Elektrisches Widerstands-Bauele ent auf Diamantbasis
Die Erfindung betrifft einen Widerstand als Bauelement in der Elektronik, beispielsweise als Leitungs- abschluß-Widerstand zur Terminierung elektrischer Leitungen oder als Lastwiderstand zur Umsetzung und Ableitung elektrischer Energie in Wärme, insbesondere im Hochfrequenz-Bereich (HF) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung.
Für die praktische Anwendung von Widerstands- Bauelementen in elektronischen Schaltungen sind aus dem Stand der Technik besonders die gebräuchlichen Surface-Mounted-Device (SMD) -Widerstände bekannt, bei denen in der Regel auf ein hochreines, rechteckiges
Keramiksubstrat im Siebdruckver ahren eine Metallglasurschicht aufgetragen ist. Solche SMD-Widerstände sind also gekapselte Bauelemente, die auf die Leiterplatte einer elektronischen Schaltung oberflächenmon- tiert sind, z.B. durch Löten.
Alternativ ist die Verwendung dotierter Halbleiter auf Basis von Aluminiumnitrid (A1N) zur Realisierung der Widerstandsfunktion bekannt. Es wird dabei eine hochohmige dünne dotierte Leiterbahn auf elektrisch isolierendem Substrat verwendet.
Beide genannten Realisierungsformen von Widerständen unterliegen Beschränkungen, die den Anwendungsbereich der Bauteile einschränken. So ist etwa die Stabilität der Widerstandsschichten gegenüber hohen Temperaturen begrenzt, ebenso die Fähigkeit zur Ableitung von im Widerstand entstehender Wärme, so daß die Leistung, mit der solche Widerstände belastet werden können, relativ gering ist. Bei den vorgenannten "Halbleiterwiderständen" ist neben dem großen Flächenbedarf nachteilig, daß sie eine relativ große Toleranz des Widerstandswertes aufweisen; ferner ist die Temperaturabhängigkeit solcher Widerstände häufig ein uner- wünschter Nachteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Widerstands-Bauelement, insbesondere einen Leitungsabschlußwiderstand sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, dessen Widerstandsschichten ihre Integrität auch bei sehr hohen Temperaturen behalten und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so daß das Widerstands- Bauelement hohen Anforderungen an seine Belastbarkeit genügt und eine hohe Verlustleistung auf kleiner Fläche umsetzt. Dabei sollen die elektrischen Eigenschaften des Bauelementes in einem großen Temperaturbereich nahezu temperaturunabhängig sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Widerstands-Bauelement nach Anspruch 1 und dem
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 19 gelöst. Die Verwendung ist in Anspruch 27 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Dadurch, daß der Widerstandsbereich aus Diamant besteht, der z.B. durch Dotierung elektrisch leitend ist, wird für den Widerstandsbereich des Widerstands- Bauelementes ein Material verwendet, welches eine au- ßerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 2250 W/mK aufweist, die ein Vielfaches der Werte von Silber und Kupfer beträgt. Durch die elektrisch leitende Dotierung wird der in nominell undotierter Form elektrisch isolierende Diamant in definierter Art und Weise und in einem weiten Bereich von spezifischen Widerstandswerten in den Größenordnungen zwischen mOhmcπ. und MOhmcm leitfähig gemacht. Das Diamantmaterial kann dabei monokristallin auf ausgewählten Substraten (z.B. Iridium) oder polykristallin sein.
Da Diamant außer der enorm hohen thermischen Leitfähigkeit auch eine geringe Wärmekapazität von typischerweise 500 J/kgK aufweist, gewährleistet das daraus resultierende rasche Ansprechverhalten eine zu- verlässige Umsetzung auch kurzfristig auftretender großer Leistungen. Die zur Umsetzung großer Leistung benötigte Fläche ist aufgrund der großen umsetzbaren Verlustleistungsdichte von Diamant (bis etwa 1,5 GW/cm3 ) gering.
