RU2507634C1 - Semiconductor device and method of its manufacturing - Google Patents

Semiconductor device and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2507634C1
RU2507634C1 RU2012140718/28A RU2012140718A RU2507634C1 RU 2507634 C1 RU2507634 C1 RU 2507634C1 RU 2012140718/28 A RU2012140718/28 A RU 2012140718/28A RU 2012140718 A RU2012140718 A RU 2012140718A RU 2507634 C1 RU2507634 C1 RU 2507634C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
drain
source
substrate
algan
Prior art date
Application number
RU2012140718/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Грачик Хачатурович Аветисян
Надежда Борисовна Гладышева
Алексей Анатольевич Дорофеев
Виктор Алексеевич Курмачев
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар"
Priority to RU2012140718/28A priority Critical patent/RU2507634C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2507634C1 publication Critical patent/RU2507634C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: semiconductor device comprises a thinned substrate of single-crystal silicon of p-type conductivity, oriented according to the plane (111), with a buffer layer from AlN on it, above which there is a heat conducting substrate in the form of a deposited layer of polycrystalline diamond with thickness equal to at least 0.1 mm, on the other side of the substrate there is an epitaxial structure of the semiconducting device on the basis of wide-zone III-nitrides, a source from AlGaN, a gate, a drain from AlGaN, ohmic contacts to the source and drain, a solder in the form of a layer including AuSn, a copper pedestal and a flange. At the same time between the source, gate and drain there is a layer of an insulating polycrystalline diamond.
EFFECT: higher reliability of a semiconducting device and increased service life, makes it possible to simplify manufacturing of a device with high value of heat release from an active part.
3 cl, 7 dwg

Description

Группа изобретений относится к области полупроводниковой техники, например, СВЧ мощным транзисторам на основе GaN, гетеропереходным полевым транзисторам (НЕМТ), биполярным транзисторам (BJT), гетеробиполярным транзисторам (НВТ), p-i-n диодам, диодам с барьером Шоттки и многим другим, а также способам их изготовления.The group of inventions relates to the field of semiconductor technology, for example, microwave power transistors based on GaN, heterojunction field effect transistors (HEMT), bipolar transistors (BJT), heterobipolar transistors (HBT), pin diodes, Schottky barrier diodes and many others, as well as methods their manufacture.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А3 с азотом (нитриды А3) весьма актуально ввиду значительного расширения функциональных возможностей этих приборов. В частности, возникла возможность изготовления СВЧ-полевых транзисторов, мощность которых в несколько раз больше, чем мощность таких транзисторов, выполненных на основе традиционных материалов (арсениды А3). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-500°С, что было абсолютно недоступно на традиционных приборах.The creation of optoelectronic and microelectronic devices based on semiconductor compounds of group A 3 with nitrogen (nitrides A 3 ) is very important in view of the significant expansion of the functionality of these devices. In particular, it became possible to manufacture microwave field-effect transistors, the power of which is several times greater than the power of such transistors made on the basis of traditional materials (arsenide A 3 ). At the same time, nitride-based transistors have unique thermal stability and can operate continuously at a temperature of 300-500 ° C, which was completely unavailable on traditional devices.

Однако существенной трудностью при промышленной реализации такого технического решения является склонность нитридных транзисторов к деградации, т.е. к быстрому изменению (ухудшению) характеристик прибора со временем. Эта деградация наблюдается во время работы прибора и, более того, зафиксировано ухудшение характеристик транзисторных полупроводниковых структур в отсутствие электрического тока. Показано, что подвижность и концентрация электронов в нитридной гетероструктуре произвольно меняются со временем, причем за несколько месяцев эти изменения достигают десятков процентов (S. Elhamri et al. Study of deleterious aging effects in GaN/AlGaN heterostructures. Journal of Applied Physics, vol. 93, 2, pp.1079-1082, 15 January 2003).However, a significant difficulty in the industrial implementation of such a technical solution is the tendency of nitride transistors to degradation, i.e. to a quick change (deterioration) of the characteristics of the device over time. This degradation is observed during operation of the device and, moreover, a deterioration in the characteristics of transistor semiconductor structures in the absence of an electric current is recorded. It has been shown that the mobility and concentration of electrons in a nitride heterostructure randomly change over time, and over several months these changes reach tens of percent (S. Elhamri et al. Study of deleterious aging effects in GaN / AlGaN heterostructures. Journal of Applied Physics, vol. 93 2, pp. 1079-1082, January 15, 2003).

