DE102005047221B4 - Halbleiterschichtstruktur, Bauelement mit einer solchen Halbleiterschichtstruktur, Halbleiterschichtstruktur-Scheiben und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Eine Halbleiterschichtstruktur aus mindestes fünf verschiedenen Schichten auf einem Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, bei welcher Halbleiterschichtstruktur a) die erste Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff, b) die zweite Schicht aus undotiertem oder teilweise dotiertem Silizium-Germanium, c) die dritte Schicht aus dotiertem Silizium-Germanium, d) die vierte Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff und e) die fünfte Schicht aus dotiertem Silizium besteht, wobei die erste, zweite und vierte Schicht je eine Dicke von 1 bis 10 nm aufweisen.
Description
- Stand der Technik
- Zur Zeit wird versucht die Grenzfrequenz von Silizium basierten Bauelementen immer weiter nach oben zu schrauben. Man hat Grenzfrequenzen von 350 GHz mittels Einführung einer Silizium Germanium Basis in so genannten Hetero-Bipolar-Transistoren (HBT) erreicht. Die Basis von HBTs ist aus Silizium-Germanium, Emitter und Kollektor werden aus reinem Silizium hergestellt. Es wurde immer wieder versucht das Germaniumprofil zu variieren, um die Bauelementeeigenschaften zu verbessern. Die Basis ist häufig p-dotiert. Beim HBT verhindert die Silizium Germanium (SiGe) Basis durch den energetischen Bandsprung, der fast ausschließlich im Valenzband stattfindet, die Diffusion von positiven Ladungen, Löchern, aus der Basis.
- Gleichzeitig wird die Barriere durch den verringerten Bandabstand des Silizium Germaniums für die Elektronen im Leitungsband reduziert, so dass eine erhöhte Stromverstärkung entsteht. Bei der Herstellung von SiGe-HBTs ist das Temperaturbudget ein großes Problem für die Erhaltung der Bauelementeeigenschaften, da das Bor in der Basis tendiert auszudiffundieren und für niederohmige Kontakte in der Bauelementetechnologie oft die Notwendigkeit von Hochtemperaturschritten von über 1000°C besteht. In [1, 2, 3] wurde vorgeschlagen Kohlenstoff in die SiGe-Basis einzuführen, um die Borausdiffusion bei Hochtemperaturschritten, die in der Silizium-IC-Fertigung gefordert sind zu unterdrücken. In [4, 5] wurde vorgeschlagen den Kollektor mit Kohlenstoff zu dotieren, um die Durchbruchfeldstärke von HBTs zu erhöhen. In [6] wurde ein modulationsdotierter Feldeffekttransistor vorgeschlagen, der einen intrinsischen SiC-Kanal umgeben von SiGe-Schichten auf einem SiGe-Buffer besitzt. Darüber hinaus sind aus der IIIV-Technik Doppel-Hetero-Tunneltransistoren bekannt [7]. Auch in SiGe wurden bereits Si-SiGe resonante Interband-Tunneldioden mit negativ differentiellem Widerstand veröffentlicht, um Tri-Stage Logik zu demonstrieren [8].
- Die
DE 101 60 511 A1 betrifft einen SiGe-Hetero-Bipolartransistor, bei dem zwischen Emitter und Kollektor ein Schichtstapel mit einer SiGe-Schicht als Basis vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform ist die SiGe-Basis zwischen zwei C-Si-Schichten angeordnet, die als Diffusionsbarriere einer Diffusion der Dotierstoffe vorbeugen sollen. DieJP 2000-077425 A US 2002/0020851 A1 - Die
EP 1 692 720 B1 betrifft eine Bipolar-Halbleitervorrichtung mit einer Folge aus Si-Schichten und einer eingeschlossenen Emitterschicht; allerdings hat die erste Schicht eine Dicke zwischen 20 nm und 150 nm, wobei 30 nm bis 100 nm bevorzugt sind. - Die
US 2005/0208740 A1 - Aufgabenstellung
- Aufgabe der Erfindung
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtfolge im Silizium-Germanium-Kohlenstoff System vorzuschlagen, welches einen stoßfreien Ladungsträgertransport ermöglicht und den Bau eines siliziumbasierten Doppel-Hetero-Tunneltransistors und anderer elektrischer und elektro-optischer Bauelemente erlaubt.