Ferner ist vorteilhaft, daß Diamant einen recht geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, so daß ein aus Diamant bestehender Widerstandsbereich auch in Anordnungen eingesetzt werden kann, die sen- sibel gegen geometrische Verformungen und mechanische Verspannungen sind. Weiterhin ist von Vorteil, daß
der Bandabstand von Diamant mit 5,4 bis 5,5 eV sehr hoch ist, wodurch die Bildung intrinsischer Ladungsträger erst bei wesentlich höheren Temperaturen in gleichem Maß eintritt wie bei anderen Materialien mit geringerer Bandlücke. Die somit nahezu konstante Ladungsträgerdichte über den gesamten Temperaturbereich zwischen 0 und 500 °C trägt zum nahezu konstanten Widerstandswert des Widerstands-Bauelementes signifikant bei.
Der Einsatz von Diamant als Widerstandsbereich äußert sich weiterhin vorteilhaft darin, daß Diamant chemisch inert und seine Oberfläche hydrophil oder hydrophob einstellbar sowie langzeitstabil auch unter aggressiven Umgebungsbedingungen ist. Hinsichtlich der Verwendung in Schaltungsaufbauten oder anderen Vorrichtungen im praktischen Einsatz erscheint Diamant als Widerstandsbereich besonders wegen seiner Abriebfestigkeit, seiner Biegesteifigkeit von bis 1150 GPa und seiner Bruchspannung von bis zu 11 GPa vorteilhaft, da höhere Zuverlässigkeit auch bei mechanischer Belastung, z.B. Spannungen durch Temperaturausdehnungen des Gehäuses gewährleistet ist.
Die Verwendung von Diamantmaterial ermöglicht vorteilhafterweise in der vorliegenden Erfindung nicht nur einen nahezu konstanten Widerstandswert des Widerstands-Bauelementes über den Temperaturbereich zwischen 0°C und 500°C, sondern es wird auch die thermische Stabilität der Widerstandsschicht bis zu einer Temperatur von 600 °C gewährleistet. Aufgrund des für alle hier betrachteten Anwendungen vernachlässigbar kleinen dielektrischen Verlustwinkels tan δε, treten nur sehr geringe parasitäre Leitungs- Verluste auf. Die dotierte Diamant (p+ bzw. p" ) eignet sich deshalb auch für Zuleitungen zum Wider-
Standsbauelement .
Es ist somit das erfindungsgemäße Widerstands- Bauelement in einem weiten Spektrum an Verwendungs- möglichkeiten einsetzbar, besonders in der Hochfrequenztechnik und ebenso in einer Vielzahl verschiedener Formen, so etwa auch als Widerstands-Element in Form einer elektrisch leitend dotierten Diamantschicht an sich und/oder in koplanaren Konfiguratio- nen . Das Widerstandselement kann auch als Dämpfungsglied eingesetzt werden.
Mögliche vorteilhafte Weiterbildungen nach den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Das elektrische Widerstands-Bauelement kann vorteilhaft in planarer Technik ausgeführt werden, so daß der aus elektrisch leitend dotiertem Diamant bestehende Widerstandsbereich als Schicht auf einem Sub- strat aufgebracht ist. So kann eine gute Wärmeabgabe an die Umwelt oder angrenzende Schichten gewährleistet werden; ferner können herkömmliche Verfahren der Mikrotechnik und Mikroelektronik zur Herstellung von Bauelementen in Schichttechnik angewandt werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von nichtleitendem Diamant und/oder hochorientiertem nicht leitfähigem Diamant (HOD) als Substrat. Auf diese Weise kommt als Substrat ein sehr guter elektrischer Isolator zum Einsatz, der hochisolierend auch im
Hochfrequenzbereich ist und fast identische Materialeigenschaften mit dem Widerstandsbereich aus elektrisch leitend dotiertem Diamant aufweist, insbesondere wichtig dabei die thermischen Eigenschaften, aber auch die mechanischen Eigenschaften wie Materialelastizität - wie vorstehend näher ausgeführt.