В условиях, соответствующих рабочим, т.е. с протеканием тока под действием приложенного напряжения, нитридные транзисторы изменяют свои характеристики за несколько часов, что недопустимо для реального применения.In conditions appropriate to the workers, i.e. with the current flowing under the action of the applied voltage, nitride transistors change their characteristics in a few hours, which is unacceptable for real use.

Известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: Al0,2Ga0,8N, на нем GaN; второй вариант барьерного слоя - Al0,3Ga0,7N, легированный Si, на нем нелегированный Al0,3Ga0,7N. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее было выполнено диэлектрическое покрытие MgO, Sс2О3 или SiNx. Между контактами диэлектрическое покрытие находится на барьерном слое и служит для защиты открытых поверхностей барьерного слоя от внешних воздействий, см. В.Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of Sс2О3 and MgO passivation on AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp.2185-2190, 2002.Known field-effect transistor based on gallium and aluminum nitrides, the structure of which consistently includes: a substrate, a GaN layer, a barrier layer made of two sublayers: Al 0.2 Ga 0.8 N, GaN on it; the second version of the barrier layer is Al 0.3 Ga 0.7 N, doped with Si, unalloyed Al 0.3 Ga 0.7 N on it. The contacts are made on the structure: drain, source and gate with corresponding gaps between them; Further, a dielectric coating of MgO, Sс 2 О 3 or SiN x was made . Between the contacts, the dielectric coating is located on the barrier layer and serves to protect the exposed surfaces of the barrier layer from external influences, see B. Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of Sс 2 О 3 and MgO passivation on AlGaN / GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp. 2185-2190, 2002.

Недостатком такого технического решения является то, что полученный благодаря защитным слоям уровень деградации остается достаточно высоким.The disadvantage of this technical solution is that the degradation level obtained due to the protective layers remains quite high.

В настоящее время широкое распространение получили приборы на основе гетеропереходной эпитаксиальной структуры (ГЭС) типа AlGaN/GaN.Currently, devices based on a heterojunction epitaxial structure (HES) of the AlGaN / GaN type are widely used.

Слои ГЭС наносятся эпитаксиальными методами, такими как метод химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), метод гидридной эпитаксии из паровой фазы (HVPE), и другими. В отличие от традиционных полупроводниковых материалов широкозонные III-нитриды имеют гексагональный тип кристаллической решетки и их получают в виде тонких гетероэпитаксиальных структур на подложках, имеющих гексагональный тип решетки. Для этой цели, как правило, используют подложки из сапфира (Аl2О3), карбида кремния (SiC), объемного нитрида алюминия (AlN) или нитрида галлия (GaN), псевдообъемного GaN, подложки из кремния с ориентацией по плоскости (111) (Si(111)), а также заготовки GaN (или AlN) на подложке, служить которой может одна из вышеперечисленных (Compound Semiconductor. October 2004, 27-31).HES layers are deposited by epitaxial methods, such as the method of chemical vapor deposition of organometallic compounds (MOCVD), the method of molecular beam epitaxy (MBE), the method of hydride vapor epitaxy (HVPE), and others. Unlike traditional semiconductor materials, wide-gap III-nitrides have a hexagonal type of crystal lattice and are obtained in the form of thin heteroepitaxial structures on substrates having a hexagonal type of lattice. For this purpose, as a rule, substrates of sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), bulk aluminum nitride (AlN) or gallium nitride (GaN), pseudovolume GaN, silicon substrates with a plane orientation (111) are used (Si (111)), as well as GaN (or AlN) preforms on the substrate, one of which can be used (Compound Semiconductor. October 2004, 27-31).

