DE2629203C2 - - Google Patents

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DE2629203C2
DE2629203C2 DE19762629203 DE2629203A DE2629203C2 DE 2629203 C2 DE2629203 C2 DE 2629203C2 DE 19762629203 DE19762629203 DE 19762629203 DE 2629203 A DE2629203 A DE 2629203A DE 2629203 C2 DE2629203 C2 DE 2629203C2
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contact
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metal contact
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crystal
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DE19762629203
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English (en)
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David Richard Decker
Masahiro Palo Alto Calif. Us Omori
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Varian Medical Systems Inc
Original Assignee
Varian Associates Inc
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Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Feldeffekt-Transistor ist bekannt (US-PS 36 57 615). Bei diesem bekannten Feldeffekt-Transistor wurde versucht, einen geringen thermischen Widerstand und damit eine höhere HF-Leistungsbelastbarkeit da­ durch zu erzielen, daß eine bestimmte Herstellungsreihenfolge eingehalten wird, bei der die halbisolierende Schicht als epitaxial aufgewachsene Schicht oder als aus dem Dampf oder dergleichen niedergeschlagene Schicht sehr dünn gehalten wird (2 bis 4 oder etwa 10 µm). Gegenüber den üblichen Stärken solcher halbisolierender Schichten ergibt sich bei diesem Aufbau ein um den Faktor 2,0 bis 2,5 geringerer thermischer Widerstand.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feldeffekt-Transistor dieser Art mit noch weiter reduziertem thermischen Widerstand verfügbar zu machen, der überdies für Anwendungen im Mikrowellenbereich ge­ eignet ist, was beinhaltet, daß auch Leitungsinduktivitäten und Leitungswiderstand so klein wie möglich sein sollen.
Aus der US-PS 33 23 198 ist es bekannt, als elektrische Anschlüsse durch Halbleiterschichten durchplattierte Metallkontakte zu verwen­ den, die dadurch hergestellt sind, daß jeweils ein dünnes Loch mit Hilfe eines fokussierten Elektronenstrahls durch die betreffende Schicht oder den ganzen Kristall gebohrt wird, wobei dieses Loch gewünschtenfalls mit Metall ausgefüllt wird. Ein solcher durch­ plattierter Kontakt ist zwar als elektrischer Anschluß geeignet, und es ist anzunehmen, daß ein solcher Kontakt geringe Leitungsin­ duktivität hat; ein geringer thermischer Widerstand ist jedoch weder angesprochen noch bei der beschriebenen Technik erreichbar.
Aus der US-PS 37 87 252 ist es ferner bekannt, ähnliche durch den Halbleiterkristall hindurchführende elektrische Leiter vorzusehen, in diesem Falle allerdings aus zu hoher Leitfähigkeit dotiertem Halbleitermaterial, so daß die thermische Leitfähigkeit gegenüber dem Halbleiterkristall selbst unverändert bleibt.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe nun bei einem Feldeffekt-Transistor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art durch die im kennzeichnenden Teil genannten Merkmale gelöst. Diese Lösung hat den Vorteil, daß ein gut wärmeleitender Weg von der Oberseite des Halb­ leiterkörpers zu dem Kühlkörper auf dessen Unterseite geschaffen wird, der jedenfalls in erster Näherung unabhängig ist von der Dicke des Halbleiterkörpers und/oder einzelner Schichten des Halbleiterkörpers. Zur praktischen Verwirklichung wird von den durchplattierten Metallkontakten gemäß US-PS 33 23 198 Gebrauch gemacht, indem diese nicht nur als elektrische Kontakte, sondern auch als Wärmeleiter verwendet werden, wozu natürlich ein entsprechend größerer Querschnitt benötigt wird.
Es ist selbstverständlich nicht möglich, den durchplattierten Kontakt an die Elektrode anzuschließen, die mit der Oberfläche einen gleich­ richtenden Kontakt herstellt (GATE-Elektrode), wo die abzuführende Wärme entsteht, weil damit ja gerade die für den Feldeffekt notwendige Verarmungsschicht beseitigt würde. Die Erfindung lehrt deshalb, diesen durchplattierten Kontakt großflächig an einer der Ohm'schen Elektroden angreifen zu lassen. Obwohl damit also die Wärmebrücke von der eigentlichen Wärmequelle entfernt angeordnet sein muß, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Konstruktion doch eine so starke Verringerung des thermischen Widerstandes, nämlich um eine Größenordnung, daß eine wesentliche Verbesserung erreicht wird, nämlich mindestens den Faktor 4.
Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Bauelement nach der Erfindung in einer Zwischenstufe der Herstellung;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein vollständiges Bauelement, das auf einen Kühlkörper montiert ist;
Fig. 3 eine Aufsicht auf das Bauelement nach Fig. 2; und
Fig. 4 einen Schnitt durch das Bauelement einschließlich Kühlkörper, wie es in eine Microstrip-Schaltung eingebondet ist.
Zur Herstellung von Bauelementen nach der Erfindung wird ein Ausgangs­ kristall oder Substrat aus im wesentlichen eigenleitendem III-V-Material, beispielsweise Galliumarsenid, mit hohem Widerstand verfügbar gemacht, der einen Widerstand höher als 105 Ohm-cm hat. Ein solches Substrat kann etwa 2,5 cm Durchmesser und etwa 0,25 Dicke haben. Ein kleiner Teil eines solchen Kristalls ist bei 10 in Fig. 1 dargestellt; dieser Teil reicht aus, ein einzelnes Bauelement zu halten.
Über das Substrat 10 wird eine n-leitende epitaktische Schicht 12 von etwa 300 nm Stärke aus GaAs gewachsen, die mit S oder Sn zu einer Dotierdichte von etwa 1017 pro cm3 dotiert ist.
Auf jeder "Transistorstelle" auf der Oberseite des Kristalls 10 werden Source-, Gate- und Drain-Elektroden 14, 16 bzw. 18 aus entsprechenden Metallen gebildet. Solche Elektroden können durch bekannte Aufdampf- und Ätztechniken gebildet werden und können die in Fig. 3 dargestellte Kon­ figuration haben. In einem typischen Kristall der angegebenen Größe werden etwa 1500 Satz Elektroden, die jede einen getrennten FET bilden, gebildet.
Anschließend wird die Oberseite des Kristalls an eine Halterung montiert oder dort befestigt und unter Verwendung bekannter Techniken wird die Dicke des Substrats 10 von der Unterseite her reduziert, bis das Ganze etwa 75 Micron Stärke hat.
Anschließend werden weiterhin von der Unterseite des Kristalls Löcher durch den Kristall geätzt, einschließlich der Schichten 10 und 12, und zwar hinter jeder Source-Elektrode 14, so daß die Unterseite der Source- Elektrode freiliegt und vom Boden des Kristalls aus zugänglich ist. Solche Löcher werden mit bekannten fotolithografischen Prozessen geätzt, wobei eine Maske über dem Boden des Kristalls gebildet wird, in der Maske Löcher gebildet werden und ein Ätzmittel dem Kristall zugeführt wird, das das halbleitende Material der Schichten 10 und 12 ätzt, nicht jedoch die Maske oder das Metall der Source-Elektrode 14 mit einer aus­ reichenden Rate, um die Schicht 14 zu zerstören, ehe deren Ätzen beendet werden kann. Ein geeignetes Ätzmittel ist H2SO4 : H2O2 : H2 O und die Dimensionen der Öffnung im Boden des Kristalls sollten ein Rechteck von etwa 0,076 × 0,23 mm sein, und die Öffnung an der Oberseite des Kristalls soll etwa 0,05 × 0,2 mm sein, etwas kleiner als die Öffnung auf der Unterseite des Kristalls.
Die Ausfluchtung der Löcher im Boden des Kristalls soll relativ präzise sein, so daß, wenn die Löcher zur Oberseite des Kristalls durchgeätzt sind, sie direkt unter die Source-Elektrode kommen. Eine solche Ausfluchtung wird vorzugsweise durch kommerziell verfügbare Bildüberlagerungsanordnungen erreicht, wobei durch die Verwendung von Spiegeln ein Bild der Oberseite des Kristalls auf die Unterseite des Kristalls in perfekter Ausfluchtung mit der tatsächlichen Oberseite des Kristalls projiziert wird. Statt dessen kann die Ausfluchtung auch dadurch erfolgen, daß die Lage der Source- Elektroden von einem festen Bezugspunkt aus gemessen wird und entsprechende Messungen auf der Unterseite des Kristalls durchgeführt werden.