- Beschreibung der Erfindung
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst von den Vorrichtungen und dem Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen.
- Im Gegensatz zum Stand der Technik wird in der vorliegenden Erfindung ein Dotierungs- (
1 ) und Bandprofil (2 ) wie in Doppel-Hetero-Tunneltransistoren gewählt. Diese Struktur hat den Vorteil der Diffusionsunterdrückung von Ladungsträgern. In dieser Struktur können z. B. Elektronen nur in Richtung des elektrischen Felds bewegt werden, da sie sonst eine Barriere sehen, die ohne Feld nicht zu überwinden ist. Dieser Vorteil führt dazu, dass man nun in der Lage ist ein nahezu perfektes Bauelement zu designen, denn neben der Löcherrückdiffusion aus der Basis durch den Bandkantensprung zwischen Silizium und Germanium kann man nun auch die Rückdiffusion von Elektronen im Leitungsband unterdrücken. Diese Struktur kann demnach als schneller Transistor, als Solarzelle oder als Ausgangsstruktur für einen Laser eingesetzt werden. - Das Ausgangsmaterial kann üblicherweise ein Siliziumwafer sein. Es kann für diese Struktur, ein vorstrukturierter Wafer Verwendung finden, wobei mit Metal, Nitrid oder Oxid bedeckte Bereiche lateral neben freien Halbleiteroberflächen liegen. Durch diese Art der Epitaxie wird gewährleistet, dass Versetzungen, die zwangsläufig durch die Gitterfehlanpassung entstehen lateral abgebaut werden. Die Abscheidungsmethoden können vorzugsweise CVD sein. Aber auch andere ganzflächige oder selektive Abscheidungsmethoden, wie z. B. MBE, PLO oder PECVD könnten zum Einsatz kommen.
- Im Folgenden wird eine Variante zur Herstellung einer Tunnel-Schichtfolge für das Silizium-Germanium-Kohlenstoff System im Detail beschrieben: Man startet üblicherweise mit einer dünnen Silizium Startschicht (S0), die im Bereich von ca. 5–20 nm liegt. Auf diese wird eine um 1–7 nm Dicke Si-Schicht (S1), die mit Kohlenstoff im Bereich von 1–100 × 1019 cm–3 dotiert ist, abgeschieden. Diese Schicht kann auch in einer Variante des Prozesses aus SiGe:C bestehen. Darauf folgt eine wenige Nanometer starke undotierte Zwischenschicht aus Si1-xGex (S2). Es folgt eine Bor dotierte Si1-xGeX-Basisschicht (S3), mit x zwischen 0–0,5 und einer Dotierung oberhalb der Entartung für p-dotiertes Silizium, > 4 × 1018 cm–3 sowie einer Schichtdicke von einigen Nanometern bis zu 20 nm. Die Dicke muss der entsprechenden Germaniumkonzentration angepasst werden und die Tunnelbedingungen erfüllen. Die Theorie hierzu ist z. B. in [7] beschrieben. Diese Schicht wird bedeckt von einer Kohlenstoff dotierten SiGeoder Si-Schicht, dabei liegt die Kohlenstoffdotierung üblicherweise zwischen –10 1019cm–3 (S4). Als Deckschicht wird eine wenige Nanometer (20–80 nm) dicke Siliziumschicht (S5) aufgebracht. Diese Schicht ist mit Arsen oder einem anderen Dotanten > 0,1 × 1018 cm3 n-dotiert. Innerhalb der Bauelementprozessierung wird häufig auch eine weitere Schicht mit amorphem Silizium oder amorphen SiGe (S6) aufgebracht, die üblicherweise mit über 10 × 1019 cm–3 n-dotiert ist. Die gesamte Schichtfolge ist
3a und b zu finden. Durch das wiederholte Abscheiden der Schichten S1 bis S5 kann eine Übergitterstruktur, ein so genanntes Multiquantumwell (MQW), erzeugt werden, dessen Schichtfolge in4 schematisch dargestellt ist. - Es stellt sich eine Bandstruktur ein, wie sie beispielhaft in
