines oberflächenmontierten Transistors montiert werden kann, ohne eine zusätzliche Isolierschicht vorsehen zu müssen, die eine Wärmeabführung vom Transistor verhindert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die bisher im Stand der Technik bestehende und oben beschriebene Problematik durch Aufnahme einer Aluminiumnitrid-Keimschicht (AlN) zwischen dem Siliciumsubstrat und der AlGaN-Pufferschicht, damit das Siliciumsubstrat nicht elektrisch aktiv und das aktive Gebiet von den Seitenwänden des Transistors elektrisch isoliert wird.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt den Transistor auf dem Stand der Technik in der Seitenansicht.
  • 2 zeigt den Transistor auf dem Stand der Technik gemäß 1 mit einer Wärmesenke in der Seitenansicht.
  • 3 zeigt den Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht.
  • 4 zeigt den Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Wärmesenke in der Seitenansicht.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung macht eine Isolierschicht überflüssig und verbessert gleichzeitig die Hitzeübertragung zur Wärmesenke durch zusätzliche Aufnahme einer Aluminiumnitrid-Keimschicht (AlN) zwischen dem Siliciumsubstrat und der AlGaN-Pufferschicht, damit das Siliciumsubstrat nicht elektrisch aktiv und das aktive Gebiet von den Seitenwänden des Transistors elektrisch isoliert wird.
  • 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung, d. h. einen GaN-Transistor vom Anreicherungstyp 2, der auf einer gedruckten Leiterplatte 17 oberflächenmontiert ist. Wie im bisherigen Stand der Technik lässt sich mit durch Polyimidpassivierung 16 voneinander getrennten Lotkugeln 14 eine elektrische und physische Verbindung zwischen dem aktiven Gebiet 13 des Transistors und den Kupferbahnen 15 auf der gedruckten Leiterplatte 17 herstellen. Die elektrische Verbindung zum aktiven Gebiet 13 umfasst mindestens eine Gate-Elektrode, mindestens eine Drain-Elektrode und mindestens zwei Source-Elektroden, wobei eine dieser Source-Elektroden als Kelvin-Anschluss dient.
  • Der Transistor 2 der vorliegenden Erfindung ist folgendermaßen aufgebaut: Eine zumeist amorphe Niedrigtemperatur-Aluminiumnitrid-Schicht (AlN) wird auf einem Siliciumsubstrat 10 aufgebracht. Anschließend wird eine Hochtemperatur AlN-Schicht gewachsen und damit die Ausbildung der AlN-Schicht 21 abgeschlossen. Die zweite AlN-Schicht weist viele Fehler in der Kristallstruktur auf. Im nächsten Schritt wird eine AlGaN- oder InAlGaN-Schicht über der AlN-Keimschicht 21 gewachsen und die Kristallstruktur verbessert sich. Danach wird auf einer noch besseren Kristallstruktur eine undotierte GaN-Schicht gewachsen. The AlGaN-Deckschicht des aktiven Transistorgebiets 13, das zur Ausbildung des 2DEG notwendig ist, wird am Rand entlang weggeätzt, um zu verhindern, dass das 2DEG an den Rand des Transistors heranreicht. Die undatierte GaN-Schicht erstreckt sich zwar bis zum Rand, leitet aber wie die AlGaN-Pufferschicht und die darunterliegende AlN-Schicht 21 keinen Strom, weshalb die Transistorränder inaktiv bleiben. Das Siliciumsubstrat 10 wird durch eine AlN-Keimschicht 21 ähnlich vom aktiven Gebiet 13 elektrisch isoliert. Oben auf das aktive Gebiet des Transistors wird zusätzlich eine Passivierungsschicht 20 aufgebracht, die aus einem Isoliermaterial wie Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder verschiedenen Kombinationen dieser Verbindungen besteht. Für eine noch höhere elektrische Isolierung kann eine weitere Schicht 16 bestehend aus einer Epoxid- oder Polyimid-Kunststofffolie vorgesehen werden. Dank der elektrischen Isolierung werden Korrosion und Wärme auf der Rückseite 11 und an den Seitenwänden 12 des Transistors 2 reduziert.