Nachdem die Löcher durch den Kristall durchgeätzt sind und das Ätzen beendet ist, wird, wie bei 20 angedeutet, Metallisierung auf die Löcher aufgebracht, so daß das Metall von der Unterseite des Kristalls zum Kontakt-Source-Bereich 14 ganz durch den Kristall hindurchreicht. Eine solche Metallisierung kann durch übliche Aufdampf- oder Plattierprozesse erfolgen, ein geeignetes Metall ist Gold. Das Metall wird bevorzugt an den Löchern niedergeschlagen, so daß es jedes Loch vollständig füllt, wie bei 20 in Fig. 2 angedeutet. Metall kann auch in einer dünnen Schicht über die ganze Unterseite des Kristalls niedergeschlagen werden, um seinen Kontakt mit dem Kühlkörper zu erleichtern.
Nach der Bildung des Source-Kontaktes 20 wird der Kristall in einzelne FET-Chips aufgetrennt, wie in Fig. 2 dargestellt, wobei jeder Chip eine rechteckige Form etwa 0,66 × 1,07 mm hat.
Jeder einzelne Chip wird dann an einen Kühlkörper 22 gebunden, der voll in Fig. 4 dargestellt ist. Der Kühlkörper 22 kann ein gerader Kreiszylinder aus goldplattiertem Kupfer mit einem Durchmesser von etwa 1,8 mm und einer Dicke (Höhe) von etwa 3,8 mm sein und kann an dem FET-Chip mit einer Gold-Germanium-Lot-Lage 24 gebondet sein.
Danach wird ein Umfangsbereich der Oberfläche des Kühlkörpers 22 an die Unterseite eines Lochs in einer Microstrip-Leiterplatte 24 gebondet. Die Leiterplatte 24 besteht aus einer isolierenden Zwischenschicht 26 aus Aluminiumoxyd von etwa 0,64 mm Dicke mit oberen und unteren leitenden Schichten 28 und 30 aus Gold. Die untere Schicht 30 ist eine Erdebene und vorzugsweise kontinuierlich über die ganze Unterseite der Platte 24, die obere Schicht 28 kann jedoch Leiter oder Leiterteile einer Mikrowellen­ schaltung bilden, einschließlich Widerständen, Kondensatoren, Leitern, die auf der Platte 24 gebildet sind.
Die Erdebene 30 ist leitend durch Löten oder Schweißen mit dem Kühlkörper 22 verbunden. Die Gate-Elektrode 16 ist mit einem Teil des Schaltungsleiters 28 mit einem Verbindungsdraht 32 verbunden, und die Drain-Elektrode 18 ist mit einem anderen Teil des Schaltungsleiters 28′ mit einem anderen Verbin­ dungsdraht 34 verbunden. Die Verbindungsdrähte 32 und 34 sind mit bekannten Thermokompressions-Bond- oder Ultraschallschweiß-Techniken befestigt. Solche Verbindungsdrähte können aus Gold bestehen und einen Durchmesser von etwa 25 Micron haben.
Der Schaltungsleiter 28 kann einen Eingangskreis für den FET bilden, der ein Eingangssignal über Draht 32 zur Gate-Elektrode 16 anlegt, und der Schaltungsleiter 28′ kann einen Ausgangskreis bilden, der ein Ausgangs­ signal über Verbindungsdraht 34 erhält. Die Source-Elektrode 14, die über Source-Kontakt 20 und Kühlkörper 22 mit der Erdebene 30 verbunden ist, bildet einen gemeinsamen Anschluß.
Durch die Verwendung des Source-Kontakts 20, der eine sehr niedrige Induktivität und sehr niedrigen Widerstand hat, werden die Reiheninduktivität und der Reihenwiderstand im Anschluß an die Source-Elektrode 14 erheblich gegenüber den Werten reduziert, die sich ergäben, wenn ein üblicher Ver­ bindungsdraht wie 32 oder 34 an deren Stelle verwendet worden wäre. Diese Herabsetzung des Source-Eingangswiderstandes und der Source-Eingangsinduk­ tivität erniedrigt die Rauschzahlen im X-Band und bei höheren Frequenzen erheblich und erlaubt eine Anhebung der maximalen Betriebsfrequenz des Transistors.
