DE102004034341B4 - Gruppe-III-Nitrid Transistorstruktur mit einem p-leitenden Kanal - Google Patents
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Abstract
Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur mit einem p-leitenden Kanal an einer Grenzfläche eines Gruppe-III-Nitrid/AlInN-Heteroübergangs, wobei die auf einer Gruppe-III-Nitrid-Pufferschicht aufgewachsene AlInN-Schicht kompressiv verspannt ist und die Transistorstruktur an der Grenzfläche ein Valenzbandoffset aufweist, das eine an der Grenzfläche zwischen der Gruppe-III-Nitrid-Pufferschicht und der AlInN-Schicht entstehende positive Raumladung in einer Potentialmulde einschließt.
Description
- Transistoren auf der Basis von Gruppe-III-Nitriden werden meist auf der Basis von AlGaN/GaN-Heteroübergängen hergestellt, die in c-Achsenorientierung mit Kationenabschluß – sogenanntes Ga-face – gewachsen werden. An der Heterogrenzfläche bildet sich durch die spontane Polarisation der Materialien und der, aufgrund der Gitterfehlanpassung ebenfalls vorhandenen, piezoelektrischen Polarisation ein zweidimensionales Elektronengas aus.
- P-Kanal-Transistoren hingegen, die für Sensoranwendungen interessant sind und für Logikschaltungen zusätzlich zu n-Kanal-Transistoren notwendig sind, können derzeit nur aufwendig aus Gruppe-III-Nitrid-Schichten hergestellt werden. Dies geschieht im Gruppe-III-Nitrid-System zum Beispiel durch umgekehrte Schichtreihenfolgen, bei denen die freien Ladungsträger an der Oberseite von einem Material mit einem größeren Bandabstand zu dem mit einem kleinerem Bandabstand entstehen, wie GaN auf einem AlGaN-Puffer. Bei der Schichtherstellung, die meist mit der MOVPE durchgeführt wird, führt dies zu großen Problemen beim Pufferschichtwachstum und einer schlechten Materialqualität.
- Alternativ können, wenn die Pufferschicht aus GaN bestehen soll, sogenannte N-face-Heteroübergänge von GaN zu AlGaN gewachsen werden, welche aufgrund der veränderten c-Achsenorientierung zur Ausbildung eines p-Kanals an der vergrabenen GaN/AlGaN-Heterogrenzfläche führen. Das Wachstum von N-face Material ist am besten mit der MBE möglich, jedoch ist es allgemein schwierig, gutes N-face Material zu wachsen.
- Alternativ können auch Übergänge im System InGaN/(Al)GaN für p-Kanal-Transistoren genutzt werden, welche meist in Form einer InGaN Schicht von 5–50 nm Dicke eingebettet z. B. in GaN realisiert werden. Die Herstellung solch einer p-Kanal-Transistorstruktur erfordert jedoch eine sehr hohe Präzision der Dotierung, genauer gesagt der Kompensationsdotierung. Diese Dotierung muß sehr genau eingestellt werden, so daß nur die an der einen Seite des, z. B. GaN/InGaN/GaN, Doppelheteroübergangs vorhandenen Elektronen kompensiert werden. Nur so verbleiben allein die Löcher am anderen Heteroübergang der Doppelheterostruktur, die schließlich die p-Kanal-Eigenschaften des daraus zu prozessierenden Transistors erzeugen.
- Aus der Veröffentlichung „Kuzmík, J.: Power Electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a Record Performance. In: IEEE Electron Device Letters, Vol. 22, No. 11, 2001, S. 510–512” ist es bekannt, Barriere-Schichten verspannt abzuscheiden. Die in diesem Dokument in Tabelle 1 beschriebenen Materialien führen in ihrer Kombination zur Ausbildung eines n-Kanals an einer Heterogrenzfläche.
- Aus dem Dokument
US 2001/0 038 656 A1 - Aus dem Dokument „Zimmermann, T. [u. a.]: P-channel InGaN-HFET Structure Based on Polarization Doping. In: Proc. 61th Device Research Conference, Salt Lake City, Juni 2003. S. 19–20” schließlich ist die Verwendung eines GaN-Abschlusses auf einer InGaN-HFET-Struktur bekannt.
