DE102018115224A1 - Hableitertransistorbauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitertransistorbauelement (1, 2) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (10, 11, 20, 21, 22) mit einem Gatekontakt (17, 27), enthaltend eine p-leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (15, 23), aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×10cm.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein selbstsperrendes Hableitertransistorbauelement oder Halbleitertransistorbauelementmodul im System AlxGayIn1-x-yN, mit 0 ≤ x,y ≤ 1, x+y ≤ 1.
  • Gruppe-III-Nitrid basierte Transistoren werden für Hochfrequenzanwendungen bis in den Bereich von 100 GHz sowie als Leistungsbauelemente, insbesondere für Schaltnetzteile eingesetzt. Dabei werden auf Systemseite Transistoren bevorzugt, welche selbstsperrend sind und im Fall eines Defekts keinen Strom durchlassen. Im System der Gruppe-III-Nitride ist dies jedoch bis heute ein nur unbefriedigend gelöstes Problem. Derzeit wird entweder lokal die aktive Schicht unter dem Gatekontakt teilweise oder ganz entfernt, eine p-GaN Schicht aufgebracht oder das selbstsperrende Verhalten mittels einer aufwendigeren elektronischen Schaltung realisiert. Prinzipiell ist das Konzept der p-leitenden GaN Schicht einfach, hier werden die Elektronen im Kanal durch das Feld der unter dem Gate befindlichen Schicht verdrängt und durch Anlegen einer Spannung kann dieses geschaltet werden.
  • Jedoch sind die Löcherkonzentrationen im p-GaN mit Werten unter 1018 cm-3 recht niedrig und das sperrende Verhalten der damit realisierten Bauelemente oft unbefriedigend.
  • Dies wird nun erfindungsgemäß für ein Halbleitertransistorbauelement (1, 2) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (10, 11, 20, 21, 22) mit einem Gatekontakt (17, 27), enthaltend eine p-leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (15, 23), aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1018 cm-3 gelöst. Dazu werden Chalkogenide als zweites Materialsystem (15, 23) oder Metallhalogenide als zweites Materialsystem (15, 23) eingesetzt.
  • In diesen Materialsystemen weisen viele Verbindungen Löcherkonzentrationen deutlich über 1019 cm-3 auf, wobei grundsätzlich schon Werte etwas über denen des GaN:Mg für eine erfindungsgemäße Funktion ausreichen.
  • Diese Materialien können einfach z. B. durch Gasphasendeposition, Sputtern, oder Umwandeln im Dampf, wie z. B. Cu durch loddampf zu CuI wird, realisiert werden. Prinzipiell sind viele Verfahren möglich auch aus Lösungen können diese Verbindungen teilweise aufgebracht werden.
  • Durch die Wahl des Stoffes und seiner Komposition lässt sich bei vielen dieser Materialien die Bandlückenenergie aber auch der Bandoffset zu den Bändern des GaN einstellen. Damit lässt sich das elektrische Verhalten dieser Schicht unter einem metallischen Gatekontakt bzw. direkt als Gatekontakt beeinflussen.
  • Vorteilhafterweise ist das zweite Materialsystem (15, 23) in dem Bauelement durch Chalkogenide ausgebildet.
  • Nach einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung ist das Bauelement (1, 2) durch Metallhalogenide als zweites Materialsystem (15, 23) gekennzeichnet.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Bauelement (1, 2), gekennzeichnet ist durch die Auslegung des Bauelements (1) als horizontaler Feldeffekttransistor oder die Auslegung des Bauelements (2) als vertikale Transistorstruktur. Es handelt sich hierbei um eine horizontale oder vertikale Ausrichtung zum Substrat, also parallel dazu oder senkrecht dazu.
  • Vorgeschlagen wird ein Bauelementemodul, umfassend zumindest ein Bauelement (1, 2).
  • Als Materialien eignen sich p-leitende Oxide und Chalkopyrite die ausreichend hohe Löcherkonzentrationen erzielen. Ausreichend sind Werte von ≥ 1019 cm-3. Neben diesen beiden Stoffgruppen gehören auch p-leitende Metallhalogenide wie das CuI oder AgI bzw. Legierungen davon dazu. Von den Oxiden sind insbesondere, aber nicht ausschließlich interessant, ZnRh2O4, CuAlO2, SrCu2O2, SrCrO3, CuxCr1-xMgO2, La0.5Sr0.5CrO3, Ca3Co4O9, CuScO2+x, ZnRhO4, CuY1-xCaxO3, AgCoO2, MgxCr2-xO3, CuGaO2. Ag(In,Ga,Al)O2, Agx(In,Ga,Al)2-xO3 sowie Legierungen dieser Stoffe. Ebenfalls zählen dazu p-leitende Verbindungen im System (Cu,Ag)(Al, In,Ga)(S, Se, O)2.
  • Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele und die Beschreibung der zugehörigen Figuren von erfindungsgemäßen Feldeffekttransistoren aufgeführt.
  • 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine mögliche Auslegung des Bauelements (1) als horizontaler Feldeffekttransistor. Dabei handelt es sich um ein Bauelement mit Stromfluss parallel zum Substrat auf das die Schichtenfolge aufgewachsen wurde. Im System der Gruppe-III-Nitride ist dies die derzeit gebräuchlichste Ausführungsform. 10 ist der Puffer, der mehrere Schichten enthalten kann, die auch durch einen Dotanden wie z. B. C kompensiert sein können. 11 ist eine Schicht im System AlGalnN. Durch die Unterschiede in den Piezofeldern der Schichten 10 und 11 entsteht an der Grenzfläche der beiden im GaN ein zweidimensionales Elektronengas 12 welches als stromleitender Kanal wesentlich für die Funktion des Transistors ist.