Недостатками известного способа является отсутствие возможности производства надежных полупроводниковых приборов, обусловленное низкой теплопроводностью подложки и перегревом рабочей области полупроводникового прибора.The disadvantages of this method is the lack of production of reliable semiconductor devices due to the low thermal conductivity of the substrate and overheating of the working area of the semiconductor device.

В другом известном решении на подложке, пригодной для выращивания поликристаллического алмаза, например, из кремния, выращивают тонкий (от 0,5 до 30 мкм) слой алмаза, на ростовой поверхности которого формируют слой, подходящий для эпитаксиального наращивания, и первый слой сложного полупроводника. Этот слой может быть монокристаллическим и может быть выбран из группы, включающей Si, GaAs, SiC и Аl2О3.In another known solution, a thin (from 0.5 to 30 μm) layer of diamond is grown on a substrate suitable for growing polycrystalline diamond, for example, from silicon, on the growth surface of which a layer suitable for epitaxial growth and the first layer of a complex semiconductor are formed. This layer may be single crystal and may be selected from the group consisting of Si, GaAs, SiC, and Al 2 O 3 .

Возможно наличие дополнительного второго слоя, сложного полупроводника, включающего: AlxGayInzAsmPnNoSbk, в котором х, у, z, m, n, о и k каждый имеет значение большее или равное нулю и меньшее или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1, в котором второй слой сложного полупроводника имеет состав, отличный от первого слоя сложного полупроводника.There may be an additional second layer, a complex semiconductor, including: Al x Ga y In z As m P n N o Sb k , in which x, y, z, m, n, o and k each has a value greater than or equal to zero and less or equal to unity and x + y + z = 1 and m + n + o + k = 1, in which the second layer of a complex semiconductor has a composition different from the first layer of a complex semiconductor.

Возможно наличие дополнительного буферного слоя, выбранного, например, из группы, состоящей из HfN и AlN, и расположенного между базовым слоем и первым слоем сложного полупроводника.There may be an additional buffer layer selected, for example, from the group consisting of HfN and AlN, and located between the base layer and the first layer of a complex semiconductor.

Возможно наличие промежуточного слоя, выбранного из группы, состоящей из поликремния, окислов кремния, нитрида кремния, карбида кремния, углерода, III-V полупроводников или комбинации из них, и расположенного между алмазным слоем и базовым слоем.There may be an intermediate layer selected from the group consisting of polysilicon, silicon oxides, silicon nitride, silicon carbide, carbon, III-V semiconductors or a combination of them, and located between the diamond layer and the base layer.

Первый слой сложного полупроводника содержит AlxGayInzAsmPnNoSbk, в котором х, у, z, m , n, о и k каждый имеет значение больше чем или равное "0" и меньше или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1. Первый слой сложного полупроводника может содержать GaN.The first layer of a complex semiconductor contains Al x Ga y In z As m P n N o Sb k , in which x, y, z, m, n, o and k each have a value greater than or equal to "0" and less than or equal to unity and x + y + z = 1 and m + n + o + k = 1. The first layer of a complex semiconductor may contain GaN.

Известная структура содержит по порядку: кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, либо кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, поликремниевый слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, а буферный слой выбран из группы, состоящей из HfN и AlN.The known structure contains in order: a silicon substrate, a heat-conducting diamond layer, a single-crystal silicon layer and an epitaxial GaN layer, or a silicon substrate, a heat-conducting diamond layer, a polysilicon layer, a single-crystal silicon layer and an epitaxial GaN layer, and the buffer layer is selected from the group consisting of HfN and AlN.

Известная структура имеет параметр изгиба до 25 мкм вогнутой формы и до 300 мкм выпуклой формы с лицевой стороны GaN (патентный документ США №2006/0113545 Al, Jun. 1, 2006).The known structure has a bending parameter of up to 25 μm concave shape and up to 300 μm convex shape on the front side of GaN (US patent document No. 2006/0113545 Al, Jun. 1, 2006).