Noch wichtiger als das Vorangegangene ist die Tatsache, daß der Source- Kontakt 20 einen Weg mit sehr niedrigem thermischen Widerstand von der Source-Elektrode zum Kühlkörper 22 bildet. Diese an der Source-Elektrode erzeugte Wärme wird schnell und wirksam über Source-Kontakt 20 zum Kühl­ körper 22 abgeleitet, der eine erheblich geringere thermische Impedanz hat als das Substrat 10 und die epitaktische Schicht 12. Die wesentlich ver­ besserte Wärmeabfuhr des FET, die durch die Verwendung des Source-Kontaktes 20 erreicht ist, reduziert den thermischen Widerstand der FET-Struktur erheblich, etwa um eine Größenordnung, d. h. von etwa 50°C pro Watt auf etwa 5°C pro Watt. Diese Verbesserung erlaubt eine ganz beachtliche Steigerung der HF-Leistungsbelastbarkeit um eine oder mehrere Größenordnungen.
Auch durch die Eliminierung eines Verbindungsdrahtes auf der Oberseite der Struktur wird das Layout der Entwurfsgeometrie erheblich erleichtert, und es ergibt sich eine zusätzliche Freiheit bei der Leitungsführung und die Möglichkeit, zusätzliche Transistoren parallel anzuordnen, ohne daß Leitungsüberkreuzungen befürchtet werden müssen.
Das ganze Bauelement, einschließlich Leiterplatte 24 und FET-Chip, oder mehreren FET-Chips, kann in ein leitendes Gehäuse oder einen Hohlraum in bekannter Weise mit geeigneten HF- oder Mikrowellen-Eingangs- und Ausgangs-Leitern montiert werden.
Es stehen verschiedene Varianten zur Verfügung. Beispielsweise kann ein durchplattierter Kontakt 20 statt mit der Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode assoziiert werden, oder sowohl mit der Source- als auch der Drain-Elektrode, wenn ein isolierter Bereich im Chip vorgesehen wird. Der Chip kann auch in anderer als der dargestellten Weise gepackt werden.

Claims (6)

1. Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Körper aus halbleitendem Material mit einer oberen und einer unteren Seite und wenigstens drei metallischen Elektroden im Abstand voneinander auf der oberen Seite des Körpers, von denen eine erste zwischen der zweiten und dritten der Elektroden angeordnet ist, wobei die erste Elektrode mit der Oberfläche einen gleichrichtenden Kontakt herstellt und die zweite und dritte Elektrode jeweils einen Ohm'schen Kontakt zu der Oberfläche herstellt, bei dem ein Kühlkörper an der unteren Seite des Körpers vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Weg mit sehr niedrigem thermischen Widerstand zum Kühlkörper ein als elektrischer Anschluß an sich bekannter durchplattierter Metallkontakt vorgesehen ist, und daß das dem Kühlkörper ferne Ende des Metallkontaktes großflächig mit der Unterseite einer Ohm'schen Kontaktelektrode verbunden ist.
2. Transistor nach Anspruch 1, mit Source-, Gate- und Drain-Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, zu der der Metallkontakt reicht, die Source-Elektrode ist.
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Metallkontaktes in Kontakt mit der Unterseite der Ohm'schen Kontaktelektrode in Kontakt mit dem überwiegenden Teil dieser Unterseite steht.
4. Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Metallkontaktes in Kontakt mit der Unterseite des Ohm'schen Kon­ taktes symmetrisch mit Bezug auf die Unterseite positioniert ist.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkontakt aus Gold besteht und der Körper im wesentlichen aus III-V-Material besteht.
6. Transistor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkontakt rechteckigen Querschnitt hat, dessen obere Fläche, die in Kontakt mit der Elektrode steht, eine kleinere Fläche hat als die untere Fläche, und die untere Fläche koplanar mit der Unterseite des Körpers ist.
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