- Die Erfindung löst nun die Aufgabe, ein p-Kanal-Transistorbauelement zu erzielen, nach Anspruch 1 durch das Wachstum von AlInN mit hohen In-Konzentrationen wodurch es kompressiv verspannt auf einem Gruppe-III-Nitrid-Puffer, wie z. B. GaN, aufwächst. Dabei kann die Gitterkonstante eines binären Gruppe-III-Nitrid-Puffers durch Legieren mit z. B. B, Al, Ga oder In verändert werden. Solches Legieren verschiebt die Bandoffsets der Materialien und den Umschlagpunkt zur Ausbildung eines p-Kanals.
- Es zeigt sich, daß durch ein kompressiv verspanntes Wachstum der AlInN-Schicht auf GaN bei In-Konzentrationen oberhalb von 30%, wie in Anspruch 2 genannt, die piezoelektrische Polarisation die spontane Polarisation überwiegt. Zusätzlich besteht bei solchen In-Konzentrationen noch ein für das Funktionieren des Bauelements notwendiger Valenzbandoffset, der die an der Grenzfläche zwischen GaN und AlInN entstehende positive Raumladung in einer Potentialmulde einschließt.
-
1 zeigt die einzelnen Polarisationsanteile für eine zunehmende Indium-Konzentration im AlInN für den Fall des Wachstums auf GaN. Da der Bandoffset und die sich ausbildende Bandverbiegung zwischen den Materialien die Löcher an der Grenzfläche lokalisiert, bildet sich im idealen Fall ein zweidimensionales Löchergas an dieser Grenzfläche aus. Die Löcherkonzentration kann durch Dotieren der ganzen oder von Teilen der AlInN-Schicht mit einem Akzeptor nach Ansprüchen 4 bzw. 5 weiter erhöht werden. - Die durch die starken Potentialinhomogenitäten im AlInN hervorgerufenen Streuungen der Löcher im Kanal des Transistors und die dadurch verursachte geringe Mobilität der Ladungsträger kann nach der in Anspruch 3 genannten Methode reduziert werden. Das Streuen der Ladungsträger an der GaN/AlInN-Grenzfläche bzw. an den Potentialinhomogenitäten des AlInN wird hierbei minimiert indem eine dünne Schicht eines binären Gruppe-III-Nitrid-Materials wie BN, AlN, GaN oder InN, welches einen anderen Bandabstand als die Pufferschicht besitzen muß, eingebracht wird. Dadurch wird die Ladungsträgerstreuung an Potentialinhomogenitäten reduziert.
- Der löcherleitende p-Kanal, dessen Strom sich bei einem aufgebauten Transistorbauelement durch eine aufgebrachte Gateelektrode zwischen einem Source- und Drainkontakt steuern läßt, ist neben den schon existierenden n-Kanal-Transistoren auf Gruppe-III-Nitrid-Basis eine Voraussetzung für die Realisierung von Logikbausteinen. Da die Gruppe-III-Nitride meist einen sehr großen Bandabstand besitzen eignen sich solche Transistoren ideal für Hochtemperaturlogikbausteine.
- Ein integrierter Logikschaltkreis läßt sich mit AlInN nach Anspruch 6 und, wie in
2 beispielhaft für zwei AlInN-Schichten verschiedener Komposition gezeigt, einfach durch das Wachstum z. B. einer nach Anspruch 7 gitterangepaßten AlInN-Schicht mit einer In-Konzentration um 17% auf einer Pufferschicht, hier GaN, gefolgt von einer zweiten GaN-Schicht mit einer AlInN-Schicht mit einer In-Konzentration oberhalb von 30% wachsen. Es bildet sich so an der unteren GaN/AlInN-Grenzfläche eine Elektronenanhäufung, sofern die In-Konzentration, bei Verwendung von GaN als Puffermaterial, nach Anspruch 8 unter 30% liegt. An der oberen Grenzfläche entsteht so eine Löcheranhäufung, und somit lassen sich n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren realisieren, die durch geeignetes Prozessieren zu integrierten Schaltkreisen aufgebaut und bei Temperaturen weit über 100°C betrieben werden können. - Zur Verringerung von parasitären Strömen zwischen den oberen und unteren Bauelementschichten kann nach Anspruch 10 eine isolierende Schicht, z. B. eine Schicht mit großer Bandlücke, wie z. B. AlN oder eine mit einem Übergangsmetall dotierte und somit hochohmige GaN-Schicht hinzugefügt werden. Die Notwendigkeit hängt unter anderem von der Leitfähigkeit der Pufferschicht ab.
