DE2130122A1 - Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor - Google Patents

Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor

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DE2130122A1 DE19712130122 DE2130122A DE2130122A1 DE 2130122 A1 DE2130122 A1 DE 2130122A1 DE 19712130122 DE19712130122 DE 19712130122 DE 2130122 A DE2130122 A DE 2130122A DE 2130122 A1 DE2130122 A1 DE 2130122A1
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Description

■Düsseldorf, 11. Juni 1971
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh Pa., V. St. A.
Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor
•Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente, insbesondere Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistoren sowie Verfahren zur Herstellung solcher Transistoren.
Eines der Hauptprobleme beim Einsatz von Leistungs-Halbleiterelementen besteht in der Abführung der Wärme von der Stelle, an der die Wärme im Inneren des Halbleitermaterials erzeugt wird, zu einem thermisch leitenden Kühlkörper. Dieses Problem der Wärmeabfuhr bringt insbesondere dann Schwierigkeiten mit sich, wenn das Halbleitermaterial selbst eine schlechte thermische Leitfähigkeit hat, wie das etwa für Galliumarsenid zutrifft.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor mit niedrigem thermischem Widerstand sowie eines zur Herstellung eines solchen Feldeffekttransistors geeigneten Verfahrens.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Schottkygrenzschicht-Feldeffekt-
transistor erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein Substrat aus ~
stark dotiertem, η-leitendem Halbleitermaterial mit zwei gegenüber- ««.
liegenden Hauptbegrenzungsflächen, eine längs einer Haupt be gr en- ;z
10 9 8 8 2/1678 1J
zungsfläche des Substrats gezüchtete, schwach dotierte, n-leitende Epitaxialschicht aus Halbleitermaterial mit einer von der einen Hauptfläche des Substrate abgewandten und dazu parallelen Oberseite, eine längs der Oberseite der schwach dotierten Schicht gezüchtete halbisolierende Epitaxialschicht, einen an die halbisolierende Epitaxialschicht angeschlossene! Kühlkörper sowie einen an der anderen Hauptbegrenzungsfläche des stark dotierten η-leitenden Substrats angebrachten Gate-, Source- und Drain-Kontakt.
" Ein zur Herstellung eines solchen Feldeffekttransistors besonders geeignetes Verfahren ist in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß längs der einen Hauptbegrenzungsfläche des Substrats aus stark dotiertem, η-leitendem Halbleitermaterial die schwach dotierte η-leitende Epitaxialschicht und anschließend längs der Oberseite der schwach dotierten Epitaxialschicht die Epitaxialsdächt aus halbisolierendem Material mit einer Oberfläche gezüchtet, sodann der metallische Kühlkörper an die Oberfläche der Epitaxialschicht aus halbisolierendem Material angeschlossen, hierauf die Stärke des Substrats verringert wird und die Gate-, Source- und Drainkontakte an der anderen Hauptbegrenzungsfläche des Substrats angebracht werden.
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Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistors nach dem Stand der Technik;
Fig. 2-5 aufeinanderfolgende Phasen, wie sie bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung durchlaufen werden; ai.yn.d
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Fig. 6 eine Seitenansicht eines fertiggestellten Schottky-
grenzschicht-Feldeffekttransistors nach der Erfindung.
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Die nachstehende Beschreibung bezieht sich speziell auf Galliumarsenid, jedoch läßt sich die Erfindung in gleicher Weise in Verbindung mit aus anderen Halbleitermaterialien aufgebauten Schaltelementen einsetzen.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen typischen, allgemein mit 8 bezeichneten Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor nach dem Stand der Technik.
Bei Betrieb eines solchen Feldeffekttransistors 8 bildet sich unterhalb eines Gate-Kontaktes 12 eine Verarmungsschicht 10 aus, und der größte Teil der von und in dem Feldeffekttransistor 8 erzeugten Wärme entsteht in einem kleinen Bereich 14, in dem die Kante der Verarmungsschicht 10 an ein halbisolierendes (10 Ohra/cm) Substrat 16 angrenzt. Dieser Bereich 14 liegt in einer schwach dotierten Schiebt 18, in der der gesamte Strom zwischen einem Source-Kontakt 20 und einen Drain-Kontakt 22 fließt. In dem Bereich 14 weist die Stromdichte ein Maxieum auf.
Die in dea Bereich 14 erzeugt· Wärme gelangt durch da· halbisolierende Substrat 16 zu einem Metall-Kühlkörper 24. Die Dicke des Substrats 16 trägt in erheblichem Maße zu dem thermischen Widerstand des Feldeffekttransistors 8 bei.
Es wurde gefunden, daß das Substrat 16 eine Stärke von mindestens 15 Mikron haben muß, um eine ausreichend einfache Handhabung bei der Bearbeitung zu gewährleisten. Für Galliumarsenid bedeutet dies einen thermischen Widerstand von 47° C/W für 1 mm Schaltelementbreite,
Fig. 2 zeigt ein Substrat 30 aus Galliumarsenid für die Verwendung in Vebindung mit der vorliegenden Erfindung.
