Die Erfindung betrifft ein hochohmiges Substratmaterial, ein
Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Substrat für
elektronische Bauteile oder Schaltungen.
Derartige Substrate kommen insbesondere bei kleinen, hoch
intergrierten elektronischen Bauteilen zur Anwendung. In
einem Artikel von Th. Quiehl, "Substratkeramik
Aluminiumnitrid", Werkstoffe & Konstruktion (1988), S. 155-160,
werden verschiedene Substratmaterialien
gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für
elektronische Bauteile bewertet. Weite Verbreitung für
derartige Anwendungen hat Al2O3. Dieses Material ist
preisgünstig und hat gute mechanische Eigenschaften.
Nachteilhaft ist seine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit,
wodurch eine schnelle und gute Ableitung der beim Betrieb
entstehenden Wärme nicht immer gewährleistet ist, so dass das
elektronische Bauteil durch Überhitzung zerstört werden kann.
BeO besitzt die beste Wärmeleitfähigkeit, kommt aber aufgrund
seiner Toxizität und seines hohen Preises nur für besondere
Einsatzgebiete, z. B. im militärischen Bereich, in Frage.
Ausserdem hat es einen mehr als doppelt so hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium, so dass es bei
Temperaturschwankungen im Betrieb zu starken Verspannungen
bis hin zum Bruch zwischen dem Substrat und dem meist aus
Silizium bestehenden Halbleiterbauteil kommen kann. AlN
dagegen passt mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten genau
zu Silizium und hat auch eine gute Wärmeleitfähigkeit, ist
jedoch sehr teuer und hat einen um etwa drei Grössenordnungen
geringeren elektrischen Widerstand verglichen mit Al2O3 und
BeO.
Siliziumkarbid (SiC) hat eine sehr gute Wärmeleitfäigkeit,
die besser als die von AlN ist und fast die Werte von BeO
erreicht. Weiterhin passt SiC bezüglich des
Wärmeausdehnungskoeffizienten exakt zu Silizium. Somit
kombiniert es die vorteilhaften Eigenschaften von BeO und AlN
und ist überdies preislich günstiger als diese Keramiken.
Nachteilhaft bei SiC als Substratmaterial sind seine
Halbleitereigenschaften, so dass es aufgrund der zahlreich
vorhandenen Donatoren und Akzeptoren einen geringen
elektrischen Widerstand und damit hohe dielektrische Verluste
hat.
In "Microelectronics Packaging Handbook", Verlag Van Nostrand
Reinhold, New York, wird auf S. 498 ein einen hohen
elektrischen Widerstand aufweisendes Substratmaterial auf
SiC-Basis beschrieben. Hierbei wird SiC-Pulver mit BeO-Pulver
vermischt, dann sprühgetrocknet, zu Scheiben kaltgepresst und
in Vakuum bei 2100°C heissgepresst. Der hohe elektrische
Widerstand wird dadurch erreicht, dass sich BeO-Material
zwischen die SiC-Körner setzt und so den Stromfluss von einem
Korn zum anderen Korn unterbindet. Durch diese Konfiguration
wird verhindert, dass durch das Substrat als ganzes Strom
fliesst. Nachteil ist jedoch, dass in den einzelnen SiC-
Körnern, wie bei normaler SiC-Keramik, ein Strom bzw. ein
Wirbelstrom fliessen kann, was zu dielektrischen Verlusten
führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein hochohmiges
Substratmaterial auf SiC-Basis zu schaffen, das bei guter
Wärmeleitfähigkeit und einem an Silizium gut angepassten
Wärmeausdehnungskoeffizenten weitgehend frei von
