DE102014115117B4

DE102014115117B4 - Elektronisches bauelement

Info

Publication number: DE102014115117B4
Application number: DE102014115117.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Häberlen; Gerhard Prechtl; Clemens Ostermaier
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2034-10-18
Also published as: DE102014115117A1; CN104600107A; US9590048B2; US20150115326A1; CN104600107B

Abstract

Elektronisches Bauelement, umfassend:- eine Halbleiterschicht (21; 33; 55; 74; 103) mit einer Oberfläche (22; 41; 73; 111);- ein Gate (23; 35; 60; 71; 105) und eine erste Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) auf der Oberfläche (22; 41; 73; 111); und- eine dielektrische Schicht (25; 37; 62; 75; 107), die sich zwischen dem Gate (23; 35; 60; 71; 105) und der ersten Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) erstreckt und geladene Ionen (26; 38; 65; 79; 108) umfasst, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen, wobei die geladenen Ionen (26; 38; 65; 79; 108) positiv geladene Ionen umfassen und die positiv geladenen Ionen mindestens eines von Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca) umfassen.

Description

HINTERGRUND
Bisher werden Transistoren, die in leistungselektronischen Anwendungen verwendet werden, in der Regel mit Silicium(Si)- Halbleitermaterialien hergestellt. Übliche Transistorbauelemente für Leistungsanwendungen schließen Si CoolMOS™, Si-Leistungs-MOSFETs und Si-Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) ein. Verbindungshalbleiter, zum Beispiel III-V-Verbindungshalbleiter, beispielsweise GaAs, sind in manchen Anwendungen ebenfalls nützlich. In letzter Zeit werden Siliciumcarbid-(SiC)-Leistungsbauelemente in Betracht gezogen. Inzwischen scheinen Gruppe-III-N-Halbleiterbauelemente, wie Galliumnitrid-(GaN)-Bauelemente, attraktive Kandidaten für den Transport starker Ströme, das Unterstützen hoher Spannungen und die Bereitstellung sehr niedriger Durchlasswiderstände und kurzer Schaltzeiten zu sein.
Die US 2013 / 0 256 686 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement mit drei isolierenden Schichten auf einer Oberfläche, wobei Halogenionen in der obersten isolierenden Schicht sowie in der untersten isolierende Schicht unterhalb des Gates angeordnet sind.
Die JP 2008 172 055 A offenbart ein Halbleiterbauelement mit Fluorionen im Halbleiterkörper.
Die US 2013 / 0 153 963 A1 beschreibt ein III-V-Halbleiterbauelement mit einem Gate und einem Drain und einer auf dielektrischen Schicht, die auf einer Oberfläche einer Halbleiterschicht zwischen dem Gate und dem Drain angeordnet ist und in die negative Ladungsträger eingebracht sind.
Die US 2007 / 0 224 710 A1 beschreibt ein III-V-Halbleiterbauelement mit einem Gate und einem Drain und einer auf dielektrischen Schicht, die auf einer Oberfläche einer Barriereschicht zwischen dem Gate und dem Drain angeordnet ist, wobei Fluorionen in die Barriereschicht implantiert sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes elektronisches Bauelement, insbesondere ein verbessertes III-V-Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 und ein elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 2 gelöst.
Figurenliste
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, solange sie einander nicht ausschließen. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung ausführlich beschrieben.

1 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform dar.
2 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform dar.
3 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform dar.
4 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen, zur Erläuterung dienenden Ladungsprofils dar.
5 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen Ladungsprofils dar.
6 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen, zur Erläuterung dienenden Ladungsprofils dar.
7 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen, zur Erläuterung dienenden Ladungsprofils dar.
8 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen Ladungsprofils dar.
9 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen Ladungsprofils dar.
10 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines vorgegebenen Ladungsprofils dar.
11 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform dar.
12 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines zur Erläuterung dienenden elektronischen Bauelements dar.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen bestimmte Ausführungsformen, in denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, zur Veranschaulichung dargestellt sind. In diesem Zusammenhang wird Richtungsterminologie, wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „führend“, „nachlaufend“ usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten der Ausführungsformen in mehreren verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden können, wird die richtungsbezogene Terminologie zum Zwecke der Erläuterung verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Man beachte, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass bauliche oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht als Beschränkung aufzufassen, und der Bereich der vorliegenden Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsformen erklärt. In diesem Fall werden gleiche bauliche Merkmale in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen benannt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung sollte „lateral“ oder „laterale Richtung“ so verstanden werden, dass damit eine Richtung oder eine Erstreckung gemeint ist, die parallel zur lateralen Erstreckung eines Halbleitermaterials oder eines Halbleiterträgers verläuft. Die laterale Richtung erstreckt sich somit allgemein parallel zu diesen Oberflächen oder Seiten. Im Gegensatz dazu soll der Begriff „vertikal“ oder „vertikale Richtung“ eine Richtung bedeuten, die allgemein senkrecht zu diesen Oberflächen oder Seiten und somit zur lateralen Richtung verläuft. Die vertikale Richtung verläuft daher in Dickenrichtung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterträgers.
Wie in dieser Beschreibung verwendet sollen die Begriffe „verbunden“ und/oder „elektrisch verbunden“ nicht bedeuten, dass die Elemente direkt miteinander verbunden sein müssen - es können Zwischenelemente zwischen den „verbundenen“ oder „elektrisch verbundenen“ Elementen vorgesehen sein.