- Damit läßt sich ohne großen Aufwand bei der Materialherstellung, also ohne das Wachstum kompliziert dotierter Schichtenfolgen oder von N-face-GaN, und insbesondere in einem Herstellungsschritt ein Logikbauelement nach Anspruch 19 realisieren. Dies wird auch durch die Möglichkeit, einen gitterangepaßten AlInN-n-Kanal-Transistor nach Anspruch 7 zu wachsen, stark erleichtert. Dadurch kann die Verspannung innerhalb der Struktur gering gehalten werden. „Gitterangepaßt” schließt hierbei auch leicht kompressiv verspannte Schichten wie z. B. In-Konzentrationen bis zu 25% auf GaN-Puffern mit ein.
- Eine p-Kanal-Struktur nach Anspruch 1 und integrierte Strukturen aus n- und p-Kanal-Transistoren eignen sich nach Anspruch 15 auch hervorragend als Gas- bzw. Flüssigkeitssensor [
DE 100 62 044 A1 ,DE 100 32 062 A1 ,DE 100 31 549 C2 ] z. B. zur Erkennung von chemischen oder biologischen Stoffen oder zur Ermittlung des pH Wertes nach Anspruch 16. Dabei unterscheiden sich diese Sensoren insbesondere dadurch, daß die verschieden leitenden Kanäle bzw. die unterschiedlichen Oberflächenladungen verschieden auf Stoffe reagieren und so die Selektivität und Empfindlichkeit solcher Bauelemente erhöhen können. Dabei ist die alleinige Verwendung des Bauelements nach Anspruch 1 schon geeignet für Ionen, die sich bevorzugt auf negativ geladenen Oberflächen, wie sie bei einem p-Kanal-Transistor normalerweise an der Oberseite der AlInN-Schicht entstehen, anlagern und somit meßbar werden. - Zur Erhöhung der Sensitivität und Selektivität solcher Sensoren kann die Oberfläche auch oxidiert werden oder mit einer für das zu detektierende Medium sensitiven Schicht beschichtet werden. Die Oberfläche übernimmt bei solchen Sensoren meist die Funktion des Gatekontakts, und die Änderung der Oberflächenladung bewirkt eine Änderung der Kanalleitfähigkeit.
- Andere Bauelemente, für die p-Kanal- und kombinierte n- und p-Kanal-Strukturen sehr interessant sind, sind Cantileverstrukturen nach Anspruch 17 bei denen sich durch eine Verbiegung der freistehenden Gruppe-III-Nitrid-Struktur eine Leitfähigkeitsänderung des Kanals bzw. der Kanäle ergibt, bzw. bei denen durch Anlegen einer Spannung eine Verbiegung bewirkt wird. Bei den Cantileverstrukturen bietet sich als Substrat für das Gruppe-III-Nitrid-Wachstum Silizium an, welches einfach trocken- und naßchemisch weggeätzt werden kann und somit auf einfache Art und Weise die Herstellung freistehender Strukturen ermöglicht.
- Auch können die p-Kanal- und kombinierten n- und p-Kanal-Strukturen nach Anspruch 18 für piezoelektrische Sensoren ähnlich wie die Cantilever genutzt werden.
- Zur Verbesserung und Stabilisierung der Bauelementeigenschaften können nach den Ansprüchen 12 bis 14 verschiedene Gruppe-III-Nitrid-Schichten als Abschluß der AlInN-Schicht verwendet werden. So lassen sich unerwünschte Oberflächenreaktionen je nach Einsatzgebiet der Schichten durch GaN-, AlN-, BN- oder InN-Deckschichten bzw. -Legierungen hieraus vermeiden.
- Diese Abschlußschichten bewirken zum einen eine Änderung der Oberflächenladungsdichte, aber auch der chemischen Reaktivität, was für Sensoranwendungen, wie sie z. B. in den Ansprüchen 15 bis 18 genannt werden, überaus bedeutsam ist. Für solche Anwendungen ist zum Teil auch die Oxidation solch einer Oberflächenschicht von herausragender Bedeutung für die Funktion der Bauelemente.
- In Anspruch 13 wird eine AlInN-Deckschicht anderer Komposition als die der AlInN-Funktionsschicht beschrieben. Dies bewirkt eine Änderung der Oberflächenladung und, vor allen Dingen bei hohen In-Konzentrationen in der Funktionsschicht wichtig, eine Vermeidung von In-Ausscheidungen bzw. sehr In- reichen Bereichen direkt an der Oberfläche. Solche Bereiche bzw. Ausscheidungen können die Bauelementeigenschaften wie z. B. die Leckströme über das Gate negativ beeinflussen. Daher sollte für solch eine AlInN-Deckschicht meist eine geringere In-Konzentration als in der Funktionsschicht angestrebt werden.
