Полупроводниковый прибор (варианты)

Группа полезных моделей относится к области полупроводниковой техники. Полупроводниковый прибор по первому варианту включает подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости, с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза. В полупроводниковом приборе по второму варианту вместо буферного слоя из AlN выполнен эпитаксильный слой из Al_xGa_1-xN, где 0x1. Технический результат заключается в повышении надежности устройства и увеличении срока его службы. 2 н.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы, 7 илл.

Группа полезных моделей 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.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А ³ 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 А ³). 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.

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).

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.

Известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: Al_0,2Ga_0,8N, на нем GaN; второй вариант барьерного слоя - Al_0,3Ga_0,7 N, легированный Si, на нем нелегированный Al_0,3Ga _0,7N. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее было выполнено диэлектрическое покрытие MgO, Sc₂О₃ 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 Sc ₂O₃ 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.

Задачей настоящей группы полезных моделей является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении надежности устройства и увеличении срока его службы.

Технический результат обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор по первому варианту включает подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

В соответствии с частными случаями выполнения прибор имеет следующие конструктивные особенности.

Подложка выполнена утоненной из монокристаллического кремния, ориентированного по плоскости (111).

Толщина осажденного слоя поликристаллического алмаза по меньшей мере равна 0,1 мм.

Технический результат также обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор по второму варианту включает подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости с выполненным на ней эпитаксильным слоем из Al_xGa_1-xN, где 0x1, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

В соответствии с частными случаями выполнения прибор имеет следующие конструктивные особенности.

Подложка выполнена утоненной из монокристаллического кремния, ориентированного по плоскости (111).

Толщина осажденного слоя поликристаллического алмаза по меньшей мере равна 0,1 мм.

Группа полезных моделей поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1-4 - иллюстрирует последовательность изготовления прибора;

фиг.5 - иллюстрирует устройство по первому варианту;

фиг.6 - отображает экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени;

фиг.7 - отображены вольт-амперные характеристики прибора по первому варианту.

Полупроводниковый прибор по первому варианту включает следующие конструктивные элементы:

1 - фланец;

2 - слой припоя из AuSn;

3 - медный пьедестал;

4 - подслой из AuSn;

5 - подложка;

6 - буферный слой из AlN;

7 - теплопроводящая подложка;

8 - нелегированный слой GaN;

9 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;

10 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;

11 - слой твердого раствора AlGaN;

12 - исток;

13 - затвор;

14 - сток;

15 - омические контакты;

16 - изолирующий слой из поликристаллического алмаза.

В полупроводниковом приборе по второму варианту вместо буферного слоя из AlN выполнен эпитаксильный слой из Al_xGa_1-xN, где 0x1.

Предложенное устройство производят следующим образом.

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 при изготовлении прибора по первому варианту либо эпитаксильный слой из Al_xGa_1-xN, где 0x1 при изготовлении прибора по второму варианту. На поверхности базовой подложки 5 со слоем 6 выращивают теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза 7 толщиной 0,1 мм. 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. Формируют омические контакты 15 к истоку 12 и стоку 16

Поверх кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза 16.

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.

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.

На фиг.7. приведены экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени.

Использование слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком СВЧ GaN транзистора увеличивает пробивное напряжение транзистора на 30%.

На фиг.7 приведены вольт-амперные характеристики СВЧ GaN транзистора:

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.

1. Полупроводниковый прибор, включающий подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

2. Прибор по п.1, характеризующийся тем, что подложка выполнена утоненной из монокристаллического кремния, ориентированного по плоскости (111).

3. Прибор по п.1 или 2, характеризующийся тем, что толщина осажденного слоя поликристаллического алмаза по меньшей мере равна 0,1 мм.

4. Полупроводниковый прибор, включающий подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости с выполненным на ней эпитаксильным слоем из Al_xGa _1-xN, где 0x1, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток, затвор и сток, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

5. Прибор по п.4, характеризующийся тем, что подложка выполнена утоненной из монокристаллического кремния, ориентированного по плоскости (111).

6. Прибор по п.4 или 5, характеризующийся тем, что толщина осажденного слоя поликристаллического алмаза по меньшей мере равна 0,1 мм.