DE102006030305B3

DE102006030305B3 - Gruppe-III-Nitrid-basiertes Halbleitertransistorbauelement

Info

Publication number: DE102006030305B3
Application number: DE200610030305
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Dadgar; Carsten Baer; Alois Prof. Dr. Krost
Original assignee: Azzurro Semiconductors AG
Current assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-27

Abstract

Halbleiterbauelemente wie z.B. Transistorbauelemente, welche auf hoch Al-haltigen aktiven bzw. Ladungsträger liefernden Schichten bestehen, sind in ihrer Leistung durch eine geringe Ladungsträgermobilität beschränkt, können jedoch sehr hohe Ladungsträgerdichten erreichen. Durch einen neuen Schichtaufbau wird die Ladungsträgermobilität deutlich erhöht und somit die Bauelementdaten, insbesondere der Widerstand, verbessert.

Description

AlGaN/GaN basierende Transistoren mit typischen Al-Konzentrationen um 25% und AlGaN Schichtdicken von ca. 20 nm werden zur Zeit für eine Vielzahl von Hochfrequenzbauelementen eingesetzt. Dabei bildet sich, hauptsächlich durch piezoelektrische Effekte, an der Grenzfläche zum GaN ein zweidimensionales Elektronengas aus, dessen Dichte und Ladungsträgermobilität den Kanalwiderstand bestimmt.
Aus US 2005/0173728 A1 ist ein Halbleitertransistorbauelement mit einer ersten AlGaInN-Schicht auf einer zweiten AlGaInN-Schicht bekannt.
Für Hochfrequenzbauelemente ist eine hohe Ladungsträgermobilität unbedingte Voraussetzung, aber auch für Hochspannungs- und Hochstrombauelemente ist diese ein wichtiger Parameter der neben Störstellen die Schaltzeit des Bauelements mitbestimmt. Um den Widerstand des Kanals zu verringern kann zum einen die Dicke der AlGaN Schicht oder die Al-Konzentration selbiger erhöht werden. Dabei führt eine Erhöhung der Dicke zu einer meist unerwünschten überproportional zunehmenden Erhöhung der Abschnürspannung des Bauelements; eine Erhöhung der Al-Konzentration zu einer Abnahme der Ladungsträgermobilität durch Legierungsstreuung, also Streuung der Ladungsträger im zweidimensionalen Elektronengas an der Grenzfläche zum GaN an Potentialfluktuationen im AlGaN.
Ähnliches gilt auch für AlInN, welches alternativ eingesetzt werden kann. AlInN ist ein idealer Halbleiter für die Realisierung von Hochleistungstransistoren und -dioden. AlInN mit ca. 18% In kann gitterangepasst auf GaN aufgewachsen werden, so dass im Gegensatz zum System GaN/AlGaN das rissfreie Wachstum von dicken Schichten möglich wird. Zusätzlich ist es aufgrund der hohen spontanen Polarisationsfelder sogar im gitterangepassten Fall zu GaN geeignet, um Transistoren mit hohen Kanalströmen zu realisieren oder sogar zur Herstellung von p-Kanal Transistoren für Hochtemperaturlogikschaltungen auf GaN-Basis [ DE 10 2004 034 341 A1 ].
AlInN Transistoren sind im Vergleich zu konventionellen AlGaN-basierten Transistoren vor allen Dingen aufgrund ihrer bis zu fünffach höheren Ladungsträgerkonzentration an der Grenzfläche interessant, mit der sich theoretisch sehr niedrige Serienwiderstände realisieren lassen. Dies ist mit AlGaN nur bei hohen Al-Konzentrationen möglich, die zu einer starken Schichtverspannung und Relaxation führen können. Hauptproblem bei der Herstellung von AlInN Transistoren ist die verhältnismäßig geringe Ladungsträgermobilität an der Grenzfläche zum GaN. Dies liegt vor allen Dingen an der hohen Streuung der Ladungsträger im zweidimensionalen Elektronengas an der GaN/AlInN Grenzfläche aufgrund von starken Potentialinhomogenitäten im AlInN. Dies gilt, wenn auch in etwas geringerem Maße, für Al-reiche AlGaN Schichten mit Al > 0,35%
Im Fall von GaN/AlGaN und GaN/AlInN Transistorbauelementen besteht in begrenztem Maß eine Möglichkeit, die Ladungsträgerstreuung zu verringern, im Einbringen von AlN Schichten, wie in [Smo01] genannt. Jedoch sind solche AlN Schichten aufgrund der hohen Gitterfehlanpassung zum GaN pseudomorph nur bis zu einer Dicke von wenigen Monolagen realisierbar. Dünne AlN Schichten haben im Gegensatz zur Anwendung im Standard GaN/AlGaN System, also in der Schichtenfolge GaN/AlN/AlGaN, im GaN/AlInN System und dem Al-reichen AlGaN aufgrund der viel stärkeren Potentialfluktuationen nur geringe Auswirkungen auf die Ladungsträgermobilität.
Es gilt daher, einen funktionsfähigen Transistor im Al-reichen AlGaInN bzw. AlInN oder AlGaN System mit zweidimensionalem Elektronengas zu realisieren, bei dem diese Streuung stark vermindert ist.