  • 4 zeigt eine Wärmesenke 19, die auf der Rückseite 11 des Transistors 2 angebracht ist und dort die Hitzeverteilung gewährleistet. Durch die Aufnahme einer isolierenden AlN-Keimschicht 21 zur galvanischen Trennung des Siliciumsubstrates 10 und den elektrisch isolierten Seitenwänden kann die Wärmesenke 19 direkt auf die Rückseite 11 des Transistors 2 angebracht werden, ohne dass es einer Isolierschicht 18, wie in 2 dargestellt, bedarf. Aus diesem Grund weist der Transistor 2 nicht die Problematik des Transistors 1 auf, wie in 2 dargestellt. Das heißt, die Hitzeabführung vom Transistor durch die Wärmesenke 19 wird nicht durch eine dicke Isolierung 18 beeinträchtigt. Außerdem weist der Transistor 2 im Vergleich zum Transistor 1 eine höhere Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit auf. Benötigt wird lediglich eine Oberflächenpassivierung, vorzugsweise Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder eine Kombination beider Substanzen auf der Oberfläche des Transistors 2. Ein Überspritzen wird überflüssig und es entsteht ein GaN-Leistungstransistor in einem Chip-Scale-Gehäuse.
  • Durch Integration mehrerer Transistoren der vorliegenden Erfindung auf einem Siliciumsubstrat lassen sich verschiedene Schaltkreise herstellen. So können GaN-Transistoren der vorliegenden Erfindung beispielsweise auf einem Siliciumsubstrat in Halb- oder Vollbrückenschaltung eingebracht werden. Außerdem ist es möglich, den Antrieb von GaN-Leistungstransistoren der vorliegenden Erfindung durch kleinere Treibertransistoren auf demselben Siliciumsubstrat anzutreiben.
  • Die vorstehenden Beschreibungen und Zeichnungen sind lediglich erläuternd auf die zugehörigen spezifischen Ausführungen der Erfindung bezogen, mit denen sich die hierin erwähnten Eigenschaften und Vorteile erzielen lassen. Änderungen oder Zusätze spezieller Ablaufbedingungen sind möglich. Entsprechend sind die Ausführungen der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorgenannten Beschreibungen und Zeichnungen beschränkt.

Claims (12)

  1. Ein Halbleiter umfassend: ein Siliciumsubstrat; ein Verbindungshalbleitermaterial mit einem aktiven Gebiet, ein Isoliermaterial zwischen dem Siliciumsubstrat und dem aktiven Bereich, und eine Oberfläche umfassend: elektrische Anschlüsse zum aktiven Gebiet, und ein erstes Passivierungsmaterial, wobei es sich hierbei um ein Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder eine Kombination aus beiden Substanzen handelt.
  2. Der Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungshalbleitermaterial aus verschiedenen Schichten besteht, die aus einer Kombination von Indium, Gallium, Stickstoff und Aluminium zusammengesetzt sind.
  3. Der Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter ein Anreicherungs-Transistor ist.
  4. Der Halbleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp ist.
  5. Der Halbleiter nach Anspruch 1, weiter umfassend ein zweites Passivierungsmaterial aus Polyimidkunststoff.
  6. Der Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich nicht bis zum Rand des Halbleiters reicht.
  7. Der Halbleiter nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Wärmesenke, die direkt auf die Oberfläche des Siliciumsubstrates aufgebracht ist, ohne eine zusätzliche Isolierschicht zwischen dem Substrat und der Wärmesenke.
  8. Der Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung eine Lotkugel bestehend aus mehreren verschiedenen Kupfer-, Blei-, Silber-, Antimon- und Zinn-Kombinationen umfasst.
  9. Der Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung mindestens eine Gate-Elektrode, mindestens eine Drain-Elektrode und mindestens zwei Source-Elektroden umfasst, wobei eine der Source-Elektroden als Kelvin-Anschluss dient.
  10. Der Halbleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aktive Transistoren auf das Siliciumsubstrat aufgebracht werden.
  11. Der Halbleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren in Halb- oder Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
  12. Der Halbleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren durch kleine Treibertransistoren auf demselben Siliciumsubstrat angesteuert werden.
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