К основным недостаткам аналога следует отнести:The main disadvantages of the analogue include:

- тонкий слой алмаза (0,5-30 мкм) ограничивает отвод тепла от полупроводниковых структур и требует трудоемкой обработки (шлифовки и полировки). Это обусловлено тем, что полупроводниковую структуру формируют на ростовой поверхности поликристаллического алмаза, высота шероховатости которой достигает 10% от толщины слоя, что не позволяет сформировать структуру. При увеличении толщины алмазного слоя до конструкционной толщины, например до 0,15 мм, высота микронеровностей достигнет 15 мкм, что значительно увеличивает сложность и длительность обработки;- a thin layer of diamond (0.5-30 microns) limits the heat removal from semiconductor structures and requires laborious processing (grinding and polishing). This is due to the fact that a semiconductor structure is formed on the growth surface of a polycrystalline diamond, the roughness of which reaches 10% of the layer thickness, which does not allow to form a structure. With an increase in the thickness of the diamond layer to the structural thickness, for example, to 0.15 mm, the height of the microroughness will reach 15 microns, which significantly increases the complexity and duration of processing;

- готовая структура имеет существенный изгиб из-за недостаточной толщины алмаза.- the finished structure has a significant bend due to insufficient thickness of the diamond.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу является техническое решение, описанное в патенте РФ №2368031, 20.09.2009. Известный способ изготовления полупроводникового прибора включает выращивание на базовой подложке поликристаллического алмаза, эпитаксиальных вспомогательных слоев и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. При этом на поверхности базовой подложки формируют вспомогательные эпитаксиальные слои, один из которых является базовым для выращивания эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. На вспомогательных эпитаксиальных слоях выращивают поликристаллический алмаз, а после выращивания алмаза базовую подложку удаляют вместе со вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, на котором выращивают эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов.The closest analogue to the claimed method is the technical solution described in the patent of the Russian Federation No. 2368031, 09/20/2009. A known method of manufacturing a semiconductor device includes growing on a base substrate polycrystalline diamond, epitaxial auxiliary layers and the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides. At the same time, auxiliary epitaxial layers are formed on the surface of the base substrate, one of which is basic for growing the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides. Polycrystalline diamond is grown on auxiliary epitaxial layers, and after growing diamond, the base substrate is removed together with auxiliary epitaxial layers to the base layer, on which the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides is grown.

Недостатками известного способа является отсутствие возможности производства надежных полупроводниковых приборов, обусловленное низким значением теплоотвода от активной части полупроводникового прибора.The disadvantages of this method is the lack of production of reliable semiconductor devices, due to the low value of the heat sink from the active part of the semiconductor device.

Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.The objective of this group of inventions is to eliminate the above disadvantages.

Общий технический результат достигается в повышении надежности полупроводникового прибора и увеличении срока его службы, а также в упрощении способа и возможности изготовления с помощью него приборов с высоким значением теплоотвода от их активной части.The overall technical result is achieved in increasing the reliability of a semiconductor device and increasing its service life, as well as in simplifying the method and the possibility of manufacturing devices with it with a high heat sink from their active part.

Технический результат обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор включает утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец. При этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.The technical result is ensured by the fact that the semiconductor device includes a thinned substrate of p-type single crystal silicon, oriented along the (111) plane, with an AlN buffer layer made on it, on top of which a heat-conducting substrate is made in the form of a deposited layer of polycrystalline diamond with a thickness equal to less than 0.1 mm, on the other side of the substrate, the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides is made, source from AlGaN, gate, drain from AlGaN, ohmic contacts to the source and drain, a solder layer comprising AuSn, copper pedestal and the flange. In this case, a layer of insulating polycrystalline diamond is made between the source, gate and drain.

В соответствии с частным случаем осуществления эпитаксиальная структура включает нелегированный слой твердого раствора GaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN n-типа проводимости и слой твердого раствора AlGaN.According to a particular embodiment, the epitaxial structure includes an undoped layer of a GaN solid solution, an undoped layer of an AlGaN solid solution, an undoped layer of an n-type AlGaN solid solution and an AlGaN solid solution layer.