Dabei könnte man die Dicke der AlN Schicht dadurch erhöhen, dass man Ga oder In in geringen Mengen beimengt, was aber letztendlich die Relaxation nur schwerlich verhindern kann und durch die hohe Al-Konzentration dem eigentlich beabsichtigten Ziel der verringerten Ladungsträgerstreuung entgegenläuft.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es daher, ein Halbleiterbauelement im Al-reichen AlGaInN bzw. AlInN oder AlGaN System mit einem zweidimensionalem Elektronengas anzugeben, bei dem die Ladungsträgermobilität des zweidimensionalen Elektronengases gegenüber bekannten Lösungen verbessert ist. Solch eine Struktur findet sich üblicherweise in Feldeffekttransistoren (FET) bzw. high electron mobility transistoren (HEMT).
Das genannte technische Problem wird durch das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit einer Al_xGa_yIn_zN Schicht mit x > 0,35, 0 ≤ y, z ≤ 0,65 und x + y + z = 1 auf einer Al_x2Ga_y2In_z2N Schicht mit y2 > 0,5 und x2 + y2 + z2 = 1 hat zusätzlich eine Al_x3G_1-x3N Grenzflächenschicht von 1-15 nm Dicke und x3 ≤ 0,3 zwischen der Al_xGa_yIn_zN-Schicht und der Al_x2Ga_y2In_z2N-Schicht.
Indem in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vor der Al_xGa_yIn_zN-Schicht mit x > 0,4 und x + y + z = 1 eine 1-15 Nanometer dicke Al_x3G_1-x3N Schicht mit einer vorzugsweise geringen Al-Konzentration um 15-20 % aufgewachsen ist, deren optimale Dicke von der Komposition der umgebenden AlGaInN-Schichten abhängt und im Rahmen der üblichen Schichtoptimierungen gefunden werden kann, gelingt es, die Ladungsträgermobilität zu erhöhen. Diese Schicht kann im Gegensatz zu den genannten AlN Schichten viel dicker gewachsen werden und somit die starken Potentialfluktuationen der Al-reichen Al_xGa_yIn_zN-Schicht besser abschirmen.
Üblicherweise wird von solch einem Aufbau ähnlich den Befürchtungen mit den oben erwähnten AlN Schichten mit einem zweiten Material geringer Bandlücke eine ungünstige Beeinflussung des Bandverlaufs oder sogar parasitäre Kanäle erwartet. Beim AlN ist die Dicke jedoch in der Regel so gering, dass es von den Ladungsträgern durchtunnelt wird. Bei der Grenzflächenschicht des Halbleiterbauelements nach Anspruch 1 ist die Dicke zwar größer, so dass solch ein Effekt nicht auftreten kann. Aber durch die geringere Bandlücke zur Al-reichen Hauptschicht stellt dies kein Problem dar, wie auch in Zeichnung 2 schematisch im Bandverlauf angedeutet.
Die typischen Al-Konzentrationen der Zwischenschicht, bzw. die Dicke bei gleicher Konzentration, sind nach den vorliegenden Erfahrungen geringer bzw. höher zu wählen je höher die Potentialfluktuationen in der darauffolgenden Schicht sind. Die Potentialfluktuationen beim AlInN sind bei ca. 25% In am höchsten, beim AlGaN um 50% Al bzw. Ga. Es sollte für die Zwischenschicht immer eine möglichst geringe Dicke und eine Al-Konzentration < 30% angestrebt werden, wobei hier ein Kompromiss aus Abschnürspannung und Mobilität gefunden werden muss, da die Abschnürspannung mit zunehmender Zwischenschichtdicke zunimmt. Außerdem sollte die Dicke nur so hoch sein, dass noch kein signifikanter Einbruch der Ladungsträgerkonzentration zu beobachten ist und das Bauelement im Falle eines FETs bei den vorgesehenen Spannungen abgeschnürt werden kann. Maßgeblich für letzteres ist, außer der Gesamtschichtdicke von der Oberfläche zum Kanal, die Ladungsträgerkonzentration im Kanal.
Zusätzlich zu der gerade genannten Lösung ist in einem Ausführungsbeispiel eine dünne AlN-Schicht von 0,25-5 nm Dicke zwischen der Al_xGa_1-xN-, Al_xIn_1-xN- oder Al_xGa_yIn_zN-Schicht und der Al_x2Ga_y2In_z2N-Schicht eingebracht.
Diese Zwischenschicht kann alternativ auch etwas Ga oder In enthalten, was aber nach den bislang vorliegenden Erfahrungen weniger vorteilhaft ist, jedoch im Rahmen des Wachstums durch Materialverschleppung innerhalb des Wachstumssystems auftreten kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel beinhaltet, dass der in Anspruch 1 genannten 1-15 Nanometer dicken Al_x3Ga_1-x3N-Schicht Indium bis zu einer Konzentration von 10 % beigemischt wird, um den Potentialverlauf zu verbessern. Ein schematischer Bandverlauf einer Beispielstruktur für AlInN auf einer GaN-Pufferschicht (y2 = 1), die auch im Ausführungsbeispiel genannt ist, ist in Zeichnung 1 ohne und in Zeichnung 2 mit ungefährer Berücksichtigung der piezoelektrischen Felder gezeigt. Dabei wird durch das AlInN mit einer vorzugsweise geringen In Konzentration < 18% oder durch ein Al-reiches AlGaN mit Al > 35% eine hohe Bandverbiegung und eine hohe Elektronenkonzentration im 2DEG Kanal induziert, wie in Zeichnung 2 schematisch gezeigt. Dabei kann durch die AlGaN Zwischenschicht der Abstand der Ladungsträger zum AlInN oder Al-reichen AlGaN bzw. dem Einfluss der Potentialfluktuationen bei gleichzeitig ausreichend hohem Ladungsträgereinschluss im GaN ermöglicht werden. Solche Strukturen ermöglichen mindestens eine Verdopplung der Ladungsträgermobilität von üblichen 150-300 cm²/Vs auf über 700 cm²/Vs wie in Tabelle 1 zu sehen und lassen sich auf Werte wie für Standard FETs bringen, jedoch bei deutlich höherer Ladungsträgerkonzentration.