Das Substrat 30 besteht nicht wie bei dem bekannten Schaltelement nach Fig. 1 aus halbisolierendem, sondern aus η-leitendem Material,
18 21 das stark auf eine Konzentration von 10 - 10 Atomen Dotier-
3
mittel/cm Halbleitermaterial dotiert ist,
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Wenn für das Substrat 30 Galliumarsenid verwendet wird, so stellen Silicium und Zinn geeignete η-Dotierstoffe dar. Wenn das Substrat 30 aus Silicium oder einem der anderen bekannten Halbleitermaterialien besteht, können die üblichen, allgemein bekannten
η-Dotierstoffe verwendet werden. .
Das Substrat 30 hat eine Stärke zwischen 125 und 510 Mikron.
Wie mit Fig. 3 veranschaulicht, wird auf einer Oberseite 34 des η-leitenden Substrats 30 eine n~leitende Epitaxialschicht 32
entsprechend einem der allgemein bekannten Epitaxialverfahren
gezüchtet,
Die η-leitende Epitaxialschicht 32 ist auf eine Konzentration
zwischen 10 und 10 Atomen Dotierstoff/cm Halbleitermaterial dotiert und hat eine Stärke, die zwischen 4 Mikron entsprechend
14
einer Dotierung auf etwa l0 und 0,5 Mikron entsprechend einer
16 "i
Konzentration von etwa 10 Atomen /cm Halbleitermaterial liegt.
Wenn die Stärke der Epitaxialschicht 32 geringer als 0,5 Mikron ist, so sperrt das fertiggestellte Schottkygrenzschicht-Schaltelement bei einer Spannung, die zu niedrig ist, um noch ein
praktisches Arbeiten zu ermöglichen. Wem andererseits die
Epitaxialschicht 32. dicker als 4 Mikron ist, so bricht der fertiggestellte Schottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor vor Erreichen W einer Sperrspannung durch»
Als nächstes wird eine Epitaxialschicht 36 aus halbisolierendem, chromdotiertem Galliumarsenid auf einer Oberseite 38 der
Epitaxialschicht 32 gezüchtet. Die Spitaxialschicht 36 wird auf
11 3
eine Konzentration von weniger als Io Atomen Chrom/cm Galliumarsenid dotiert und hat einen spezifisehen Widerstand von 10
Ohm/cm. Die Stärke der Epitaxialschicht 36 liegt zwischen 2 und 4 Mikron. Je dicker die Epitaxialschicht 36 gemacht wird, desto größer ist der thermische Widerstand ues fertiggestellten
Schottkygrenzschicht-Schaltelementes. Für ©in typisches Schaltele-
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ment nach dem Stand der Technik entsprechend Fig. 1 hat das Substrat 16 typischerweise eine Dicke von etwa 50 Mikron.
Fig. 4 zeigt einen Aufbau, der gegenüber dem Aufbau der Fig. 3 umgekehrt ist und bei dem eine Oberfläche 40 der Epitaxialschicht 36 über Schichten 44,46 und 48 an einem Kühlkörper 42 angreift.
Der Kühlkörper 42 kann aus jedem geeigneten Metall wie etwa Kupfer, Aluminium oder Silber bestehen,
Sehr zufriedenstellende Ergebnisse ließen sich erzielen, wenn die Schicht 44 aus 0,5 Mikron dickem Nickel, die Schicht 46 aus 2 Mikron dickem Zinn und die Schicht 48 aus 4 Mikron dickem Gold besteht. Das Gold/Zinn-Eutektikum, das bei der Verbindung des Kühlkörper 42 mit der halbisolierenden Schicht gebildet wird, kann ohne schädliche Wirkung auf 450° C erhitzt werden. Das übersteigt bei weitem die Temperaturen, denen das Schaltelement bei, Gebrauch ausgesetzt ist.
Alternativ kann an der Oberfläche 40 der Epitaxialschicht 36 ein Kühlkörper durch Aufdampfen, Plattieren oder Aufsprühen angeordnet werden. Ein auf diese Weise hergestellter Kühlkörper sollte eine Stärke von etwa 10 Mikron haben.
Entsprechend Fig. 5 wird das η-leitende Substrat mittels eines geeigneten, bekannten Verfahrens auf eine Stärke von etwa 5 Mikron geätzt.
Wie mit Fig. 6 gezeigt, können sodann ein Gate-Kontakt 50 sowie Source- und Drain-Kontakte 52, 54 an die Oberfläche 56 des Substrats 30 angeschlossen werden.