2 dargestellt ist. Dabei sind die verschiedenen Bereiche wie folgt in Bezug auf die Bauelementefunktion zu beschreiben: Der Bereich ➀ ist ein hoch n-dotierter Bereich, bei dem das Leitungsband EL unterhalb des Ferminiveaus liegt und aus den Schicht S5 und/oder S6 gebildet wird. Der Bereich ➁ ist der Bereich der Schicht S4 in der Flachbandzustand erreicht wird, wohingegen der Bereich ➂ die emitterseitige Raumladungszone der Bauelementestruktur beschreibt. Die Bereiche ➃ und sind mit Kohlenstoff versetzt – Schichten S1 und S4 und es entsteht eine höhere Bandlücke als im reinen Silizium oder im Silizium Germanium. Der Bereich ➄ dient als Basis der Struktur und beinhaltet Schicht S2 und Schicht S3. Der Bereich ➆ beschreibt die kollektorseitige Raumladungszone, die durch eine hohe n-Dotierung dieser Gebiete nur einige nm weit sein kann. Das Gebiet ➇ ist eine mit Donatoren versehene Siliziumschicht, die z. B. durch Diffusion oder Implantation im Substrat erzeugt wurde. Der nicht explizit dargestellte Bereich ➈ ist in Analogie zu Bereich ➀ zu sehen und könnte aus einem hoch dotiertem buried layer oder einem vergrabenen Silizid oder Metall bestehen. - Die Bandstruktur der Schichtfolge in
1 zeichnet sich dadurch aus, dass sich im Bereich ➄ der2 so genannte Subbander als Lösung der Schrödingergleichung ergeben, die in der Literatur üblicherweise mit X-Band-Energieniveaus bezeichnet werden. Diese liegen energetisch in der Größenordnung von 0,1 Elektronvolt oberhalb der Leitungsbandkante, die mit EL in2 bezeichnet wurde. Die lokale Lage der sich einstellenden X-Bandniveaus im reziproken Gitter kann dazu führen, dass aus dem indirekten SiGe ein direkter Halbleiter wird. Dies gilt vor allem für den Fall von Übergittern, bzw. Multiquantumwells. - Legt man nun eine positive Spannung an den Kollektor an und z. B. das Potential Null an den Emitter können Elektronen durch die wenige Nanometer dicken Energiebarrieren ➃ und tunneln und direkt an der Leitungsbandkante oder über die X-Niveaus zum Kollektorbereich gelangen. Über eine Spannung an der Basis kann dieser Prozess gesteuert werden und damit ein Doppelheterotunneltransistor erzeugt werden.
- Da dieser Prozess stoßfrei geschieht, kann davon ausgegangen werden, dass das Bauelement sehr schnell schalten kann. Es werden aufgrund der Erfahrung mit SiGe-HBTs Grenzfrequenzen im Terahertz Bereich erwartet.
- Vorteile und Besonderheiten:
- Die vorgeschlagene Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass mit ihr verschiedene Arten von Bauelementen erzeugt werden können. Zum einen kann der oben beschriebene DHT hergestellt werden. Dabei dienen die beiden Kohlenstoffschichten zum einen als Diffusionsbarriere für Ge und B und gleichzeitig als Tunnelbarrieren für die Elektronen und die Löcher.
- Die Basis-Emitter-Diode kann als hocheffiziente Solarzelle verwendet werden. Dabei koppelt das Licht aufgrund der Bandstruktur in die Basis ein und erzeugt damit um ein vielfaches mehr Elektron-Loch-Paare als herkömmliche Solarzellen, da die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren fast vollständig unterdrückt wird. Eine besondere Variante einer solchen Solarzelle wäre die Abscheidung einer solchen Struktur an einem Siliziumdraht, der in Scheiben geschnitten werden kann.
- Die Struktur kann als Wellenleiter dienen, da die SiGeC- bzw. SiC Schichten einen höheren Brechungsindex besitzen als die SiGe-Basis.
- Die Basis kann als Kanal für modulationsdotierte Feldeffekttransistoren genutzt werden, da die Ladungsträger durch die Energiebarrieren einen vertikal genau definierten Kanal besitzen. Die vorgeschlagene Bauelementestruktur kann als hochempfindlicher Infrarot-Sensor genutzt werden.
- Darüber hinaus kann bei genauer Anpassung der Basis sowie der lateralen Abmessungen der Struktur ein Siliziumlaser hergestellt werden.
- Das Substrat kann auch auf einem elektrisch isolierenden Ausgangsmaterial vorgesehen sein (Silicon on Isolator).