Es zeigt sich, dass eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sowohl eine AlN als auch eine AlGaN Schicht enthält. Diese Zwischenschichten reduzieren zwar leicht die Ladungsträgerkonzentration im Kanal, erhöhen aber signifikant die Ladungsträgermobilität. Durch diese Vorgehensweise können sehr niedrige Kanalwiderstände mit sehr hohen Ladungsträgermobilitäten realisiert werden.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Aufbau analog zu Zeichnung 3 für das Wachstum einer GaN/AlGaN/AlInN Transistorstruktur mittels MOVPE beschrieben.
Auf einem geeigneten Substrat 101 wie z. B. AlN, GaN, SiC, Diamant, Si oder Saphir wird eine GaN Pufferschicht 102 mit Trimethylgallium und Ammoniak gewachsen. Anschließend, in der Regel nach einer kurzen Wachstumsunterbrechung von üblicherweise wenigen Sekunden, folgt das Wachstum einer AlGaN Schicht 104 von 5 nm Dicke mit Trimethylaluminium, Trimethylgallium und Ammoniak. Gegebenenfalls kann vorher mit Trimethylaluminium und Ammoniak noch eine ca. 1-1,5 nm dicke AlN Schicht 103 gewachsen werden. Dann wird während einer Wachstumsunterbrechung zum Wachstum von AlInN die Temperatur auf ca. 840° C gesenkt und es wird vorzugsweise unter Stickstoffträgergas mit Ammoniak, Trimethylaluminium und Trimethylindium eine 10-15 nm dicke AlInN Schicht 105 gewachsen, die eine Konzentration um 15% In enthält.
Alternativ zu abrupten Übergängen können von den einzelnen Schichten auch Gradienten oder fein gestuft (vgl. Ansprüche 5 und 6), wie in Zeichnung 4 zu sehen, gewachsen werden. Diese Übergänge sollten an der Grenzfläche zum GaN bzw. AlN oberhalb des GaN allerdings sehr steil sein, sind aber selbst bei theoretisch abrupten Übergängen durch Verschleppungseffekte während des Wachstums zwangsläufig fast immer vorhanden.
Als eine erste Erweiterung dieses Beispiels können zur Erhöhung der Ladungsträgermobilität die Al_xGa_yIn_zN hoch Al-haltigen Hauptschichten auch teilweise oder ganz mit einem Donator wie z. B. Si oder Ge dotiert sein um die Ladungsträgerkonzentration im Kanal weiter zu erhöhen.
Eine zweite Erweiterung des Beispiels besteht im Wachstum von GaN, AlN oder AlGaN Deckschichten auf der Al_xGa_yIn_zN Schicht mit Dicken von 0,25-4 nm. Diese Deckschichten sind hilfreich beim definierten Abschluss der Struktur um die auftretenden Oberflächenladungen kontrollieren zu können, wobei dies meist durch darauf aufgebrachte definierte Passivierungsschichten geschieht, die eben auf ein Material bzw. eine Komposition optimiert sind. Beim Wachstum solcher Schichten muss die gesamte Struktur auf der dafür optimalen, hohen Wachstumstemperatur oberhalb von 1000° C aufgeheizt werden, was bei Verwendung von z. B. AlInN Hauptschichten zu einer Segregation des In führen kann, welche durch die in der DE 10 2004 055 636 A1 genannten Methoden kontrolliert werden kann.
Durch den der Erfindung zugrunde liegenden hohen Al-Gehalt der obersten Schichten ist dieser Aufbau vor allen Dingen für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen durch die guten Isolationseigenschaften dieser Schicht geeignet.
Für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen sollte das Bauelement auf einem gut wärmeleitenden Substrat hergestellt oder montiert werden. Dazu zählen vor allen Dingen Diamant, AlN und SiC aber auch GaN und vor allen Dingen Si können hier preiswerte Alternativen sein.
Das fertige Bauelement muss für die hier beschriebenen Anwendungen nicht zwingend als Transistorstruktur prozessiert werden. Insbesondere für Hochstromund Hochspannungsschalter ist eine Prozessierung auch als laterale oder vertikale Schottkydiode möglichywobei der hochleitfähige Kanal den Widerstand im Durchlassbetrieb verringert.
Die Ansprüche schließen alle Halbleiterherstellungsverfahren sowie Schichten mit geringen Mengen eines anderen Gruppe-III Elements wie Bor bzw. Legierungen wie AlInGaN auch in Verbindung mit GaN Schichten, die geringe Mengen von In, Al oder B enthalten bzw. in Verbindung mit AlGaN oder InGaN mit ein.
Abkürzungen:

