JP2019186549A - スタック型のiii−v族半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】は、上面、下面、側面および長手方向軸線を備えたスタックを有しているスタック型のIII−V族半導体モジュールを提供する。【解決手段】スタックは、p+領域12、n−層14およびn+領域16を有している。p+領域、n−層およびn+領域は、長手方向軸線(L)に沿って、記載の順序で重なっており、モノリシックに形成されており、かつ、GaAs化合物を含有している。n+領域またはp+領域は、基板層として形成されている。スタックは、側面の領域に、周方向に延びる階段の踊り場状の第1および第2の周縁部を有している。第1の周縁部は、基板層によって形成され、第2の周縁部120は、n−層、またはn−層およびp+領域に接する中間層によって形成される。周方向に延びる第1および第2の周縁部は、それぞれ少なくとも10μmの幅を有している。【選択図】図2

Description

本発明は、スタック型のIII−V族半導体モジュールに関する。
Josef Lutz等の「Semiconductor Power Devices」Springer Verlag、2011年、ISBN978−3−642−11124−2から、ケイ素またはSiCを基礎とする、高耐圧ショットキーダイオードならびにIGBTが公知である。
German Ashkinaziの「GaAs Power Devices」、ISBN965−7094−19−4から、GaAsを基礎とする、高圧耐性のあるp−n−i−pトランジスタ、高圧耐性のある半導体ダイオードp−n−nならびにショットキーダイオードが公知である。さらに、第5.3章には、メサプロセスならびにポリイミドによる側面のコーティングが記載されている。
この背景を基礎とする、本発明の課題は、従来技術をさらに発展させた装置を提供することである。
この課題は、請求項1の特徴を備えているスタック型のIII−V族半導体モジュールによって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項の対象である。
本発明の対象は、上面、下面、上面と下面とを繋ぐ側面、および、上面と下面とを通って延びる長手方向軸線を備えたスタックを有している、スタック型のIII−V族半導体モジュールである。
スタックは、上面および下面を備え、かつ5×1018N/cm〜5×1020N/cmのドーパント濃度を有するp領域と、上面および下面を備え、かつ1012N/cm〜1017N/cmのドーパント濃度および10μm〜300μmの層厚(D2)を有するn層(14)と、上面および下面を備え、かつ少なくとも1019N/cmのドーパント濃度を有するn領域と、を有している。
領域およびn層およびn領域は、スタックの長手方向軸線に沿って記載の順序で重なっており、それぞれがモノリシックに形成されており、かつそれぞれがGaAs化合物を含有しているか、またはそれぞれがGaAs化合物から成る。n領域またはp領域は、基板層として形成されている。
スタックは、側面の領域に、周方向に延びる階段の踊り場状の第1の周縁部と、周方向に延びる階段の踊り場状の第2の周縁部と、を有しており、第1の周縁部が、基板層によって形成され、第2の周縁部が、n層、またはn層およびp領域に接する中間層によって形成され、かつ周方向に延びる第1の周縁部および周方向に延びる第2の周縁部が、それぞれ少なくとも10μmの幅を有している。
スタックの上面および下面は、例えば矩形、正方形または円形に形成されている。側面とは、すべてが下面を上面に繋いでおり、かつスタックの側方の部分において周を成している面区間を表す。階段の踊り場状の周縁部によって、側面は段状に形成されている。
上記の層は、有利には液相エピタキシによって、またはMOVPE装置によって作製されることを言及しておく。
半導体モジュールは、有利には層として形成されている少なくとも2つの端子コンタクトを有していると解され、各端子コンタクトは、導電性であり、かつ金属特性を有している。
有利には、端子コンタクト層は、金属導電性の半導体層または金属層、もしくはそれら2つの層の組合せから成る。端子コンタクトは、直接的に接している、ドープされた半導体層と、電気的に低抵抗のコンタクトを確立する。さらに、端子コンタクトは、とりわけボンディングワイヤによって、コンタクトフィンガ、いわゆるピンに接続されていると解される。
端子コンタクトは、有利には、半導体領域ないし半導体層から形成されているスタックの上面ないし下面に配置されている。
周方向に延びる階段の踊り場状の周縁部は、それぞれ、エッチングプロセスによって作製される。段の深さ、すなわちスタックの上面から第1の周縁部までの距離、ないし第1の周縁部から第2の周縁部までの距離は、有利には、エッチング速度に依存するその都度のエッチング時間を介して制御される。