- Beschreibung der Abbildungen:
-
1 : Schematischer beispielhafter Dotierungsverlauf der Bauelementeschichtfolge -
2 : Energiebandverlauf mit Leitungsbandkante EC, Valenzbandkante EV und Ferminiveau EF -
3 : Schichtfolge der Erfindung: S0-Si, S1 Si:C, S2 SiGe undotiert oder SiGe:C, S3 SiGe p-dotiert, S4 Si:C oder SiGe:C, S5 Si n-dotiert und S6 Si n-dotiert auf einem Siliziumsubstrat -
4 : Schnitt durch eine rotationssymmetrische Heterotunnelstruktur an einem Draht D -
5 : Vielschichtstruktur, z. B. zur Erzeugung eines Übergitters auf einem Substrat S - Literatur
-
- [1]
DE 196 52 423 A1 - [2]
EP 1 282 172 A2 - [3]
JP 2003 257 868 A - [4]
WO 02 061 820 A1 - [5]
US 2004 097 049 A1 - [6]
US 6 936 869 B2 - [7] F. Capasso et al. IEEE, Transactions on Electron Devices, Vol. 36, No 10, 1989, pp. 2065–2082
- [8] N. Jin et al., IEEE Electron Device Letters Vol 25, No 9, pp. 646–648, 2004
Claims (20)
- Eine Halbleiterschichtstruktur aus mindestes fünf verschiedenen Schichten auf einem Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, bei welcher Halbleiterschichtstruktur a) die erste Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff, b) die zweite Schicht aus undotiertem oder teilweise dotiertem Silizium-Germanium, c) die dritte Schicht aus dotiertem Silizium-Germanium, d) die vierte Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff und e) die fünfte Schicht aus dotiertem Silizium besteht, wobei die erste, zweite und vierte Schicht je eine Dicke von 1 bis 10 nm aufweisen.
- Halbleiterschichtstruktur nach Anspruch 1, bei welcher die zweite und dritte Schicht ganz oder teilweise p-dotiert sind und deren Germaniumgehalt zwischen 0 und 50% liegt.
- Halbleiterschichtstruktur nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die fünfte Schicht konstant oder graduiert mit 1–10 × 1018 cm–3 n-dotiert ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer sechsten Schicht, wobei die dritte Schicht mit Bor oder Aluminium dotiert ist und die fünfte und sechste Schicht mit Arsen oder Antimon dotiert sind.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher vor der ersten Schicht eine Siliziumstartschicht abgeschieden ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die dritte Schicht mit Kohlenstoff dotiert ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer sechsten Schicht, die aus einer amorphen hoch n-dotierten Silizium oder Silizium-Germanium-Schicht besteht.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die zweite Schicht ebenfalls teilweise mit Kohlenstoff dotiert ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Energiebandverlauf mit Subbändern im Bereich der zweiten und dritten Schicht vorliegt.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schichtfolge erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Schicht ganz oder teilweise mehrmals wiederholt hintereinander abgeschieden ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Oberfläche des Substrats aus lateral strukturiertem Silizium und Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Metall oder Silizid oder einem leitenden lichtdurchlässigen Oxid besteht.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Substrat auf einem elektrisch isolierenden Ausgangsmaterial vorgesehen ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher als Ausgangsmaterial ein Draht, eine Röhre oder ein Stab vorgesehen ist und die Schichtenfolge konzentrisch abgeschieden ist.
- Halbleiterschichtstruktur nach Anspruch 13, bei welcher das Ausgangsmaterial zusätzlich mit einem Metall beschichtet wird.
- Halbleiterschichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Teil der Schichtenfolge, insbesondere die erste, zweite und dritte Schicht, strukturiert ist.
- Halbleiterschichtstruktur-Scheiben, hergestellt durch Zerlegen einer Halbleiterschichtstruktur, die eine fertige Bauelementstruktur ist, nach Anspruch 13 und 14 in Scheiben.
- Elektrisches Bauelement mit einer Halbleiterschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
- Opto-elektrisches Bauelement mit einer Halbleiterschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
- Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem die Schichten nach dem Abscheiden Temperatur behandelt werden.
- Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem die Schichten mittels MBE oder einem CVD Verfahren hergestellt werden.
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2005
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