Wie in dieser Beschreibung verwendet soll der Begriff „auf“ in Ausdrücken wie „positioniert auf“ oder „angeordnet auf“ nicht bedeuten, dass die Elemente in direktem Kontakt miteinander stehen müssen - es können Zwischenelemente zwischen den Elementen vorgesehen sein.
Ein Verarmungsbauelement, beispielsweise ein Hochvolt-Verarmungstransistor, weist eine negative Schwellenspannung auf, was bedeutet, dass sie Strom bei null Gate-Spannung leiten kann. Diese Bauelemente sind selbstleitend (normally on). Ein Anreicherungsbauelement, beispielsweise ein Niedervolt-Anreicherungstransistor, weist eine positive Schwellenspannung auf, was bedeutet, dass es Strom bei null Gate-Spannung nicht leiten kann und selbstsperrend (normally off) ist.
Wie hierin verwendet, ist ein „Hochvoltbauelement“, beispielsweise ein Hochvolt-Verarmungstransistor, ein elektronisches Bauelement, die für Hochvolt-Schaltungsanwendungen optimiert ist. Das heißt, wenn der Transistor ausgeschaltet ist, ist er in der Lage, hohe Spannungen, wie etwa 300 V oder höher, etwa 600 V oder höher oder etwa 1200 V oder höher, zu blockieren, und wenn der Transistor eingeschaltet ist, weist er einen für die Anwendung, in der er verwendet wird, ausreichend niedrigen Durchlasswiderstand (on-resistance, RON) auf, d.h. er erfährt einen ausreichend geringen Leitungsverlust, wenn ein substantieller Strom durch das Bauelement fließt. Ein Hochvoltbauelement kann zumindest in der Lage sein, eine Spannung zu blockieren, die der Hochspannungszufuhr oder der maximalen Spannung in dem Schaltkreis gleich ist, für den sie verwendet wird. Ein Hochvoltbauelement kann in der Lage sein, 300 V, 600 V, 1200 V oder eine andere geeignete Blockierspannung zu blockieren, die von der Anwendung benötigt wird.
Wie hierin verwendet, ist ein „Niedervoltbauelement“, wie ein Niedervolt-Anreicherungstransistor, ein Bauelement, die in der Lage ist, niedrige Spannungen zu blockieren, beispielsweise zwischen 0 V und V_low, die aber nicht in der Lage ist, Spannungen zu blockieren, die höher sind als V_low. V_low kann etwa 10 V, etwa 20 V, etwa 30 V, etwa 40 V sein oder zwischen etwa 5 V und 50 V liegen, beispielsweise zwischen etwa 10 V und 30 V.
Wie hierin verwendet, bezeichnet der Ausdruck „Gruppe-III-Nitride“ einen Verbindungshalbleiter, der Stickstoff (N) und mindestens ein Element der Gruppe III, unter anderem Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Bor (B), aufweist, was unter anderem deren Legierungen einschließt, wie beispielsweise Aluminiumgalliumnitrid (Al_xGa(_i-x)N), Indiumgalliumnitrid (InyGa(_i-y)N), Aluminiumindiumgalliumnitrid (Al_xIn_yGa(_1-x-y)N) . Aluminiumgalliumnitrid bezeichnet eine Legierung, die durch die Formel Al_xGa(_i-X;N beschrieben wird, wobei x > 1.
1 stellt ein elektronisches Bauelement 20 dar, die eine Halbleiterschicht 21 mit einer Oberfläche 22, ein Gate 23 und eine erste Lastelektrode 24 auf der Oberfläche 22 und eine dielektrische Schicht 25 aufweist, die sich zwischen dem Gate 23 und der ersten Lastelektrode 24 erstreckt und geladene Ionen 26 enthält, die ein vordefiniertes Ladungsprofil 27 aufweisen.
Die erste Lastelektrode kann beispielsweise eine Drain-Elektrode oder eine Source-Elektrode sein.
Die geladenen Ionen 26 können durch Implantation oder durch Einverleibung während einer Gasphasenabscheidung bewusst in die dielektrische Schicht 25 eingebracht werden und können eine Dichte und eine dreidimensionale Verteilung in der dielektrischen Schicht 25 aufweisen, mit denen ein vorgegebenes Ladungsprofil 27 erzeugt wird, das eine Verteilung eines elektrischen Feldes zwischen dem Gate 23 und der ersten Lastelektrode 24 formt. Zum Beispiel kann die Verteilung des elektrischen Feldes zwischen dem Gate 23 und der ersten Steuerelektrode 24 gleichmäßiger gemacht werden. In einer Ausführungsform werden die geladenen Ionen 26 durch Defektimplantation in der dielektrischen Schicht 25 ausgebildet.
In einer Ausführungsform beinhalten die geladenen Ionen 26 negativ geladene Ionen, beispielsweise Fluor, Chlor, Brom und/oder Iod. Die geladenen Ionen 26 können positiv geladene Ionen, beispielsweise Lithium, Natrium, Kalium, Beryllium, Magnesium und/oder Calcium beinhalten. Die negativ geladenen Ionen können in Ausführungsformen, in denen die dielektrische Schicht 25 ein geeignetes Material, beispielsweise SiO_x enthält, auch Aluminiumionen beinhalten. Die geladenen Ionen können negativ geladene Ionen und positiv geladene Ionen beinhalten, wobei jeder Typ von geladenen Ionen ein anderes vorgegebenes Ladungsprofil aufweist.
