RU2507634C1 - Semiconductor device and method of its manufacturing - Google Patents
Semiconductor device and method of its manufacturing Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 15
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 10
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 78
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 17
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003679 aging effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 aluminum nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical group 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
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
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)
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)
| 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)
| 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 |
-
2012
- 2012-09-24 RU RU2012140718/28A patent/RU2507634C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
| 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)
| 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 | |
| US10566450B2 (en) | Normally-off HEMT transistor with selective generation of 2DEG channel, and manufacturing method thereof | |
| US8716754B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
| TWI493597B (en) | Transverse conductive Schottky diode with a plurality of convex surfaces | |
| US8981432B2 (en) | Method and system for gallium nitride electronic devices using engineered substrates | |
| Zhang et al. | Fully-and quasi-vertical GaN-on-Si pin diodes: High performance and comprehensive comparison | |
| JP6025213B2 (en) | HEMT with floating and grounded substrate area | |
| US20080079009A1 (en) | Semiconductor device | |
| CN107978642B (en) | GaN-based heterojunction diode and preparation method thereof | |
| CN100517568C (en) | Low-doped layer for nitride-based semiconductor devices | |
| CN110931570B (en) | A Gallium Nitride Schottky Barrier Diode and its Manufacturing Method | |
| US20200266292A1 (en) | Composite substrates of conductive and insulating or semi-insulating silicon carbide for gallium nitride devices | |
| KR20190133232A (en) | Vertical Gallium Nitride Schottky Diodes | |
| CN105229778B (en) | The manufacturing method of 13 group-III nitride composite substrates, semiconductor element and 13 group-III nitride composite substrates | |
| EP2600393A1 (en) | Semiconductor element, hemt element, and production method for semiconductor element | |
| CN104538303A (en) | Method for manufacturing gallium-nitride-based high-electronic-mobility transistor of transferring substrate | |
| TWI688106B (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
| US20230154785A1 (en) | N-face polar gan-based device and composite substrate thereof, and method of manufacturing composite substrate | |
| RU2368031C1 (en) | Method for manufacturing of semiconductor device | |
| RU2507634C1 (en) | Semiconductor device and method of its manufacturing | |
| RU2534442C1 (en) | Method for manufacture of powerful shf transistor | |
| CN117691004A (en) | Methods for preparing semiconductor structures and semiconductor structures | |
| US20210175138A1 (en) | Semiconductors Having Die Pads with Environmental Protection and Process of Making Semiconductors Having Die Pads with Environmental Protection | |
| RU126509U1 (en) | SEMICONDUCTOR DEVICE (OPTIONS) | |
| WO2020090870A1 (en) | Compound semiconductor device, compound semiconductor substrate, and method for manufacturing compound semiconductor device |
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 |