Alternativ zum aus nichtleitendem Diamant bestehenden Substrat kann auch ein anderes Substrat oder ein anderes Substrat mit einer Schicht aus nicht-leitendem Diamant oder HOD zur Anwendung kommen, wobei das Substratmaterial vorteilhafterweise ausgewählt ist aus den Materialien Silizium, Siliziumnitrid, Silizium- carbid, Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Iridium, Glas, refraktäre Metalle oder Carbide hiervon, Saphir, Ma- gnesiumoxid, Graphit, Germanium, Niob, Tantal, Titan, Wolfram, Wolframcarbid, Titancarbid oder Titannitrid. Die Isolationseigenschaft der nicht-leitenden Diamantschicht kommt dann vorteilhaft zur Geltung, wenn sie unmittelbar an dem Widerstandsbereich aus elek- frisch leitend dotiertem Diamant angrenzt. Das Substrat selbst kann ebenso als Schicht ausgebildet sein.
In jedem Falle kann die gute Wärmeleitungseigenschaft des nicht-leitenden Diamants im Substrat dadurch vorteilhaft ausgenutzt werden, daß das elektrische Widerstands-Bauelement mit einer thermischen Senke ausgestattet ist, die an das Substrat angrenzt und in die die durch den Diamant bzw. das Substrat zugelei- tete Wärme abgeführt wird. Das Substrat kann als Membran ausgebildet sein, die direkt in Kontakt mit einem Kühlmittel gebracht wird. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant stellt dies die effektivste Form der Wärmeabfuhr aus dem Bauelement dar.
Der diamantene Widerstandsbereich des Bauelementes ist p~- oder n"-dotiert. Die Dotierung kann dabei mit mindestens einem der Stoffe Bor, Schwefel, Phosphor, Graphit, Diamant, diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) , Lithium, Wasserstoff, Stickstoff oder Sp2-gebundenem Kohlenstoff erfolgen. Eine sehr starke Dotierung,
p > 1019 cm-3, des diamantenen Widerstandsbereiches z.B. mit Bor ergibt den Vorteil, daß der elektrische Widerstand des Widerstandsbereiches nahezu temperaturunabhängig ist, da dann die effektive Aktivierungse- nergie des Widerstandsmaterials praktisch verschwindend gering ist.
Wird der Widerstandsbereich in verschiedenen Teilbereichen mit verschiedenen Materialien und/oder ver- schieden stark dotiert, so können die Eigenschaften des Widerstands-Bauelementes für ein weites Feld von Anwendungsbereichen gezielt ausgestaltet werden. Etwa kann der Widerstandswert abhängig gemacht werden von Umwelteinflüssen wie etwa dem pH-Wert der Umgebung.
Durch gezielte Einstellung der Dotierstoffkonzentra- tion kann ferner die Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur gezielt eingestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Bestimmung elektrischen Eigenschaften des Bauelements über die Bestimmung der Bauelementgeometrie erfolgen kann. Dazu kann z. B. die Trimm-metallisierung zur Festlegung der Länge des Wi- derstandselements und damit seines Widerstandswertes variiert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit bei einer festgelegten Dotierung die Länge zu variieren oder bei einer festgelegten Länge über eine variable Dotierung den Widerstandswert zu bestimmen.
Für die Kontaktierung ist eine Metallisierung des Widerstandsbereiches vorgesehen. Diese Kontaktierung kann auch von der Rückseite erfolgen. Die Materialien der Metallisierung sind bevorzugt ausgewählt aus: Ti, W, Pt, Au, TiW, WC, TiC, TiN, Si, Cu, Be, Fe, AI, Ni, refraktären Metallen, Cr, Sn und/oder Ba, oder über-
einander angeordneten Schichtfolgen dieser Metalle und/oder Legierungen hiervon.
Eine bevorzugte Aus führungsform der Erfindung sieht weiter vor, mehrere, insbesondere zwei bis zehn ein- zelne Bauelemente auf einem Substrat anzuordnen, dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Bauelementes wesentlich erhöht.
Es hat sich weiter gezeigt, daß die Vorteile des er- findungsgemäßen Bauelementes insbesondere dann zum tragen kommen, wenn es als Leitungsabschlußwiderstand ausgebildet ist. Dies einget sich insbesondere für die Hochfrequenz-Technik bei einem Wellenwiderstand von ca. 50-75 Ω.