1つの利点として、周縁部の構造化によって、モジュール特性を改善できることが上げられる。特に、逆電圧を高めることができ、また上面における漏れ電流を抑制することができる。
換言すれば、本発明によるIII−V族半導体ダイオードによって、簡単なやり方で、200V〜3,000Vの範囲の逆電圧における僅かな漏れ電流を、SiまたはSiCから成る従来の高耐圧ダイオードに比べて、面積あたり低い容量および低いオン抵抗で達成できる。
これによって、30kHz〜0.5GHzまでのスイッチング周波数および0.5A/mm〜5A/mmまでの電流密度を達成することができる。
別の利点は、III−V族半導体ダイオードを、SiCから成る同等の高耐圧ダイオードに比べて廉価に製造できることである。
特に、本発明によるIII−V族半導体ダイオードを、フリーホイーリングダイオードとして使用することができる。
本発明によるIII−V族半導体ダイオードは、ここでは、1mΩ〜200mΩの範囲の小さいオン抵抗を有していることを言及しておく。面積あたりの容量は、2pF〜100pFの範囲にある。
本発明によるIII−V族半導体ダイオードの別の利点は、300℃までの高い温度耐性である。換言すれば、III−V族半導体ダイオードを、高温環境下でも使用することができる。この場合、僅かな漏れ電流は、温度の上昇と共に指数関数的に上昇することに起因して非常に有用である。
1つの発展形態においては、注入によって生じる第1の絶縁層が、少なくともスタックの側面の一部に沿って、スタック内に形成されている。絶縁層は、例えば、アモルファス化された周縁部領域として形成されており、このアモルファス化は、例えば、水素イオンの注入によって達成される。
1つの別の発展形態によれば、少なくともスタックの側面の一部に沿って、絶縁層が延在している。例えば、化学気相成長法(CVD:chemical vapor deposition)によって、酸化物層が側面に被着される。酸化物層は、有利には、10μm〜15μm、または20μm〜30μmの厚さを有している。
1つの別の実施形態においては、半導体モジュールが、第1のコンタクト層および第2のコンタクト層を含んでおり、第2のコンタクト層が、スタックの上面を部分的に覆っており、それによってスタックの上面が、第2のコンタクト層を取り囲むようにして、少なくとも10μmの幅を有する、周方向に延びる第3の周縁部を形成している。第1のコンタクト層は、スタックの下面を有利には完全に覆っている。
1つの別の実施形態によれば、p領域およびn領域が、層状に形成されており、層状のn領域および層状のp領域が、それぞれ素材結合によってn層と結合されており、層状のn領域が、50μm〜675μmの層厚を有しており、層状のp領域が、2μmよりも大きい層厚を有しており、スタック型のIII−V族半導体モジュールが、0.5μm〜50μmの層厚を有する第1の欠陥層を有しており、欠陥層が、n層内に配置されており、かつ1×1013N/cm〜5×1016N/cmの範囲の欠陥濃度を有している。
欠陥層を、種々のやり方で、例えば不純物原子の注入によって、または不純物原子の導入を用いて形成することができ、また欠陥層内ではキャリアの再結合が達成されると解される。とりわけ、欠陥ないし再結合中心は、クロムの導入によって達成される。
1つの発展形態によれば、欠陥層の層厚は、欠陥層から、n層とp領域との境界面までの距離であり、また最大でn層の層厚の半分である。
欠陥層は、とりわけ、空間電荷領域内には形成されないことを言及しておく。とりわけ、n層の厚みは、欠陥層が空間電荷領域から距離を置いて設けられているように形成されている。
1つの別の実施形態においては、p領域およびn領域が、層状に形成されており、層状のn領域が、素材結合によってn層と結合されており、n層とp層との間には、1μm〜50μmの層厚を有し、かつ1012cm−3〜1017cm−3のドーパント濃度でもってドープされた中間層が配置されており、かつ中間層が、素材結合によってn層およびp層と結合されている。
中間層は、素材結合によって結合された層と比較すると、少なくとも1つの異なるドーパント濃度を有していると解される。
有利には、中間層は、pドープされており、特に有利にはドーパントとして亜鉛または炭素を含有している。pドープされた中間層のドーパント濃度は、特に有利には、p領域のドーパント濃度よりも低く、特に2倍〜5倍低い。
代替的に、中間層は、nドープされており、有利にはケイ素および/またはスズを含有しており、nドープされた中間層のドーパント濃度が、特に有利にはn領域のドーパント濃度よりも100倍程度まで低い。
1つの発展形態においては、III−V族半導体ダイオードがモノリシックに形成されている。つまり、個別にモノリシックに形成された層が、相互に同様にモノリシックに形成されている。
1つの別の実施形態においては、III−V族半導体ダイオードが、少なくとも1つの半導体ボンディングを含んでいる。