Wirbelstromverlusten unter den bei Anwendungen als Substrat
für elektronische Bauteile auftretenden elektrischen Strömen
und Spannungen ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Substratmaterials bereitgestellt
werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf die Patentansprüche
verwiesen. Die Erfindung schafft ein SiC-Halbleitermaterial,
das durch und durch hochohmig ist und als pulverförmiges
Material vorliegt, das zu einer Sinterkeramik
weiterverarbeitet werden kann. Das SiC-Halbleitermaterial
verhindert einen Stromfluss sowohl innerhalb eines Korns als
auch insgesamt durch den Querschnitt eines daraus gefertigten
Substrats, was Wirbelstromverluste im Mikro- und Makrobereich
vermeidet bzw. wesentlich minimiert. Gleichzeitig werden die
vorteilhaften Eigenschaften von SiC beibehalten, d. h. gute
Wärmeleitfähigkeit und ein Si im wesentlichen entsprechender
Wärmeausdehungskoeffizient. Das Substratmaterial bereitet
ferner keine Toxizitätsprobleme und bietet alle
Voraussetzungen für eine kostengünstige Fertigung und
Weiterverarbeitung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von vorteilhaften
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher
beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Besetzung eines Leitungsbandes (LB) und
Valenzbandes (VB) mit Elektronen vor (linke Hälfte) und nach
(rechte Hälfte) einer erfindungsgemässen Dotierung, worin
bedeuten D = Domtor, A = Akzeptor, V = Vanadium als
Dotierungsmaterial.
Nachfolgend wird die Herstellung eines hochohmigen SiC-
Halbleitermaterials in Pulverform beschrieben.
Undotiertes, bzw. Verunreinigungen wie N (Stickstoff) und B
(Bor) enthaltendes SiC wird mit einem Akzeptor, vorzugsweise
Aluminium (Al) versetzt, wodurch ein p-leitendes SiC erhalten
wird. Dem so gebildeten Zwischenprodukt wird ein tief in der
Bandlücke liegendes Dotierungsmaterial, vorzugsweise Vanadium
(V), in einer Konzentration beigemischt, dass die
überschüssigen, noch nicht mit Elektronen besetzten
Akzeptoren, einschliesslich eventueller Störstellen-
Akzeptoren, durch die Elektronen des Dotierungsmaterials
kompensiert werden und dadurch das Substratmaterial seine
Leitfähigkeit einbüsst bzw. hochohmig wird.
Für die Herstellung des Substratmaterials wird SiC mit hohem
Reinheitsgrad bevorzugt, das dennoch unvermeidbar durch die
Elemente Bor (B) und Stickstoff (N) verunreinigt ist. Diese
Verunreinigungen sind zum Teil in den SiC-Ausgangsmaterialien
Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) enthalten, oder stammen aus
der Reaktion von Silizium mit Kohlenstoff bei der Bildung von
SiC. Diese flachen Donatoren und Akzeptoren müssen
kompensiert werden, um hochohmige Eigenschaft zu erhalten.
Die Beimengung des kompensierenden Dotierungsmaterials kann
dabei bereits bei der Synthese von SiC erfolgen. Beim SiC-
Ausgangsmaterial werden die Polytypen 4H-SiC und insbesondere
6H-SiC bevorzugt.
Der Stickstoff kommt zumeist aus der Luft oder ist im als
Tiegelmaterial verwendeten Graphit gelöst, wobei Bor ebenso
in Graphit vorkommt. Stickstoff wirkt als flacher Domtor,
der energetisch nahe am Leitungsband liegt, während Bor als
flacher Akzeptor energetisch nahe am Valenzband angesiedelt
ist.