Dadurch, daß zur Herstellung eines Widerstands- Bauelementes der Diamant des Widerstandsbereiches auf einem Substrat aufgewachsen wird und während dieses Wachstumsprozesses bereits der Dotierstoff in den Diamant des Widerstandsbereiches mit eingebaut wird, kann technisch aufwandsarm und ohne spätere Zusammen- fügungsschritte ein Teilbereich einer diamantenen Gesamtstruktur aus elektrisch leitend dotierten und nicht leitenden Diamantschichten dargestellt werden. Ein solcher Wachstumsprozeß kann beispielsweise im CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) oder im MWPECVD-Verfahren (Microwave Plasma Enhanced CVD) oder im HotFilament-CVD-Verfahren oder im Combustion- Flame-Verfahren oder in anderen Wasserstoff-Methan- Plasma-Verfahren erfolgen.
Eine vorteilhafte Gestaltung des Verfahrens sieht vor, den diamantenen Widerstandsbereich mit Metallisierungen zum Anlegen elektrischer Spannung zu verse- hen. Die Kontaktierung kann auch von der Rückseite
erfolgen.
Um verschiedene Bereiche des Widerstandsbereiches, welche mit verschiedenen Materialien und/oder verschieden stark während des Herstellungsprozesses dotiert wurden, voneinander zu separieren, ist es technisch aufwandsminimierend, im Herstellungsprozeß einen Ätzprozeß, oder einen Schritt mit selektivem Wachstum vorzusehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels und mehrerer Skizzen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Widerstands- Bauelement in Schichttechnik und mit thermischer Senke;
Fig. 2 die Draufsicht auf ein Widerstands-Bauelement, wie es in Koplanartechnik entworfen und aufgebaut in der HF-Technik eingesetzt wird.
Fig. 1 zeigt ein Widerstands-Bauelement das in
Schichttechnik (planarer Technik) ausgeführt ist, im Querschnitt. Über Kontaktierungen 1, z.B. aus Metall, wird eine Spannung an den Widerstandsbereich 2 angelegt. Der Widerstandsbereich 2 ist dabei als Wider- Standsschicht auf dem Substrat 3 ausgeführt. Während die Widerstandsschicht 2 aus elektrisch leitend dotiertem Diamant besteht - in diesem Fall handelt es sich um eine p+-Dotierung mit Bor, wobei die Dotierstoff-Konzentration größer als 5 x 1017 cm-3 ist -, ist das Substrat aus nichtleitendem Diamant bestehend, wobei zwar auch andere Substrat-Materialien
verwendet werden können, jedoch bezüglich der Eigenschaften von Diamant als guter elektrischer Isolator bei gleichzeitiger hervorragender Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität die Verwendung von nicht leitendem Diamant als Substrat oder zumindest einer an die Widerstandsschicht bzw. den Widerstandsbereich angrenzenden Substratschicht besonders geeignet erscheint .
Die Kontaktierungen 1 können dabei als Metallisierungen ausgeführt sein, wobei diese Metallisierung ausgewählt sein kann aus Ti, W, Pt, Au, TiW, WC, TiC, TiN, Si, Cu, Be, Fe, AI, Ni, refraktiven Metallen, Cr, Sn und/oder Ba, oder übereinander angeordneten Schichtfolgen dieser Metalle und/oder Legierungen hiervon.
An das aus nichtleitendem Diamant bestehende Substrat 3 grenzt eine thermische Senke 4 an, die aus Silizi- um, Kupfer, Aluminium oder Wasser besteht und die anfallende Wärme gut abführt.
Die über die Kontaktierungen 1 zugeführte und im Widerstandsbereich 2 in Wärme umgesetzte Leistung wird schnell und über den Widerstandsbereich räumlich gleichmäßig vor allem an die Substratschicht 3 weitergeleitet. Die Fläche, die für den Widerstandsbereich 2 zum Umsetzen der elektrischen Leistung in Wärme benötigt wird, ist aufgrund der hohen Stabili- tat des elektrisch leitend dotierten Diamantenmaterials von < 1,5 GW/cm3 gering.