用語「半導体ボンディング」は、用語「ウェハボンディング」と同義で用いられることを言及しておく。
1つの別の実施形態においては、半導体ボンディングが、p層、pドープされた中間層、n層およびn層から成るスタック型の層構造において、n層とpドープされた中間層との間に形成されている。
1つの実施形態においては、p層およびpドープされた中間層から成る層構造が、第1の部分スタックを形成しており、n層およびn層から成る層構造が、第2の部分スタックを形成している。
1つの発展形態においては、p層を基点にして、pドープされた中間層がエピタキシによって作製されることによって、第1の部分スタックが形成される。
とりわけ、p層として形成されている中間層は、1013N/cm未満のドーピング、または1013N/cm〜1015N/cmのドーピングを有している。1つの実施形態においては、p層が、ボンディングの前または後に、研磨プロセスによって200μm〜500μmの厚さまで薄くされる。
1つの発展形態においては、第1の部分スタックおよび第2の部分スタックが、それぞれモノリシックに形成されている。
1つの実施形態においては、n基板を基点にして、さらなるウェハボンディングプロセスによって、n基板が第2のスタックと接合されることによって、第2のスタックが形成される。
さらなるプロセスステップにおいては、n基板が所望の厚さまで薄くされる。とりわけ、n基板の厚さは、50μm〜250μmまでの範囲にある。とりわけ、n基板のドーピングは、1013N/cm〜1015N/cmの範囲にある。
ウェハボンディングの1つの利点は、厚いn層を容易に作製できることにある。これによって、エピタキシの際の長い堆積プロセスが省略される。また、ボンディングによって、厚いn層における積層欠陥の数を低減することもできる。
1つの別の発展形態においては、ボンディングの前に、欠陥層がとりわけ、第1の部分スタックの表面への、すなわちpドープされた中間層へのイオンの注入によって形成される。
1つの代替的な実施形態においては、n基板が、1010N/cm超かつ1013N/cm未満のドーピングを有している。ドーピングを極端に低くすることによって、n基板を、真性層と解することもできる。
1つの発展形態においては、n基板を薄くした後に、エピタキシまたは高ドーズ注入によって、n基板上に、1018N/cm〜5×1019N/cm未満の範囲でn層が形成される。
基板を薄くすることは、とりわけCMPステップによって、すなわち化学機械研磨によって行われると解される。
1つの別の発展形態においては、ダイオード構造の前面に補助層が設けられる。続いて、ダイオード構造の裏面が薄くされ、支持体に載置される。1つの別の発展形態においては、続いて補助層が前面から剥がされる。
1つの実施形態においては、半導体ダイオードを電気的に接続するために、n基板の表面およびp基板の表面がメタライジングされる。とりわけ、半導体ダイオードのカソードが、メタライジング後に、ヒートシンクとして形成されているベース部と素材結合によって結合される。換言すれば、アノードは、ダイオードの表面において、p層の上に形成されている。
実験の結果、p中間層とn層との特定の組合せによって、種々の逆電圧を達成できることが分かった。
第1のヴァリエーションにおいては:
中間層が、10μm〜25μmまでの厚さを有しており、n層が、40μm〜90μmの厚さを有しており、約900Vの逆電圧が生じる。
第2のヴァリエーションにおいては:
中間層が、25μm〜35μmまでの厚さを有しており、n層が、40μm〜70μmの厚さを有しており、約1,200Vの逆電圧が生じる。
第3のヴァリエーションにおいては:
中間層が、35μm〜50μmまでの厚さを有しており、n層が、70μm〜150μm〜70μmの厚さを有しており、約1,500Vの逆電圧が生じる。
第1から第3のヴァリエーションにおけるダイオードは、パンチ型ダイオード(Punsch−Diode)と称することもできる。
第4のヴァリエーションにおいては:
中間層が、10μm〜25μmまでの厚さを有しており、n層が、60μm〜110μmの厚さを有している。
第5のヴァリエーションにおいては:
中間層が、10μm〜25μmまでの厚さを有しており、n層が、70μm〜140μmの厚さを有している。
第6のヴァリエーションにおいては:
中間層が、35μm〜50μmまでの厚さを有しており、n層が、80μm〜200μmの厚さを有している。
第4から第6のヴァリエーションにおけるダイオードは、「非リーチスルー型(non−reach−through)」ダイオードと称することもできる。
以下では、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。図中、同種の部分には、同一の参照番号を付している。図示の実施形態は、非常に概略的に示されている。つまり、間隔、横方向および縦方向の大きさは、縮尺通りではなく、また別記しない限りは、導き出すことができる相互の幾何学的な関係も有していない。