Die dielektrische Schicht 25 kann Siliciumnitrid, Silciumoxid und/oder Siliciumoxynitrid beinhalten. In manchen Ausführungsformen beinhaltet die dielektrische Schicht 25 eine Isolierschicht und eine Passivierungsschicht auf der Isolierschicht. Die geladenen Ionen können in der Isolierschicht oder in der Passivierungsschicht oder in beiden angeordnet sein.
Das vorgegebene Ladungsprofil 27 kann verschiedene Formen aufweisen. Das vorgegebene Ladungsprofil 27 kann Ionen beinhalten, die an verschiedenen vertikalen Positionen innerhalb der dielektrischen Schicht 35 angeordnet sind, und kann eine dreidimensionale Form aufweisen. Das vorgegebene Ladungsprofil 27 kann auch eine Ladungsdichte aufweisen, die in einer Richtung vom Gate 23 zur ersten Lastelektrode 24 variiert.
In einer Ausführungsform ist das vorgegebene Ladungsprofil ein schräges Profil und kann vom Gate 23 zur ersten Lastelektrode 24 ansteigen. Der Abstand der geladenen Ionen von der Oberfläche 22 der Halbleiterschicht 21 nimmt in der Richtung vom Gate 23 zur ersten Lastelektrode 24 zu.
Das vorgegebene Ladungsprofil kann auch einen vorgegebenen Ladungsdichtegradienten aufweisen, der in einer Richtung vom Gate 23 zur ersten Lastelektrode 24 sinken kann. Der vorgegebene Ladungsdichtegradient kann vom Gate zur ersten Lastelektrode allmählich sinken oder kann in einer Richtung vom Gate zur ersten Lastelektrode stufenweise sinken.
In manchen Ausführungsformen ist die erste Lastelektrode eine Drain-Elektrode, und das elektronische Bauelement beinhaltet eine zweite Lastelektrode, die eine Source-Elektrode sein kann. Es kann sein, dass die geladenen Ionen 26, die ein vorgegebenes Ladungsprofil 27 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, nur in der dielektrischen Schicht 25 positioniert sind, die sich zwischen dem Gate 23 und dem Drain 24 erstreckt.
In manchen Ausführungsformen weist das elektronische Bauelement eine zweite Lastelektrode und eine weitere dielektrische Schicht auf, die sich zwischen dem Gate und der zweiten Lastelektrode erstreckt. Die weitere dielektrische Schicht schließt geladene Ionen ein, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen. Das Gate kann zwischen der ersten Lastelektrode und der zweiten Lastelektrode positioniert sein, und die geladenen Ionen, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen, können in der dielektrischen Schicht, die sich zwischen dem Gate und der ersten Lastelektrode erstreckt, und in der weiteren dielektrischen Schicht, die sich zwischen dem Gate und der zweiten Lastelektrode erstreckt, angeordnet sein. Das vorgegebene Profil der geladenen Ionen in der weiteren dielektrischen Schicht kann spiegelsymmetrisch zu dem vorgegebenen Profil der geladenen Ionen in der weiteren dielektrischen Schicht sein.
Das elektronische Bauelement 20 kann ein Transistor sein, beispielsweise ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT). Die Halbleiterschicht kann ein Verbindungshalbleiter sein, beispielsweise ein Gruppe-III-V-Halbleiter, oder kann einen Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter, wie einen Galliumnitrid-Halbleiter oder einen Aluminiumnitrid-Halbleiter, beinhalten.
Der Transistor kann ein Hochvoltbauelement, beispielsweise ein Hochvolt-HEMT, oder ein Niedervoltbauelement sein. Der Transistor kann ein Verarmungstransistor, der selbstleitend (normally on) ist, oder ein Anreicherungstransistor sein, der selbstsperrend (normally off) ist.
In einer Ausführungsform schließt das elektronische Bauelement eine Schicht aus Halbleitermaterial mit einer Oberfläche und einer Anode und einer Kathode auf der Oberfläche ein. Das elektronische Bauelement schließt ferner eine dielektrische Schicht ein, die sich zwischen der Anode und der Kathode erstreckt und geladene Ionen beinhaltet, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen. Die geladenen Ionen können negativ geladene Ionen, wie beispielsweise Fluor, Chlor, Brom oder Iod, einschließen. Das Halbleitermaterial kann einen Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter beinhalten. Das elektronische Bauelement kann eine Schottky-Diode sein.
2 stellt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements in Form eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit und genauer eines auf Galliumnitrid basierenden Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) 30 dar.
Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 30 weist ein Substrat 31, eine Galliumnitridschicht 32, die auf dem Substrat 31 angeordnet ist, und eine Aluminiumgalliumnitridschicht 33 auf, die auf der Galliumnitridschicht 32 angeordnet ist. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 30 weist ferner eine Source 34, ein Gate 35 und eine Drain 36 auf, die auf der Oberseite 41 der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 angeordnet sind. Das Gate 35 ist lateral zwischen der Source 34 und dem Drain 36 angeordnet. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 30 weist ferner eine dielektrische Schicht 37 auf, die sich zwischen der Source 34 und dem Gate 35 und zwischen dem Gate 35 und dem Drain 36 erstreckt, und die in Regionen zwischen der Source 34 und dem Gate 35 und zwischen dem Gate 35 und dem Drain 36 auf der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 positioniert ist. In der Region der dielektrischen Schicht 37, die sich zwischen dem Gate 35 und dem Drain 36 erstreckt, weist die dielektrische Schicht 37 ferner geladene Ionen 38 mit einem vorgegebenen Ladungsprofil auf.