Die Substratschicht 3 aus elektrisch nicht leitendem Diamant wirkt elektrisch stark isolierend, leitet je- doch die im Widerstandsbereich 2 anfallende Wärme sehr gut weiter zum Abtransport in der angrenzenden
thermischen Senke 4.
In diesem Beispiel wird das Widerstands-Bauelement dadurch hergestellt, daß die Diamantschicht bei- spielsweise durch ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) auf einem Trägermaterial aufwächst und während dieses Wachstumsprozesses bereits die Dotierung in den Diamant der Widerstandsschicht 2 vorgenommen wird. Es ist dabei denkbar, als dieses Träger- material die thermische Senke 4 zu verwenden, beispielsweise aus Silizium, und auf dieser die Sub- stratschicht 3 aus elektrisch nicht leitendem Diamant aufwachsen zu lassen und auf dieser wiederum unter Einbeziehung einer elektrisch leitenden Dotierung die Widerstandsschicht 2 aufwachsen zu lassen, welche in verschiedenen Bereichen verschieden stark oder mit verschiedenen Materialien dotiert werden kann und mit Metallisierungen bzw. Kontaktierungen 1 versehen wird. Durch einen Ätzprozeß können darüber hinaus Be- reiche der Widerstandsschicht 2 voneinander separiert werden.
Zur Veranschaulichung dient die Draufsicht auf ein Widerstands-Bauelement, wie es im Rahmen einer elek- tronischen Schaltung angeordnet sein kann. Es ist der Widerstandsbereich 2 mit den Kontaktierungen und Zuleitungen 1 elektrisch verbunden, Substrat und thermische Senke sind nicht näher dargestellt und bilden unter dem Dargestellten befindliche und somit durch das Dargestellte verdeckte Schichten analog zum Querschnitt in Fig. 1.
Zur Veranschaulichung dient die Draufsicht auf ein Widerstands-Bauelement wie es in der Hochfrequenz- technik eingesetzt werden kann. Der Widerstandsbereich 2 ist dabei in sogenannter Koplanartechnik in
einer Ebene mit den elektrischen Zuleitungen 1 auf einem Substrat angebracht. Die Zuleitung ist dabei dreigeteilt aufgebaut, mittig befindet sich der sog. Signalleiter umgeben von zwei sog. Masseleitungen. Nicht dargestellt sind hier die analog zu Fig. 1 unter dem dargestellten befindlichen Substratschichten und die thermische Senke. Durch diese Anordnung wird eine symmetrische Wellenführung für elektromagnetische Wellen gewährleistet. Diamant hat dabei den Vor- teil, dass seine relative Dielektrizitätszahl εr = 5,7 bis εr = 5,8 sich weit weniger von der relativen Dielektrizitätszahl von Luft (εr = 1) unterscheidet als dies für andere Materialien der Fall wäre. So ist eine bessere Führung der elektrischen Leistungswelle in dieser Leiteranordnung gewährleistet. Bei Verwendung eines undotierten Diamantsubstrats als Träger für die Struktur ist weiterhin von Vorteil, dass die dielektrische Dämpfung aufgrund der äußerst hohen Isolationsfähigkeit nominell undotierten Diamants mit Werten von 0,025 bis 0,03 dB/mm @ 20 GHz (Leitergeometrie Leiterdichte: 2 um Gold, Diamantschichtdicke: 30 μm Membran, Schlitzbreite: 20 μm, Masse-Masse-Abstand: 200 μm) geringer als bei üblicherweise verwendeten Materialien ist.
Dadurch wird die Anpassung der Gesamtstruktur auf die in der Hochfrequenztechnik üblichen Wellenwiderstände von 50 Ohm bzw. 75 Ohm wesentlich erleichtert.
Durch die von der Temperatur weitgehend unabhängige
Leitfähigkeit des Widerstandsmaterials ist die Anpassung über einen weiten Temperaturbereich gewährleistet. Ein funktioneil gleichwertiger Aufbau wäre auch in Mikrostreifenleitungstechnik oder anderen in der Hochfrequenztechnik verwendeten Leitungsstrukturen denkbar .