本発明による半導体モジュールの第1の実施形態の概略図を示す。 本発明による半導体モジュールの実施形態の層列の概略的な断面図を示す。 本発明による半導体モジュールの第2の実施形態の層列の概略的な断面図を示す。
図1には、本発明によるスタック型のIII−V族半導体モジュール10の第1の実施形態の概略的な斜視図が示されている。
半導体モジュール10は、複数の半導体層から成り、かつ矩形の上面102、矩形の下面104、および、上面102と下面104とを繋ぐ側面106を備えたスタック100を有している。下面104は、上面102よりも大きい。側面106は、4つの階段状の面から成るので、側面106の領域には、第1の幅B1を備えている、周方向に延びる階段の踊り場状の周縁部110と、第2の幅B2を備えている、周方向に延びる階段の踊り場状の周縁部120と、が生じる。
スタック100の下面104は、第1のコンタクト層K1によって完全に覆われている。第2のコンタクト層K2は、半導体モジュール10の上面102に配置されている。
図2に、半導体モジュール10のスタック100の半導体層の層列の第1の実施形態が示されている。
スタック100は、長手方向軸線Lに沿って、5×1018N/cm〜5×1020N/cmのドーパント濃度を有する層状のp領域12と、1012N/cm〜1017N/cmのドーパント濃度を有するn層14と、少なくとも1019N/cmのドーパント濃度を有する層状のn領域16と、を有しており、各層は、下面および上面を有している。
層12は、層厚D1を有する基板として形成されており、この場合、p層12の下面は、スタック100の下面を形成している。p層12の上面の第1の部分は、幅B1を有する、周方向に延びる第1の周縁部110を形成している。p層12の上面の第2の部分には、n層14の下面が配置されている。n層14は、層厚D2を有している。n層の上面の一部は、幅B2を有する、周方向に延びる第2の周縁部120を形成している。n層14の上面の第2の部分には、n層16の下面が配置されている。n層16は、層厚D3を有している。n層16の上面は、スタック100の上面を形成している。
スタック100の下面は、第1のコンタクト層K1によって完全に覆われている。第2のコンタクト層K2は、スタック100の上面の中央領域に面状に形成されているので、スタック100の上面、すなわちここではn層16は、幅B3を有する、周方向に延びる階段の踊り場状の周縁部130を形成している。
すべての層12,14および16は、モノリシックに形成されており、かつGaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成る。オプションとして、したがって破線で示されているように、スタック100は、層厚D4を有する欠陥層30を有しており、この欠陥層は、n層14内に配置されており、またn層14の下面ないしp層12の上面まで距離A1を有している。
図3には、本発明によるIII−V族半導体モジュールの層列の別の実施形態が示されている。以下では、図2との相異のみを説明する。
層16が、基板層として形成されており、これに続いてn層14、層厚D5を有する、pドープまたはnドープされた中間層18、およびp層12が順に設けられている。
注入によって、側面に接しているスタック100の領域は、周方向に延びる第1の周縁部110から、スタック100の上面に接している縁まで、絶縁性に形成されており、また第1の絶縁層20を形成している。
第2の絶縁層22、例えば酸化物層、または酸化物層と窒化物層との組合せが、側面に対する化学気相成長法によって、周方向に延びる周縁部110からスタック100の上面に接する縁までの領域に被着される。この場合、絶縁層22は、上面102まで延在することができる。

Claims (9)

  1. スタック型のIII−V族半導体モジュール(10)であって、
    前記スタック型のIII−V族半導体モジュール(10)は、
    上面(102)、下面(104)、前記上面(102)と前記下面(104)とを繋ぐ側面(106)、および、前記上面(102)と前記下面(104)とを通って延びる長手方向軸線(L)を備えたスタック(100)を有しており、
    前記スタック(100)は、上面および下面を備え、かつ5×1018N/cm〜5×1020N/cmのドーパント濃度を有するp領域(12)を有しており、
    前記スタック(100)は、上面および下面を備え、かつ1012N/cm〜1017N/cmのドーパント濃度および10μm〜300μmの層厚(D2)を有するn層(14)を有しており、
    前記スタック(100)は、上面および下面を備え、かつ1019N/cmのドーパント濃度を有するn領域(16)を有しており、