  • Auf der Struktur befinden sich nun zwei Kontakte 13 und 14 für Source und Drain. Zwischen diesen liegt eine Spannung an wodurch Strom fließen kann, symbolisiert durch den horizontalen Pfeil 18. Wird nun ein Gate bestehend aus dem meist metallischen Gatekontakt 16 und dem zweiten Material 15 aufgebracht, so tritt durch die positive Ladung der Schicht 15 im darunter befindlichen Bereich eine Verarmung an Elektronen auf. Der Widerstand im Kanal steigt und es fließt im besten Fall nur noch ein um mehrere Größenordnungen reduzierter Strom. Der Kontakt 16 dient dazu ein Potential zwischen Gate und Source anzulegen und die positive Ladung in der Schicht 15 abzubauen wodurch die Elektronenverarmung unter der Schicht 15 zurückgeht und der Strom ansteigt.
  • Liegt keine Spannung am Kontakt 16 an, so ist der Strom so gering, dass der Transistor als abgeschnürt gilt. Dadurch ist er eigensicher gegenüber dem Ausfall anderer Bauteile. Als Gatekontakt (17) wird hier die Gesamtheit des eigentlichen Kontakts 16 und der zweiten Schicht 15 betrachtet wobei prinzipiell noch weitere dünne Schichten z. B. zur Isolation wie SiO2 oder SiN eingebracht werden können. Dünn bedeutet dabei zwischen 2 und 50 nm Dicke für diese optionalen zusätzlichen Schichten.
  • 2 zeigt im Querschnitt schematisch eine mögliche Auslegung des Bauelements (2) als vertikale Transistorstruktur. Dabei handelt es sich um ein Bauelement mit Stromfluss senkrecht zum Substrat auf das die Schichtenfolge aufgewachsen wurde.
  • Sofern das Substrat nicht entfernt wurde kann der Stromfluss durch dieses hindurch gehen, oder alternativ oberhalb dessen durch einen seitlichen Kontakt abgeführt werden wie z. B. in Yuhao Zhang, Daniel Piedra, Min Sun, Jonas Hennig, Armin Dadgar, Lili Yu, and Tomas Palacios, High-Performance 500 V Quasi- and Fully-Vertical GaN-on-Si pn Diodes, IEEE Electron Device Letters 38, 248 (2017) gezeigt. In 2 ist 20 der Puffer, der in der gezeigten Ausführung hoch leitfähig ist und unten einen Drainkontakt 25 aufweist.
  • Auf dem Puffer ist eine niedrig n-leitende Schicht 21 mit ideal hoher Ladungsträgermobilität und hoher Kristallqualität. Darüber befindet sich die hoch elektronenleitende Schicht 22 auf der der Sourcekontakt 24 sitzt.
  • Zur Regelung des vertikalen, durch den Pfeil 28 angedeuteten Stromflusses zwischen Source und Drain sind nun Gatekontakte 27 angebracht bestehend aus der Kontaktierungsschicht 26 und der erfindungsgemäßen Schicht 23. Durch die positive Ladung der Schichten 23 verarmt zwischen diesen Kontakten die Schicht 21 an Elektronen und der Widerstand im Kanal steigt, so dass der Stromfluss sinkt. Sofern der Abstand der Schichten 23 bzw. die Dicke der Schicht 21 nicht zu dick sind ist diese Schicht völlig an Ladungsträgern verarmt und sperrend. Die mögliche Dicke ist dabei abhängig von der Ladungsträgerkonzentration und der sich ausbildenden Raumladungszone in diesen Schichten 21 und 23. Legt man zwischen Gatekontakt 27 und Source eine Spannung an, so lässt sich die Ladung in Schicht 23 verarmen und der Kanal in Schicht 21 wird leitfähiger wodurch der Strom zwischen Sourcekontakt 24 und Drainkontakt 25 steigt.
  • Die erfindungsgemäßen Schichten lassen sich auch in anderen Bauelementtypen wie z. B. MOSFETs, MESFETs oder bei Schichten mit anderer Reihenfolge anwenden so lange der Kanal elektronenleitend ist und dementsprechend durch eine p-leitende Schicht bzw. den Ladungsträgereinfang selbiger, in der Leitfähigkeit verändert werden kann. Zwischen der erfindungsgemäßen Schicht und der Bauelementstruktur sowie einer metallischen Gatekontaktierung können auch weitere Schichten eingefügt sein, die leitfähig oder isolierend sein können.

Claims (6)

  1. Halbleitertransistorbauelement (1, 2) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (10, 11, 20, 21, 22) mit einem Gatekontakt (17, 27), enthaltend eine p-leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (15, 23), aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1018 cm-3.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Chalkogenide als zweites Materialsystem (15, 23).
  3. Bauelement (1, 2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Metallhalogenide als zweites Materialsystem (15, 23).
  4. Bauelement (1, 2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Auslegung des Bauelements (1) als horizontaler Feldeffekttransistor.
  5. Bauelement (1, 2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Auslegung des Bauelements (2) als vertikale Transistorstruktur.
  6. Bauelementemodul, umfassend zumindest ein Bauelement (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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