Die Galliumnitridschicht 32 kann als Kanalschicht beschrieben werden, und die Aluminiumgalliumnitridschicht 33 kann als Barriereschicht beschrieben werden. Ein zweidimensionales Gas 39 kann durch spontane Polarisation oder durch piezoelektrische Polarisation an der Grenzfläche 40 zwischen der Galliumnitridschicht 32 und der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 in der Galliumnitridschicht 32 ausgebildet werden. Das Gate 35 kann ein Schottky-Gate sein, und die Source 34 und das Drain 36 können in ohmschem Kontakt mit der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 stehen.
Die geladenen Ionen 38 können durch Implantation in die dielektrische Schicht 37 eingeführt werden, die sich zwischen dem Gate 35 und dem Drain 36 erstreckt. Diese geladenen Ionen werden in der dielektrischen Schicht 37 festgehalten und sind nicht mobil.
Wie hierin verwendet, beinhaltet ein vorgegebenes Ladungsprofil die dreidimensionale Form der geladenen Ionen, beispielsweise ihre Position innerhalb der dielektrischen Schicht 37, ebenso wie ihre Ladungsdichte innerhalb der dielektrischen Schicht. Geladene Ionen können negativ geladene Ionen beinhalten, beispielsweise Fluor, Chlor, Brom und/oder Iod. Negativ geladene Ionen können auch durch Einführen von Aluminium in ein geeignetes dielektrisches Material, wie beispielsweise SiO_x, gebildet werden. Die negativ geladenen Ionen können in der dielektrischen Schicht enthalten sein, um die Verteilung des elektrischen Feldes zwischen dem Gate und dem Drain zu formen. Zum Beispiel können die negativ geladenen Ionen verwendet werden, um eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Feldes zwischen dem Gate und dem Drain zu schaffen.
Die dielektrische Schicht 37 kann Siliciumoxid einschließen. Das Substrat 31 kann Saphir oder Siliciumcarbid und eine weitere Pufferschicht einschließen, die zwischen dem Saphir oder Siliciumcarbid und der Galliumnitridschicht 32 angeordnet ist. Die Pufferschicht kann verwendet werden, um eine Gitterfehlanpassung zwischen der Galliumnitridschicht und dem Substrat 31 zu überwinden.
3 stellt einen auf Galliumnitrid basierenden HEMT 50 gemäß einer Ausführungsform dar. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 50 beinhaltet ein Substrat 51, bei dem es sich um Saphir oder um Siliciumcarbid handeln kann, eine Pufferschicht 52, die auf dem Substrat 51 angeordnet ist, eine Kanalschicht 53, die auf der Pufferschicht 52 angeordnet ist, und eine Barriereschicht 54, die auf der Kanalschicht 53 angeordnet ist, und eine Galliumnitrid-Deckschicht 55, die auf der Barriereschicht 54 angeordnet ist. Die Kanalschicht 53 enthält Galliumnitrid und die Barriereschicht 54 enthält Aluminiumgalliumnitrid. Die Galliumnitrid-Deckschicht 55 kann als Schutzschicht verwendet werden, insbesondere um die darunter liegende Barriereschicht 54 aus Aluminiumgalliumnitrid zu schützen.
Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 50 weist ferner eine Source 56 auf, die sich von einer äußersten Oberfläche durch die Galliumnitrid- Deckschicht 55 und die Aluminiumgalliumnitrid-Barriereschicht 54 zur Galliumnitrid-Deckschicht 53 erstreckt. Ein Drain 57 erstreckt sich ebenfalls durch die Galliumnitrid-Deckschicht 55 und die Aluminiumgalliumnitrid-Barriereschicht 54 zur Kanalschicht 53. In dieser Ausführungsform stehen die Source 56 und das Drain 57 in direktem Kontakt mit dem Galliumnitrid der Kanalschicht 53, in der das zweidimensionale Gas 58 durch spontane Polarisation oder piezoelektrische Polarisation an der Grenzfläche 59 zwischen der Galliumnitrid-Deckschicht 55 und der darüber liegenden Aluminiumgalliumnitrid-Barriereschicht 54 ausgebildet wird.
Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 50 weist ferner ein Gate 60 auf, das ein Gate-Dielektrikum 61 einschließt. Das Gate-Dielektrikum 61 ist auf der Galliumnitrid-Deckschicht 55 positioniert, und das Gate 60 ist auf dem Gate-Dielektrikum 61 positioniert, so dass das Gate 60 mit seinem Gate-Dielektrikum 61 lateral zwischen der Source 56 und dem Drain 57 positioniert ist. Das Gate-Dielektrikum 61 kann ein Oxid beinhalten. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 50 beinhaltet eine dielektrische Schicht 62, die eine Isolierschicht 63 beinhaltet, die auf der Galliumnitrid-Deckschicht 55 positioniert ist und die sich zwischen der Source 56 und dem Gate 60 und zwischen dem Gate 60 und dem Drain 57 erstreckt. Die dielektrische Schicht 62 beinhaltet außerdem eine Passivierungsschicht 64, die auf der Isolierschicht angeordnet ist, die auch die Isolierschicht 63 bedeckt und die sich zwischen der Source 56 und dem Gate 60 und zwischen dem Gate 60 und dem Drain 57 erstreckt.
Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 50 weist ferner geladene Ionen 65 auf, die in dem Abschnitt der dielektrischen Schicht 62, der sich zwischen dem Gate 60 und dem Drain 57 erstreckt, sowohl in der Isolierschicht 63 als auch in der Passivierungsschicht 64 positioniert sind. Die geladenen Ionen 65 weisen ein vorgegebenes Ladungsprofil mit einer dreidimensionalen Form und einer Ladungsdichte auf, mit denen das vorgegebene Ladungsprofil die Verteilung eines elektrischen Feldes zwischen dem Gate 60 und dem Drain 57 formt. Zum Beispiel kann die Formung der Verteilung des elektrischen Feldes zwischen dem Gate 60 und dem Drain 57 zu einer gleichmäßigeren Verteilung des elektrischen Feldes führen.
Negativ geladene Ionen in einer dielektrischen Schicht, die Siliciumoxid einschließt, können durch Aufnehmen von z. B. Al erzeugt werden, womit Ladungskonzentrationen in der Größenordnung von 5 e12/cm2 erreicht werden können. Die Al-Konzentration in der Siliciumdioxidmatrix der dielektrischen Schicht kann im Bereich von 1 e17/cm3 bis mehreren 1 e20/cm3 liegen.
Die Anordnung der negativ geladenen Ionen in der dielektrischen Schicht, die sich zwischen dem Gate und dem Drain erstreckt, kann verwendet werden, um eine Reduzierung des elektrischen Feldes am Rand des Gates zu erreichen. Wenn die elektrischen Felder an der GaN-Grenzfläche schwach sind, kann dies dazu beitragen, dynamische RDSON-Effekte zu vermeiden. Ferner kann die Reduzierung des elektrischen Feldes in der dielektrischen Schicht dazu beitragen, die Zuverlässigkeit zu erhöhen, zum Beispiel Zuverlässigkeitskriterien in Bezug auf Standzeitanforderungen.
Die negativ geladenen Ionen, die in der dielektrischen Schicht festgehalten werden, können auch an Positionen außerhalb des Gates verwendet werden, um zusätzliche Feldplatten zu liefern, oder sie können zusätzliche Feldplatten ersetzen. Mit dieser Technik können die Ladungen sehr nahe an die Region der Kanalschicht gebracht werden, welche das zweidimensionale Gas trägt, wo die größte Wirkung auf die Umverteilung des elektrischen Feldes in der dielektrischen Schicht und der Kanalschicht erreicht werden kann.
Die geladenen Ionen 26, 38 und 65, die in den in 1 bis 3 dargestellten elektronischen Bauelementen enthalten sind, können positiv geladene Ionen oder negativ geladene Ionen oder eine Mischung aus negativ geladenen Ionen und positiv geladenen Ionen beinhalten. Die geladenen Ionen weisen eine dreidimensionale Form und eine Ladungsdichte innerhalb der dielektrischen Schicht auf, die ein vorgegebenes Ladungsprofil zum Formen der Verteilung des elektrischen Feldes zwischen dem jeweiligen Gate und dem jeweiligen Drain der elektronischen Bauelemente schafft. Das vorgegebene Ladungsprofil kann verschiedene Formen aufweisen. Beispiele für mögliche vorgegebene Ladungsprofile sind in 4 bis 11 dargestellt.
In 4 bis 11 ist jeweils ein Abschnitt eines Transistorbauelements 70 dargestellt, der ein Gate 71 und ein Drain 72 aufweist, die auf einer Oberfläche 73 einer Halbleiterschicht 74 angeordnet sind. Eine dielektrische Schicht 75 ist auf der Oberfläche 73 positioniert und erstreckt sich zwischen dem Gate 71 und dem Drain 72. Die Halbleiterschicht 74 ist in der Regel eine von mehreren Halbleiterschichten, die auf einem Substrat 76 angeordnet sind. In weiteren Ausführungsformen kann das Drain 72 durch eine Source ersetzt sein.
Bei dem in 4 dargestellten Beispiel, das zur Erläuterung dient, sind die geladenen Ionen 77 negativ geladene Ionen und sind durch „-“ bezeichnet. Die negativ geladenen Ionen sind in einer einzelnen Schicht 78 parallel zur Oberseite 73 der Halbleiterschicht 74 angeordnet. Die Schicht aus negativ geladenen Ionen kann sich vom Gate 71 zum Drain 72 erstrecken oder kann einen lateralen Verlauf haben, so dass sie durch einen Abschnitt der dielektrischen Schicht 75 verschieden weit vom Gate 71 und vom Drain 72 beabstandet ist.