Технический результат также обеспечивается тем, что способ изготовления полупроводникового прибора включает нанесение на фланец слоя припоя из AuSn, на который запаивают медный пьедестал, нанесение подслоя из AuSn, обеспечивающего укрепление кристалла полупроводникового прибора к медному пьедесталу, осаждение на поверхности подложки буферного слоя из AlN, на поверхности которого выращивают теплопроводящий слой поликристаллического алмаза, утонение подложки. Далее на утоненной подложке выращивают эпитаксиальную структуру III-нитридов. Затем формируют исток, затвор, сток, обеспечивают омические контакты к истоку и стоку, поверх кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза.The technical result is also ensured by the fact that the method of manufacturing a semiconductor device includes depositing an AuSn solder layer on a flange, onto which a copper pedestal is sealed, applying an AuSn sublayer, which secures the crystal of a semiconductor device to a copper pedestal, and deposition of an AlN buffer layer on a substrate surface onto the surface of which grow a heat-conducting layer of polycrystalline diamond, thinning the substrate. Then, on the thinned substrate, the epitaxial structure of III-nitrides is grown. Then a source, gate, drain are formed, ohmic contacts to the source and drain are provided, an insulating layer of polycrystalline diamond is applied between the source, gate and drain, on top of the transistor crystal.

Группа изобретений поясняется следующими иллюстрациями:The group of inventions is illustrated by the following illustrations:

фиг.1-4 иллюстрируют последовательность изготовления прибора;figures 1-4 illustrate the manufacturing sequence of the device;

фиг.5 иллюстрирует полупроводниковый прибор;5 illustrates a semiconductor device;

фиг.6 отображает экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени;Fig.6 displays the experimentally measured time dependence of the heating temperature of the active region of the microwave transistor;

фиг.7 отображает вольт-амперные характеристики полупроводникового прибора.Fig.7 displays the current-voltage characteristics of the semiconductor device.

Полупроводниковый прибор включает следующие конструктивные элементы:The semiconductor device includes the following structural elements:

1 - фланец;1 - flange;

2 - слой припоя из AuSn;2 - a layer of solder from AuSn;

3 - медный пьедестал;3 - copper pedestal;

4 - подслой из AuSn;4 - sublayer of AuSn;

5 - подложка;5 - substrate;

6 - буферный слой из AlN;6 - buffer layer of AlN;

7 - теплопроводящая подложка;7 - heat-conducting substrate;

8 - нелегированный слой GaN;8 - undoped GaN layer;

9 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;9 - undoped layer of AlGaN solid solution;

10 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;10 - unalloyed layer of AlGaN solid solution;

11 - слой твердого раствора AlGaN;11 - layer of AlGaN solid solution;

12 - исток;12 - source;

13 - затвор;13 - shutter;

14 - сток;14 - stock;

15 - омические контакты;15 - ohmic contacts;

16 - изолирующий слой из поликристаллического алмаза.16 - an insulating layer of polycrystalline diamond.

Предложенное устройство производят следующим образом.The proposed device is as follows.