Unter Verwendung von Al als Akzeptor liegt dessen
Konzentration zwischen etwa 1015 und etwa 1018 cm-3, wobei
eine Konzentration von 1016 bis 1017 bevorzugt wird. Die
gesamte Akzeptoren-Konzentration von Al und B, wobei B in
ähnlicher Konzentration vorhanden sein kann wie Al, muss
höher als die Konzentration an flachen Domtoren wie N sein,
damit diese ihre Elektronen vollständig an die Akzeptoren
abgeben, d. h. kompensiert werden und so das Material p-
leitend wird. Als tief in der Bandlücke liegender Domtor
wird vorzugsweise Vanadium (V) verwendet. Die V-Konzentration
wird derart eingestellt, dass die noch nicht mit Elektronen
besetzten, also überschüssigen Akzeptoren durch Elektronen
des V-Dotierungsmaterials kompensiert werden. Dadurch werden
alle flachen Domtoren, deren Energieniveau nahe dem
Leitungsband liegt, unbesetzt, und alle Akzeptoren A, deren
Energieniveau nahe dem Valenzband liegt, mit Elektronen
besetzt. Somit können keine Ladungsträger freigesetzt werden.
D. h., es können weder Elektronen ins Leitungsband LB noch
Elektronenlöcher (fehlende Elektronen) ins Valenzband VB
gelangen, wodurch ein sehr hoher elektrischer Widerstand des
Materials erreicht wird.
Die Kompensation der Akzeptoren wird erreicht, wenn die V-
Konzentration grösser ist, als die Summe der Konzentration
der vorhandenen Akzeptoren (Al und B) vermindert um die
Konzentration der vorhandenen Domtoren. Um die Kompensation
der Akzeptoren sicher zu stellen, wird vorzugsweise die V-
Konzentration um den Faktor 10 grösser als die Summe der
Akzeptoren-Konzentrationen gewählt. Somit variiert die V-
Konzentration zwischen 1016 und 1019 cm-3, wobei bevorzugt
Konzentrationen von 1017 bis 1018 cm-3 verwendet werden.
Vanadium wird vorzugsweise als V4+ eingebaut, Aluminium als
Al-, Bor als B- und Stickstoff als N+.
Beispiel
Ausgangsmaterial ist ein Pulver aus Silizium und ein solches
aus Graphit, jeweils in möglichst reiner Form, mit einer
Konzentration an Verunreinigungen von N = B = 1016 cm-3. Für
die SiC-Synthese wird Al als Akzeptor mit einer Konzentration
von 1017 cm-3 und V als Dotierungsmaterial mit einer
Konzentration von 1018 cm-3 zugegeben. Diese Zusammensetzung
wird in einem Graphittiegel bei 2000°C zur Reaktion gebracht.
Die Körnigkeit des erhaltenen SiC-Pulvers ist im wesentlichen
durch die Körnigkeit des verwendeten Graphitpulvers bestimmt.
Das erhaltene SiC-Substratmaterial ist durch und durch, also
inhärent hochohmig und liegt in Pulverform vor, so dass es
für die Weiterverarbeitung zu einer Keramik geeignet ist.
Dies kann durch Sintern oder durch heisses isotopisches
Pressen (sog. Hippen) erfolgen. Das Sintern erfolgt bevorzugt
bei einer Temperatur von 2100°C, wobei als Sinteradditiv
Kohlenstoff in Form von Phenolharz mit einer bevorzugten
Konzentration von 0,5 Gewichts-% zugegeben werden kann.
Der erreichbare Widerstand einer derartigen SiC-Keramik liegt
über 1012 Ohm, die dielektrische Konstante bei 1 Mhz bei ca.
9,5 und die Wärmeleitfähigkeit bei ca. 200 W/mK. Die
Korngrösse liegt unter 1 µm.
Somit wird eine hochohmige SiC-Keramik erhalten, die
hervorragend als Substrat für elektronische Schaltungen
verwendbar ist, da weder Wirbelströme noch sonstige Ströme
fliessen können. Die Keramik hat weiterhin einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Silizium
weitgehend entspricht, und verfügt über eine sehr hohe
Wärmeleitfähigkeit.
Die Erfindung wurde vorausgehend anhand von Vanadium (V) als
bevorzugtes Dotierungsmaterial beschrieben. Anstelle davon
könnten auch anderen Übergangsmetalle des periodischen
Elementensystems, insbesondere Ti, Cr, Mo sowie Kombinationen
davon zur Anwendung kommen.