Zufriedenstellende Ergebnisse wurden hier mit einem Gate-Kontakt aus Aluminium sowie Source- bzw. Drain-Kontakten aus einer Legierung erzielt, die 88 Gew.% Gold und 12 Gew.% Germanium enthielt. Ein in ähnlicher Weise für die Source- und Drain-Kontakte geeigne-
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tes Material ist eine Legierung aus 90 Gew.% Silber, 5 Gew.% Indium sowie 5 Gew.% Germanium.
Der so entsprechend Fig. 6 erhaltene Aufbau stellt einen Schottky· grenzschicht-Feldeffekttransistor dar. Da erfindungsgemäß das fertige Schaltelement eine halbisolierende Schicht aufweisen kann, deren Stärke gegenüber der entsprechenden Schicht in Schaltelementen nach dem Stand der Technik um einen Faktor von etwa 10 verringert ist, hat das Schaltelement nach der Erfindung einen thermischen Widerstand, der gegenüber entsprechenden Schaltelementen nach dem Stand der Technik um einen Faktor von etwa 2,0 - 2,5 niedriger ist.
Patentansprüche
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Claims (10)

  1. Patentansprüche;
    fl.JSchottkygrenzschicht-Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch ein Substrat (30) aus stark dotiertem, η-leitendem Halbleitermaterial, mit zwei gegenüberliegenden Hauptbegrenzungsflächen, eine schwach dotierte, n-leitende Epitaxialschicht (32) aus längs einer Hauptbegrenzungsfläche des Substrats (30) gezüchtetem Halbleitermaterial mit einer von der einen Hauptfläche des Substrats (30) abgewandten und dazu parallelen Oberseite (38), eine längs der Oberseite (38) der schwach dotierten Epitaxialschicht (32) gezüchtete halbisolierende Epitaxialschicht (36), einen an die halbisolierende Epitaxialschicht (36) angeschlossenen Kühlkörper (42) sowie einen an der anderen Hauptfläche des stark dotierten, n-leitenden Substrats (30) angebrachten Gate-, Source- und Drain-Kontakt (50, 52, 54).
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    18 daß das Substrat (30) auf eine Konzentration zwischen 10
    21 3
    10 Atome Dotierstoff/cm Halbleitermaterial dotiert ist, daß die schwach dotierte Epitaxialschicht (32) auf eine Konzentration von 10 - 10 Atome Dotierstoff/cm Halbleitermaterial dotiert ist und daß die halbisolierende Epitaxialschicht (36) auf eine Konzentration von weniger als 10
    ο
    Atome Dotierstoff/cm Halbleitermaterial dotiert ist und einen
    spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm/cm aufweist.
  3. 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (30) eine Stärke von 5 Mikron, die schwach dotierte Epitaxialschicht (32) aus Halbleitermaterial eine Stärke zwischen 0,5 und 4 Mikron und die halbisolierende Epitaxialschicht (36) eine Stärke zwischen 2 und 4 Mikron hat.
  4. 4. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Kontakt (50) aus Aluminium und die Source- bzw. Drain-Kontakte (52, 54) aus einer Legierung
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    ■- 8 -
    aus 88 Gew.% Gold und 12 Gew.% Germanium oder 90 Gew,% Silber, 5 Gew.% Indium und 5 Gew,% Germanium bestehen.
  5. 5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1- 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid ist.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß längs der einen Hauptbegrenzungsfläche des Substrats (30) aus stark dotiertem, η-leitendem Halbleitermaterial die schwach dotierte,n-leitende Epitaxialschicht (32) und anschließend längs der Oberseite (38) der schwach dotierten Epitaxialschicht
    ) (32) die Epitaxialschicht (36) aus halbisolierendem Material mit einer Oberfläche (40) gezüchtet, sodann der metallische Kühlkörper (42) an die Oberfläche der Epitaxialschicht (36) angeschlossen, hierauf die Stärke des Substrats (30) verringert wird und schließlich die Gate-, Source- und Drainkontakte (50,52,54) an der anderen Begrenzungsfläche des Substrats
    (30) angebracht werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (30) eine ursprüngliche Stärke von 125 - 510 Mikron, die schwach dotierte, η-leitende Epitaxialschicht (32) eine Stärke zwischen 0,5 und 4 Mikron und die halbisolierende Epitaxialschicht (36) eine Stärke zwischen 2 und 4 Mikron
    " aufweisen.
    oder 7
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6/, dadurch gekennzeichnet, daß die
    Stärke des Substrats auf etwa 5 Mikron verringert wird,
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kühlkörper (42) an die halbisolierende Epitaxialschicht (36) unter Zwischenschaltung einer Schicht aus Nickel (44), Zinn (46) sowie Gold (48) angeschlossen wird.
    1098 82/1678
  10. 10.Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kühlkörper unmittelbar an der halbisolierenden Epitaxialschicht (36) angeschlossen wird.
    KN/sb 3
    109882/1678
    Leerseite
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