2DEG zweidimensionales Elektronengas

FET Feldeffekttransistor

MOVPE Metallorganische Gasphasenepitaxie
Referenzen:

[Smo01] I. P. Smorchkova, L. Chen, T. Mates, L. Shen, S. Heikman, B. Moran, S. Keller, S. P. DenBaars, J. S. Speck und U. K. Mishra, AlN/GaN and (Al, Ga)N/AlN/GaN two-dimensional electron gas structures grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy, J. Appl. Phys. 90, 5196 (2001).

Tabelle 1

Claims

Halbleiterbauelement mit einer Al_xGa_yIn_zN-Schicht (105) mit x > 0,35, 0 ≤ y, z ≤ 0,65 und x + y + z = 1 auf einer Al_x2Ga_y2In_z2N Schicht (103) mit y2 > 0,5 und x2 + y2 + z2 = 1, gekennzeichnet durch eine Al_x3Ga_1-x3N Grenzflächenschicht (104) von 1-15 nm Dicke und x3 ≤ 0,3 zwischen der Al_xGayIn_zN-Schicht (105) und der Al_x2Ga_y2In_z2N-Schicht (103).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht aus AlN von 0,25-5 nm Dicke zwischen der Al_x2Ga_y2In_z2N-Schicht (103) und der Al_x3Ga_1-x3N-Schicht (104).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht aus AlGaInN von 0,25-7 nm Dicke und einer Beimengung von weniger als 10% In und/oder weniger als 20 % Ga zwischen der Al_x2Ga_y2In_z2N-Schicht (103) und der Al_x3Ga_1-x3N-Schicht (104).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Al_x3Ga_1-x3N-Schicht (104) Indium in Konzentrationen ≤ 10% beigemengt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Al_x3Ga_1-x3N Grenzflächenschicht (104) von mehreren Al_x3Ga_1-x3N Grenzflächensubschichten mit x3 ≤ 0,3 gebildet wird, wobei die Gesamtdicke der Grenzflächensubschichten 15 nm nicht überschreitet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zwischenschicht aus AlN und Al_x3Ga_1-x3N Schicht (104) eine maximal 4 nm dicke gradierte AlGaInN Schicht angeordnet ist.