Фигуры 1-5 иллюстрируют последовательность изготовления многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора по обоим вариантам. На фланце марки МД-40 1, толщиной 1600 мкм наносят слой припоя из AuSn 2 толщиной 25 мкм, на который запаивается медный пьедестал 3 толщиной ~150 мкм. Поверх слоя меди наносят подслой из AuSn 4 толщиной ~25 мкм, который в дальнейшем служит основой для укрепления кристалла транзистора к медному пьедесталу 3. В качестве подложки 5, используют, например, монокристаллический кремний р-типа проводимости, ориентированный по плоскости (111). На поверхности подложки 5 осаждают буферный слой из AlN 6. На поверхности базовой подложки 5 со слоем 6 выращивают теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза 7 толщиной ≥0,1 мм. Слой алмаза выращивают в СВЧ разряде на установке УП-СА-100 (СВЧ мощность 5кВт, частота 2,45 ГГц) с использованием реакционной смеси СН4(10%)/Н2(88,5%)/О2(1,5%). Условия осаждения были следующие: расход водорода 0,53 л/мин, давление в камере 95 торр, вводимая в камеру СВЧ мощность 4,6 кВт, температура подложки 940°С. Даже при наличии напряжений растяжения и сжатия на границе раздела алмаз-AlN, возникающих из-за различия в тепловом расширении AlN и алмаза после окончания процесса осаждения алмаза на эпитаксиальный слой AlN при охлаждении от температуры синтеза до комнатной, была получена удовлетворительная величина адгезии поликристаллического алмаза к AlN. После выращивания поликристаллического алмаза 7 подложку 5 утоняют широко известными методами мокросухого травления до толщины 10 мкм. Далее на подложке 5 последовательно выращиваются гетероэпитаксиальная структура III-нитридов, состоящая, например, из нелегированного слоя твердого раствора GaN 8, нелегированного слоя твердого раствора AlGaN спейс 9, нелегированного слоя твердого раствора AlGaN n-типа проводимости 10, слоя твердого раствора AlGaN (крыша) 11. Затем формируют исток 12, затвор 13, сток 14. Обеспечивают наличие омических контактов 15 к истоку 12 и стоку 16. Поверх кристалла транзистора между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза 16.Figures 1-5 illustrate the sequence of manufacturing a multilayer epitaxial structure of a semiconductor device according to both options. On the MD-40 1 brand flange with a thickness of 1600 μm, a 25 μm thick AuSn 2 solder layer is applied, onto which a copper pedestal 3 with a thickness of ~ 150 μm is sealed. A ~ 25 μm thick sublayer of AuSn 4 is applied over the copper layer, which subsequently serves as the basis for strengthening the transistor crystal to the copper pedestal 3. As substrate 5, for example, p-type single crystal silicon oriented along the (111) plane is used. A buffer layer of AlN 6 is deposited on the surface of the substrate 5. On the surface of the base substrate 5 with a layer 6, a thermally conductive CVD layer of polycrystalline diamond 7 with a thickness of ≥0.1 mm is grown. The diamond layer is grown in a microwave discharge on a UP-SA-100 installation (microwave power 5 kW, frequency 2.45 GHz) using the reaction mixture CH4 (10%) / H2 (88.5%) / O2 (1.5%). The deposition conditions were as follows: a hydrogen flow rate of 0.53 l / min, a pressure in the chamber of 95 torr, a microwave power input of 4.6 kW into the chamber, and a substrate temperature of 940 ° C. Even in the presence of tensile and compression stresses at the diamond-AlN interface, arising due to the difference in the thermal expansion of AlN and diamond after the deposition of diamond onto the AlN epitaxial layer upon cooling from the synthesis temperature to room temperature, a satisfactory adhesion of polycrystalline diamond to AlN. After growing polycrystalline diamond 7, the substrate 5 is drowned by well-known wet-etching methods to a thickness of 10 μm. Next, on the substrate 5, a heteroepitaxial structure of III-nitrides is successively grown, consisting, for example, of an unalloyed layer of a solid solution of GaN 8, an unalloyed layer of a solid solution of AlGaN space 9, an unalloyed layer of a solid solution of AlGaN n-type conductivity 10, a layer of an AlGaN solid solution (roof) 11. Then form the source 12, the gate 13, the drain 14. Provide the presence of ohmic contacts 15 to the source 12 and the drain 16. On top of the transistor crystal between the source, the gate and the drain, an insulating layer of polycrystalline diamond 16 is applied.

Достоинство заявляемого технического решения в том, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев, например, такие как «Smart»-технология. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Исключается необходимость в проведении трудоемкой операции полировки поверхности алмаза до состояния пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов.The advantage of the claimed technical solution is that all layers in the structures are obtained using well-known epitaxial methods and special processing technologies and / or methods for attaching layers, for example, such as “Smart” technology, are not required. The semiconductor structure appears to be formed practically on the surface of the substrate of large structural thickness from high-conductivity polycrystalline diamond. Eliminates the need for a time-consuming operation of polishing the surface of the diamond to a state suitable for the technology of thermal bonding layers in the further manufacture of devices.

