InP-Transistoren mit verbessertem thermischem Widerstand durch integrierte Diamant-Wärmesenke

In den letzten Jahren ist das Interesse an Anwendungen im Frequenzbereich oberhalb 100 GHz ständig gestiegen. Aufgrund der günstigen Halbleitermaterialeigenschaften von Indium Phosphid (InP), die einen schnellen Elektronentransport erlauben und für hohe Durchbruchspannung sorgen, werden InP-Doppel-Heterobipolartransistoren (InP DHBT) in analogen und digitalen Schaltkreisen zur HF-Signalerzeugung eingesetzt. Eine Limitierung dieser Transistoren entsteht durch den Wärmewiderstand R_th des HBT, der die Großsignal-Ausgangsleistung begrenzt und die Kleinsignalverstärkung durch Eigenerwärmung des Bauelementes reduziert.

Bei dem am FBH entwickelten Transfersubstrat-Prozess werden die aktiven Halbleiterschichten auf einen keramischen Aluminium-Nitrid (AlN) Träger mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 170 W∙m^-1∙K^-1 im Waferbondverfahren aufgebracht. Als Klebematerial wird Benzocyclobuten (BCB) verwendet, ein Polymer, das jedoch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist (0,29 W∙m^-1∙K^-1). Um den Wärmeabfluss im HBT zu verbessern, verwenden wir im Rahmen des VIP-Projektes AVTE eine 10 µm dicke nanokristalline CVD Diamantschicht (NCD) mit einer Wärmeleitfähigkeit um 600 - 800 W∙m^-1∙K^-1 auf der Kollektorseite des Transistors. Durch seine sehr geringen dielektrischen Verluste ist NCD bestens zur Entwärmung von Hochfrequenzschaltkreisen geeignet: Die NCD-Wärmesenke kann im Gegensatz zu z.B. metallischen Schichten in direkten Kontakt mit der Kollektormetallisierung gebracht werden, ohne die elektrischen Eigenschaften des Bauelements negativ zu beeinflussen. Die NCD-Schicht verteilt die Wärme effektiv weg vom Kollektor. Die NCD-Wärmespreizschicht selbst wird über thermische Vias zum AlN Substrat angebunden, welches die Wärmesenke darstellt.

NCD-Schichten werden in einem chemischen Gasphasenprozess auf Silizium-Trägerwafern abgeschieden und stehen in dieser Form zur Verfügung. Ein derartiger Wafer wird in einem zweiten BCB-Waferbondverfahren zum Ende des InP-HBT-Prozesses mit dem Bauelementwafer gebondet. Anschließend wird das Silizium-Trägersubstrat in einem kombinierten mechanischen und chemischen Prozess entfernt. Vias durch die Diamantschicht und das darunterliegende BCB werden in einem induktiv gekoppelten Plasma trockengeätzt. Diese Vias landen auf dem Kollektor-Verbindungsmetall G2 (Abb. 1). Eine dicke galvanisierte Goldschicht G3 verbindet die Diamantschicht thermisch mit dem Kollektor und sorgt für die Durchkontaktierung der elektrischen Anschlüsse zur Oberfläche.

InP DHBT wurden vor und nach Diamantintegration auf DC- und HF-Betriebsverhalten hin charakterisiert. Eine Reduzierung der Hysterese in der DC-Ausgangskennlinie, die durch Eigenerwärmung verursacht wird, kann deutlich beobachtet werden (siehe Abb. 2).

HF-Messungen zeigten keine signifikante Reduktion der durchschnittlichen Stromverstärkungs-Transitfrequenz f_T (358 GHz und 321 GHz, vor und nach Diamant) und der durchschnittlichen maximalen Oszillationsfrequenz fmax (329 GHz und 321 GHz, vor und nach Diamantintegration). Erste Messungen von R_th mit einem DC-Verfahren zeigen eine Reduktion der thermischen Bauelementimpedanz R_th von mehr als einem Faktor zwei von > 3 K/mW auf ca. 1,3 K/mW, wie auch durch thermische Simulationen des Diamant-wärmegesenkten Transistors vorhergesagt wurde. 

Publikation:

K. Nosaeva, W. John, N. Weimann, O. Krüger, and T. Krämer, "Development of a Via Etch Process through Diamond and BCB for an Advanced Transferred-Substrate InP HBT Process," presented at the 37^th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE), Warnemünde, Germany, 2013, pp. 23–24.

FBH-Forschung: 22.10.2014