    前記p領域(12)および前記n層(14)および前記n領域(16)は、前記スタック(100)の前記長手方向軸線(L)に沿って、記載の順序で重なっており、それぞれがモノリシックに形成されており、かつそれぞれがGaAs化合物を含有しているか、またはそれぞれがGaAs化合物から成り、
    前記n領域(16)または前記p領域(12)は、基板層として形成されている、スタック型のIII−V族半導体モジュール(10)において、
    前記スタック(100)は、前記側面(106)の領域に、周方向に延びる階段の踊り場状の第1の周縁部(110)と、周方向に延びる階段の踊り場状の第2の周縁部(120)と、を有しており、
    前記第1の周縁部(110)は、前記基板層によって形成され、
    前記第2の周縁部(120)は、前記n層(14)、または前記n層(14)および前記p領域(12)に接する中間層(18)によって形成され、
    前記周方向に延びる第1の周縁部(110)および前記周方向に延びる第2の周縁部(120)は、それぞれ少なくとも10μmの幅(B1,B2)を有している、
    スタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  2. 注入によって生じる第1の絶縁層(20)が、少なくとも前記スタック(100)の前記側面(106)の一部に沿って、前記スタック(100)内に形成されている、
    請求項1記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  3. 第2の絶縁層(22)が、少なくとも前記スタック(100)の前記側面(106)の一部に沿って延在している、
    請求項1または2記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  4. 前記半導体モジュール(10)は、第1のコンタクト層(K1)および第2のコンタクト層(K2)を含んでおり、前記第2のコンタクト層(K2)は、前記スタック(100)の前記上面(102)を部分的に覆っており、前記スタック(100)の前記上面(102)は、前記第2のコンタクト層(K2)を取り囲むようにして、少なくとも10μmの幅(B3)を有する、周方向に延びる第3の周縁部(130)を形成している、
    請求項1から3までのいずれか1項記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  5. 前記p領域(12)および前記n領域(16)は、層状に形成されており、
    前記層状のn領域(16)および前記層状のp領域(12)は、それぞれ素材結合によって前記n層(14)と結合されており、
    前記層状のn領域(16)は、50μm〜675μmの層厚(D3)を有しており、
    前記層状のp領域は、2μmよりも大きい層厚(D1)を有しており、
    前記スタック型のIII−V族半導体モジュール(10)は、0.5μm〜50μmの層厚(D4)を有する第1の欠陥層(30)を有しており、
    前記第1の欠陥層(30)は、前記n層(14)内に配置されており、かつ1×1013N/cm〜5×1016N/cmの範囲の欠陥濃度を有している、
    請求項1から4までのいずれか1項記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  6. 前記n層(14)と前記p領域(12)との境界面までの、前記第1の欠陥層(30)の距離(A1)は、最大で、前記n層(14)の層厚(D2)の半分である、ことを特徴とする、
    請求項5記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  7. 前記p領域(12)および前記n領域(16)は、層状に形成されており、
    前記層状のn領域(16)は、素材結合によって前記n層(14)と結合されており、
    前記n層(14)と前記p層(12)との間には、1μm〜50μmの層厚(D5)を有し、かつ1012cm−3〜1017cm−3のドーパント濃度でもってドープされた中間層(18)が配置されており、
    前記中間層(18)は、素材結合によって前記n層(14)および前記p層(18)と結合されている、
    請求項1から4までのいずれか1項記載のスタック型のIII−V族半導体モジュール(10)。
  8. 前記III−V族半導体モジュール(10)は、モノリシックに形成されているか、または半導体ボンディングを有している、
    請求項1から7までのいずれか1項記載のIII−V族半導体モジュール(10)。
  9. 前記半導体ボンディングは、前記p層(18)と前記n層(14)との間に形成されている、
    請求項8記載のIII−V族半導体モジュール(10)。
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