5 stellt eine weitere Anordnung der geladenen Ionen 79 zwischen dem Gate 71 und dem Drain 72 dar. In dieser Ausführungsform weist die dielektrische Schicht 75 positiv geladene Ionen auf, die in 5 durch „+“ bezeichnet sind. Die positiv geladenen Ionen sind in einer einzelnen Schicht 80 angeordnet, die im Allgemeinen im Wesentlichen parallel ist zur Oberseite 73 der Halbleiterschicht 74 und die sich vom Gate 71 zum Drain 72 erstreckt.
Für die Erzeugung positiver Ladungen können in der Regel Na, K oder andere Alkali- und Erdalkalimetalle verwendet werden, die in Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid eingebettet sind. Die geladenen Ionen können in tiefen Fallen im Oxid festgehalten werden, was bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur und während des Betriebs eines elektronischen Bauelements zu einer hohen Energiebarriere für Träger führt.
6 zeigt ein weiteres zur Erläuterung dienendes Beispiel einer Anordnung geladener Ionen 81 innerhalb der dielektrischen Schicht 75 dar. Bei dieser Anordnung sind die geladenen Ionen 81 negativ geladene Ionen und werden in 6 mit „-“ bezeichnet. In dieser Ausführungsform weisen die geladenen Ionen ein vorgegebenes Ladungsprofil 82 auf, das schräg verläuft und das in einer Richtung vom Gate 71 zum Drain 72 zunimmt. Die Höhe der geladenen Ionen 81 über der Oberfläche 73 der Halbleiterschicht 74 nimmt in der Richtung vom Gate 71 zum Drain 72 zu, um das schräge vorgegebene Ladungsprofil zu bilden.
Das Ladungsprofil kann schräg sein, so dass das vorgegebene Ladungsprofil 82 auf lineare Weise vom Gate 71 zum Drain 72 zunimmt. Jedoch kann die Form der Schräge vom Gate 71 zum Drain 72 auch andere Formen aufweisen, wie eine gekrümmte Zunahme oder eine exponentielle Zunahme. Durch die schräge Ladungsverteilung kann eine verbesserte Homogenisierung des elektrischen Feldes erreicht werden.
7 zeigt ein weiteres zur Erläuterung dienendes Beispiel eines vorgegebenen Ladungsprofils 84, das negativ geladene Ionen 85 beinhaltet, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen, das vom Gate 71 zum Drain 72 in der dielektrischen Schicht 75 stufenweise ansteigt. Die Stufenform des vorgegebenen Ladungsprofils 84 kann durch Implantieren von Ionen in diskrete Abschnitte der dielektrischen Schicht 75 in unterschiedlichen Tiefen erzeugt werden. In dem in 7 dargestellten Beispiel sind drei Stufen 86 im vorgegebenen Ladungsprofil vorgesehen. Jedoch ist das gestufte vorgegebene Ladungsprofil nicht auf diese exakte Form beschränkt und kann zwei oder mehr als drei Stufen beinhalten.
8 zeigt ein weiteres vorgegebenes Ladungsprofil 87, das negativ geladene Ionen, die durch „-“ bezeichnet sind, und positiv geladene Ionen, die durch „+“ bezeichnet sind, aufweist. In dieser speziellen Ausführungsform ist eine erste Region 88 mit negativ geladenen Ionen angrenzend an das Gate 71 angeordnet, und eine zweite Region 89 mit negativ geladenen Ionen angrenzend an den Drain 72, und eine Region 90 mit positiv geladenen Ionen ist zwischen den beiden Regionen 88, 89 mit negativ geladenen Ionen angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die beiden Regionen 88, 89 mit negativ geladenen Ionen und die Region 90 mit positiv geladenen Ionen in einer gemeinsamen Schicht 91 angeordnet.
Wenn positiv geladene Ionen für die Passivierung zwischen dem Gate und der Drain-Region verwendet werden, kann dies dazu führen, dass das zweidimensionale Elektronengas, das sich unterhalb dieser Region befindet und positiv geladene Ionen enthält, erhöht wird (Ladungsneutralität) und der resultierende RON dementsprechend gesenkt wird. Eine Wirkung davon kann sein, dass es möglich ist, die Bauelementstruktur zu verkleinern.
Das elektrische Feld kann durch die Verwendung abwechselnder Regionen, die negativ geladene Ionen und positiv geladene Ionen enthalten, maßgeschneidert werden. Zum Beispiel kann das elektrische Feld in Regionen, wo das elektrische Feld weniger kritisch ist, durch die Anordnung positiv geladener Ionen in der dielektrischen Schicht, die zum unteren RON führt, erhöht werden. Negativ geladene Ionen können in Regionen mit stärkeren elektrischen Feldern, beispielsweise angrenzend an das Gate und angrenzend an das Drain, in die dielektrische Schicht eingebaut werden, um die entsprechenden elektrischen Felder zu erniedrigen, beispielsweise am Rand des Gates und des Drains. Diese Kombination kann verwendet werden, um ein maßgeschneidertes Bauelement zu schaffen, beispielsweise im Hinblick auf RON*A und Zuverlässigkeit des Bauelements.
9 zeigt ein weiteres vorgegebenes Ladungsprofil 91, das geladene Ionen mit einer Ladungsdichte beinhaltet. Die Ladungsdichte der geladenen Ionen nimmt in einer Richtung vom Gate 71 zum Drain 72 ab, wie in 9 durch die Linie 92 schematisch dargestellt ist. In der in 9 dargestellten Ausführungsform nimmt die Ladungsdichte auf lineare Weise vom Gate 71 zum Drain 72 ab.