- Durch eine geschickte Wahl der Deckschicht können durch die piezoelektrischen und spontanen Polarisationspotentiale dieser Schicht Oberflächenladungen aufgebaut werden, die die durch die Funktionsschicht auch an der Oberfläche als Spiegelladung zum Kanal erzeugten Ladungen kompensieren und so eine ladungsfreie Oberfläche erzeugen. Dies führt wiederum zu einer erhöhten Bauelementstabilität, da sich nicht mehr so leicht Adsorbate an der Oberfläche anlagern und sich die Polaritätsänderungen an der Oberfläche kaum noch auf den Kanal auswirken.
- Diese Beschreibung schließt nach Unteranspruch 11 auch Legierungen vom Typ BAlGaInN anstelle des AlInN mit ein, mit denen die beschriebenen Eigenschaften erzielt werden. So ist die Verdünnung von AlInN, bzw. die Absenkung des Bandabstandes bei Indium-Konzentrationen unterhalb von ca. 40% durch Ersetzen von z. B. Al durch Ga möglich. Werden Al und In zu gleichen relativen Anteilen durch Gallium ersetzt, so ändert sich auf einem GaN-Puffer die Verspannung mit einer Ga-Zugabe nicht und bei geringen Gallium-Zugaben führt dies nicht zu einer signifikanten Verschlechterung der Bauelemente. Das gleiche gilt für Legierungen von GaN mit InN und AlN als Pufferschicht, sofern sie eine kleinere Bandlücke als das AlInN besitzen, wobei sich hier wiederum die Gitterkonstante des Puffers ändert und somit der Umschlagpunkt von einem n- zu einem p-Kanal-Transistor. Abkürzungen:
MOVPE Metallorganische Gasphasenepitaxie MBE Molekularstrahlepitaxie
Claims (19)
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur mit einem p-leitenden Kanal an einer Grenzfläche eines Gruppe-III-Nitrid/AlInN-Heteroübergangs, wobei die auf einer Gruppe-III-Nitrid-Pufferschicht aufgewachsene AlInN-Schicht kompressiv verspannt ist und die Transistorstruktur an der Grenzfläche ein Valenzbandoffset aufweist, das eine an der Grenzfläche zwischen der Gruppe-III-Nitrid-Pufferschicht und der AlInN-Schicht entstehende positive Raumladung in einer Potentialmulde einschließt.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine In-Konzentration der AlInN-Schicht oberhalb von 30% auf einer GaN-Schicht als Gruppe-III-Nitrid-Schicht.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wenige Monolagen dicke binäre BN-Schicht oder AlN-Schicht oder GaN-Schicht oder InN-Schicht, die direkt vor der AlInN-Schicht gewachsen ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die AlInN-Schicht in Teilen oder als gesamte Schicht mit einem Akzeptor dotiert ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dadurch, dass der Akzeptor Magnesium, Beryllium, Kohlenstoff oder Zink ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem n-Kanal-Transistor im unteren oder oberen Teil der Transistorstruktur und einem p-Kanal-Transistor im oberen bzw. unteren Teil der Transistorstruktur.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach Anspruch 6, bei der der n-Kanal-Transistor eine zu einer Pufferschicht gitterangepasste oder zugverspannte AlGaInN-Schicht aufweist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Kanal-Transistor eine AlGaInN-Schicht mit einer In-Konzentration unter 30% aufweist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Kanal-Transistor eine zu einer Pufferschicht gitterangepasste oder zugverspannte AlGaInN-Schicht mit einer In-Konzentration unter 30% aufweist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine elektrisch isolierende Schicht zwischen den den n-Kanal-Transistor und den p-Kanal-Transistor erzeugenden Schichtpaketen.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gallium und/oder Bor zum AlInN beigemischt ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorstruktur durch eine GaN-Schicht, AlN-Schicht, BN-Schicht oder InN-Schicht abgeschlossen ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die AlInN-Schicht mit einer AlInN-Schicht anderer Zusammensetzung abgeschlossen ist.
- Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die AlInN-Schicht mit einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht abgeschlossen ist, welche eine ladungsfreie Oberfläche erzeugt.
- Gas- und/oder Flüssigkeitssensor, basierend auf einer Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- pH-Sensor, basierend auf einer Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
- Cantilever, basierend auf einer Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
- Piezoelektrischer Sensor, basierend auf einer Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
- Logikbauelement, basierend auf einer Gruppe-III-Nitrid-Transistorstruktur nach einem der Ansprüche 6 bis 10.
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