Достоинство заявляемого технического решения в том, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев, например, такие как «Smart»-технология. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Кроме того, наличие слоя изолирующего поликристаллического алмаза между истоком, затвором и стоком обеспечивает дополнительный отвод тепла от активной области прибора, при этом тепловое сопротивление транзисторной структуры уменьшается в 1.5 раза.The advantage of the claimed technical solution is that all layers in the structures are obtained using well-known epitaxial methods and special processing technologies and / or methods for attaching layers, for example, such as “Smart” technology, are not required. The semiconductor structure appears to be formed practically on the surface of the substrate of large structural thickness from high-conductivity polycrystalline diamond. In addition, the presence of a layer of insulating polycrystalline diamond between the source, gate and drain provides additional heat removal from the active region of the device, while the thermal resistance of the transistor structure decreases by 1.5 times.

На фиг.7. приведены экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени.7. The experimentally measured time dependences of the heating temperature of the active region of the microwave transistor are given.

Использование слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком СВЧ GaN транзистора увеличивает пробивное напряжение транзистора на 30%.The use of a layer of insulating polycrystalline diamond on the surface between the source, gate and drain of the microwave GaN transistor increases the breakdown voltage of the transistor by 30%.

На фиг.7 приведены вольт-амперные характеристики СВЧ GaN транзистора:Figure 7 shows the current-voltage characteristics of the microwave GaN transistor:

а) без слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком; б) с слоем изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком.a) without a layer of insulating polycrystalline diamond on the surface of the crystal of a microwave transistor, between the source, gate and drain; b) with a layer of insulating polycrystalline diamond on the transistor's crystal surface, between the source, gate, and drain.

Claims (3)

1. Полупроводниковый прибор, включающий утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.1. A semiconductor device comprising a thinned substrate of p-type single crystal silicon, oriented along the (111) plane, with an AlN buffer layer made on it, over which a heat-conducting substrate is made in the form of a deposited layer of polycrystalline diamond with a thickness of at least 0 , 1 mm, the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III nitrides, a source from AlGaN, a gate, a drain from AlGaN, ohmic contacts to the source and drain, solder in the form of oya comprising AuSn, copper pedestal and the flange, wherein between the source, drain and gate insulating layer is made of polycrystalline diamond. 2. Прибор по п.1, характеризующийся тем, что эпитаксиальная структура включает нелегированный слой твердого раствора GaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN n-типа проводимости и слой твердого раствора AlGaN.2. The device according to claim 1, characterized in that the epitaxial structure includes an unalloyed layer of a solid solution of GaN, an unalloyed layer of a solid solution of AlGaN, an unalloyed layer of an AlGaN solid solution of n-type conductivity and a layer of an AlGaN solid solution. 3. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий нанесение на фланец слоя припоя из AuSn, на который запаивают медный пьедестал, нанесение подслоя из AuSn, обеспечивающего укрепление кристалла полупроводникового прибора к медному пьедесталу, осаждение на поверхности подложки буферного слоя из AlN, на поверхности которого выращивают теплопроводящий слой поликристаллического алмаза, утонение подложки, далее на утоненной подложке выращивают эпитаксиальную структуру III-нитридов, затем формируют исток, затвор, сток, обеспечивают омические контакты к истоку и стоку, поверх кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза. 3. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising applying an AuSn solder layer onto a flange, onto which a copper pedestal is soldered, applying an AuSn sublayer, which secures the crystal of a semiconductor device to a copper pedestal, depositing an AlN buffer layer on the surface of the substrate, on the surface of which a heat-conducting material is grown layer of polycrystalline diamond, thinning of the substrate, then on the thinned substrate the epitaxial structure of III-nitrides is grown, then the source, gate, drain are formed, provide of sul contacts to the source and drain of the transistor on top of the crystal, between the source, gate and drain is applied to the insulating layer of polycrystalline diamond.
RU2012140718/28A 2012-09-24 2012-09-24 Semiconductor device and method of its manufacturing RU2507634C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012140718/28A RU2507634C1 (en) 2012-09-24 2012-09-24 Semiconductor device and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012140718/28A RU2507634C1 (en) 2012-09-24 2012-09-24 Semiconductor device and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2507634C1 true RU2507634C1 (en) 2014-02-20