10 zeigt ein weiteres vorgegebenes Ladungsprofil 93, das geladene Ionen mit einer Ladungsdichte beinhaltet. Die Ladungsdichte der geladenen Ionen nimmt in einer Richtung vom Gate 71 zum Drain 72 ab, wie in 10 durch die Linie 94 schematisch dargestellt ist. In der in 10 dargestellten Ausführungsform nimmt die Ladungsdichte vom Gate 71 zum Drain 72 stufenweise ab.
11 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektronischen Bauelements in Form eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit und genauer eines auf Galliumnitrid basierenden Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) 100.
Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 100 weist ein Substrat 101, eine Galliumnitridschicht 102, die auf dem Substrat 101 angeordnet ist, und eine Aluminiumgalliumnitridschicht 103 auf, die auf der Galliumnitridschicht 102 angeordnet ist. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 100 weist ferner eine Source 104, ein Gate 105 und eine Drain 106 auf, die auf der Oberseite 111 der Aluminiumgalliumnitridschicht 103 angeordnet sind. Das Gate 105 ist lateral zwischen der Source 104 und dem Drain 106 angeordnet. Der auf Galliumnitrid basierende HEMT 100 weist ferner eine dielektrische Schicht 107 auf, die sich in einer ersten Region zwischen dem Gate 105 und dem Drain 106 erstreckt und die sich in einer zweiten Region zwischen der Source 104 und dem Gate 105 erstreckt. Die dielektrische Schicht 107 ist in Regionen zwischen der Source 104 und dem Gate 105 und zwischen dem Gate 105 und dem Drain 106 auf der Aluminiumgalliumnitridschicht 103 positioniert. Die dielektrische Schicht 107 weist ferner geladene Ionen 108 auf, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen. Die geladenen Ionen 108 sind in der dielektrischen Schicht 107 nicht nur in der ersten Region, die sich zwischen dem Gate 105 und dem Drain 106 erstreckt, sondern auch in den zweiten Regionen angeordnet, die sich zwischen dem Gate 105 und der Source 104 erstrecken. Die geladenen Ionen 108 werden in der dielektrischen Schicht 107 festgehalten und sind nicht mobil.
Wie hierin verwendet, beinhaltet ein vorgegebenes Ladungsprofil die dreidimensionale Form der geladenen Ionen 108, beispielsweise ihre Position innerhalb der dielektrischen Schicht 107, ebenso wie ihre Ladungsdichte innerhalb der dielektrischen Schicht 107. Die Position der geladenen Ionen 108 innerhalb der dielektrischen Schicht 107 kann in einer Richtung vom Gate 105 zur Source 104 hin zunehmen und kann in einer Richtung vom Gate 105 zum Drain 106 hin zunehmen. Die Ladungsdichte der geladenen Ionen 108 innerhalb der dielektrischen Schicht 107 kann in einer Richtung vom Gate 105 zur Source 104 hin abnehmen und kann in einer Richtung vom Gate 105 zum Drain 106 hin abnehmen.
Die Galliumnitridschicht 102 kann als Kanalschicht beschrieben werden, und die Aluminiumgalliumnitridschicht 103 kann als Barriereschicht beschrieben werden. Ein zweidimensionales Gas 109 kann durch spontane Polarisation oder durch piezoelektrische Polarisation an der Grenzfläche 110 zwischen der Galliumnitridschicht 102 und der Aluminiumgalliumnitridschicht 103 in der Galliumnitridschicht 102 ausgebildet werden. Die Source 104 und das Drain 106 können in ohmschem Kontakt mit der Aluminiumgalliumnitridschicht 103 stehen. Das Gate 105 beinhaltet ein Gate- Dielektrikum 112, das zwischen dem Gate 105 und der Aluminiumgalliumnitridschicht 103 positioniert ist. Geladene Ionen 108 können auch in dem Gate-Dielektrikum 112 positioniert sein.
Die Verwendung der dielektrischen Schicht, die sich zwischen zwei Elektroden erstreckt, beispielsweise als Gate und als Drain oder als Gate und als Source, und die geladene Ionen enthält, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen, kann auch für andere Arten von elektronischen Bauelementen verwendet werden und ist nicht auf eine Transistorbauelement oder eine Transistorbauelement mit hoher Elektronenbeweglichkeit beschränkt.
12 zeigt ein zur Erläuterung dienendes elektronisches Bauelement 120, das eine Diode beinhaltet, genauer eine Schottky-Diode 121. Das elektronische Bauelement 120 weist eine Schicht aus Halbleitermaterial 122 mit einer Oberfläche 123, eine Anode 124 und eine Kathode 125, die auf der Oberfläche 123 angeordnet sind, auf. Eine dielektrische Schicht 126 erstreckt sich zwischen der Anode 124 und der Kathode 125. Die dielektrische Schicht 126 schließt geladene Ionen 127 ein, die ein vorgegebenes Ladungsprofil 108 aufweisen.