Family

ID=50113390

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012140718/28A RU2507634C1 (en) 2012-09-24 2012-09-24 Semiconductor device and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2507634C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022019799A1 (en) 2020-07-24 2022-01-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Вандер Технолоджис" Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5278430A (en) * 1989-11-18 1994-01-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Complementary semiconductor device using diamond thin film and the method of manufacturing this device
RU2272090C2 (en) * 2000-03-13 2006-03-20 Кри, Инк. Boule of the iii-v groups element nitride used for production of substrates and the method of its manufacture and application
US20060113545A1 (en) * 2004-10-14 2006-06-01 Weber Eicke R Wide bandgap semiconductor layers on SOD structures
US20070284696A1 (en) * 2003-10-30 2007-12-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Nitride Semiconductor Substrate
RU2368031C1 (en) * 2008-04-01 2009-09-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" Method for manufacturing of semiconductor device
US8039301B2 (en) * 2007-12-07 2011-10-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Gate after diamond transistor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5278430A (en) * 1989-11-18 1994-01-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Complementary semiconductor device using diamond thin film and the method of manufacturing this device
RU2272090C2 (en) * 2000-03-13 2006-03-20 Кри, Инк. Boule of the iii-v groups element nitride used for production of substrates and the method of its manufacture and application
US20070284696A1 (en) * 2003-10-30 2007-12-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Nitride Semiconductor Substrate
US20060113545A1 (en) * 2004-10-14 2006-06-01 Weber Eicke R Wide bandgap semiconductor layers on SOD structures
US8039301B2 (en) * 2007-12-07 2011-10-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Gate after diamond transistor
RU2368031C1 (en) * 2008-04-01 2009-09-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" Method for manufacturing of semiconductor device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022019799A1 (en) 2020-07-24 2022-01-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Вандер Технолоджис" Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102403038B1 (en) Electronic Power Device Integrated with Machined Substrate
US11038047B2 (en) Normally-off HEMT transistor with selective generation of 2DEG channel, and manufacturing method thereof
Hatakeyama et al. Over 3.0$\hbox {GW/cm}^{2} $ Figure-of-Merit GaN pn Junction Diodes on Free-Standing GaN Substrates
TWI493597B (en) Lateral conduction schottky diode plural mesas
US8716754B2 (en) Nitride semiconductor device
Zhang et al. Fully-and quasi-vertical GaN-on-Si pin diodes: High performance and comprehensive comparison
US8981432B2 (en) Method and system for gallium nitride electronic devices using engineered substrates
US20080079009A1 (en) Semiconductor device
JP6025213B2 (en) HEMT with floating and grounded substrate area
KR20190133232A (en) Vertical Gallium Nitride Schottky Diodes
CN113471284A (en) Preparation method of N-polarity GaN transistor structure and semiconductor structure
US10332975B2 (en) Epitaxial substrate for semiconductor device and method for manufacturing same
KR20150091705A (en) Nitride semiconductor and method thereof
US20120168771A1 (en) Semiconductor element, hemt element, and method of manufacturing semiconductor element
US20200266292A1 (en) Composite substrates of conductive and insulating or semi-insulating silicon carbide for gallium nitride devices
TWI688106B (en) Semiconductor device and its manufacturing method
RU2368031C1 (en) Method for manufacturing of semiconductor device
RU2507634C1 (en) Semiconductor device and method of its manufacturing
CN108831932B (en) Transverse MIS-Schottky mixed anode diode of gallium nitride
RU2534442C1 (en) Method for manufacture of powerful shf transistor
US20230154785A1 (en) N-face polar gan-based device and composite substrate thereof, and method of manufacturing composite substrate
WO2020090870A1 (en) Compound semiconductor device, compound semiconductor substrate, and method for manufacturing compound semiconductor device
Lian et al. DC characteristics of AlGaAs/GaAs/GaN HBTs formed by direct wafer fusion
RU126509U1 (en) SEMICONDUCTOR DEVICE (OPTIONS)
KR20150091703A (en) Nitride semiconductor and method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140925

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150820

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20151109