Die geladenen Ionen 127 können negativ geladene Ionen sein, beispielsweise Fluor, Chlor, Brom und/oder Iod. Die Schicht aus Halbleitermaterial 122 kann einen Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter, beispielsweise einen auf Galliumnitrid basierenden Halbleiter einschließen. Das vorgegebene Ladungsprofil 128 der geladenen Ionen 127 kann irgendeine von den in 4 bis 11 dargestellten Formen aufweisen. Die dielektrische Schicht 25 kann Siliciumnitrid, Silciumoxid und/oder Siliciumoxynitrid sein. Die dielektrische Schicht 126 ist nicht auf eine einzelne Schicht beschränkt, sondern kann zwei oder mehr Schichten einschließen, beispielsweise eine Isolierschicht und eine Passivierungsschicht, die auf der Isolierschicht positioniert ist.
Begriffe, die eine räumliche Beziehung ausdrücken, wie „unter“, „unterhalb“, „unterer, untere, unteres“, „über“, „oberer, obere, oberes“ und dergleichen, werden verwendet, um die Beschreibung zu vereinfachen und um die Positionierung eines Elements in Bezug auf ein zweites Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen des Bauelement zusätzlich zu den unterschiedlichen Ausrichtungen, die in den Figuren dargestellt sind, umfassen.
Ferner werden die Begriffe „erster, erste, erstes“, „zweiter, zweite, zweites“ und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Abschnitte usw. zu beschreiben und sollen auch nicht beschränkend sein. Gleiche Begriffe bezeichnen gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung.
Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassen“ und dergleichen offene Begriffe, die angeben, dass die angegebenen Elemente oder Merkmale vorhanden sind, die aber nicht ausschließen, dass andere Elemente oder Merkmale ebenfalls vorhanden sind. Die Artikel „einer, eine, eines“ und „der, die, das“ sollen den Plural ebenso wie den Singular einschließen, wenn der Kontext nicht ausdrücklich etwas anderes angibt.

Claims

Elektronisches Bauelement, umfassend: - eine Halbleiterschicht (21; 33; 55; 74; 103) mit einer Oberfläche (22; 41; 73; 111); - ein Gate (23; 35; 60; 71; 105) und eine erste Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) auf der Oberfläche (22; 41; 73; 111); und - eine dielektrische Schicht (25; 37; 62; 75; 107), die sich zwischen dem Gate (23; 35; 60; 71; 105) und der ersten Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) erstreckt und geladene Ionen (26; 38; 65; 79; 108) umfasst, die ein vorgegebenes Ladungsprofil aufweisen, wobei die geladenen Ionen (26; 38; 65; 79; 108) positiv geladene Ionen umfassen und die positiv geladenen Ionen mindestens eines von Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca) umfassen.
Elektronisches Bauelement, umfassend: - eine Halbleiterschicht (74) mit einer Oberfläche (73); - ein Gate (71) und eine erste Lastelektrode (72) auf der Oberfläche (73); und - eine dielektrische Schicht (75), die sich zwischen dem Gate (71) und der ersten Lastelektrode (72) erstreckt und geladene Ionen umfasst, die ein vorgegebenes Ladungsprofil (94) aufweisen, wobei das vorgegebene Ladungsprofil (94) einen vorgegebenen Ladungsdichtegradienten aufweist und der Ladungsdichtegradient in der Richtung vom Gate (71) zur ersten Lastelektrode (72) stufenweise sinkt.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die geladenen Ionen (65) an verschiedenen vertikalen Positionen innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet (62) sind.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Ladungsprofil eine Ladungsdichte aufweist, die in einer Richtung vom Gate (71) zur ersten Lastelektrode (72) variiert.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die geladenen Ionen (26; 38; 65; 79; 108) nur in der dielektrischen Schicht positioniert sind, die sich zwischen dem Gate (23; 35; 60; 71; 105) und der ersten Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) erstreckt.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, wobei die geladenen Ionen negativ geladene Ionen umfassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 6, wobei die negativ geladenen Ionen mindestens eines von Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I), Aluminium (Al) umfassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, wobei die geladenen Ionen positiv geladene Ionen umfassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 8, wobei die positiv geladenen Ionen mindestens eines von Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca) umfassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die geladenen Ionen negativ geladene Ionen und positiv geladene Ionen umfassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Schicht (25; 37; 62; 75; 107) mindestens eines von Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxynitrid umfasst.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Schicht (62) eine Isolierschicht (63) und eine Passivierungsschicht (64) auf der Isolierschicht (63) umfasst.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 12, wobei die geladenen Ionen (65) in mindestens einer von der Isolierschicht (63) und der Passivierungsschicht (64) angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Ladungsprofil ein schräg verlaufendes Profil (92) ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Ladungsprofil einen vorgegebenen Ladungsdichtegradienten aufweist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei der Ladungsdichtegradient in einer Richtung vom Gate zur ersten Lastelektrode sinkt.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei der Ladungsdichtegradient (94) in der Richtung vom Gate (71) zur ersten Lastelektrode (72) stufenweise sinkt.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Lastelektrode (24; 36; 57; 72; 106) ein Source oder ein Drain ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine zweite Lastelektrode (104) und eine weitere dielektrische Schicht (107) umfasst, die sich zwischen dem Gate (105) und der zweiten Lastelektrode (104) erstreckt, wobei die weitere dielektrische Schicht (107) geladene Ionen mit einem vorgegebenen Ladungsprofil umfasst.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauelement ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiterschicht (21; 33; 55; 74; 103) eine Verbindungshalbleiterschicht, eine Gruppe-III-V-Halbleiterschicht oder eine Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterschicht ist.