DE102022104563A1

DE102022104563A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleiterstruktur und halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE102022104563A1
Application number: DE102022104563.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ploessl; Adrian Stefan Avramescu
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31
Also published as: WO2023160845A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit folgenden Schritten angegeben:
- epitaktisches Abscheiden einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) mit zumindest einer p-dotierten Halbleiterschicht (2), die einen p-Dotierstoff (26) und einen Passivierungsstoff (3) umfasst,
- nasschemisches Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1), so dass Entgasungskanäle (4) entlang von Kristalldefekten (5) in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) von einer Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht (2) gebildet werden,
- Austreiben des Passivierungsstoffes (3) aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) durch die Entgasungskanäle (4).
Des Weiteren wird eine Halbleiterstruktur angegeben.

Description

Es werden ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur und eine Halbleiterstruktur angegeben.
Es soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur angegeben werden, bei dem insbesondere ein Passivierungsstoff aus der Halbleiterstruktur ausgetrieben wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 gelöst.
Des Weiteren soll eine verbesserte Halbleiterstruktur angegeben werden, bei der insbesondere ein Passivierungsstoff aus der Halbleiterstruktur ausgetrieben ist. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Halbleiterstruktur sowie des Verfahrens zur Herstellung der Halbleiterstruktur sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur wird zunächst eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer p-dotierten Halbleiterschicht, die einen p-Dotierstoff und einen Passivierungsstoff umfasst, epitaktisch abgeschieden. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge wird bevorzugt durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD) auf einem Wachstumssubstrat epitaktisch aufgewachsen.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge weist bevorzugt ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf oder besteht aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff „III/V-Verbindungshalbleitermaterial“ die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise ein Nitridverbindungshalbleitermaterial.
Nitridverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1. Beispielsweise ist Galliumnitrid mit x=y=0 ein Material aus diesem System.
Solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Beim epitaktischen Aufwachsen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge lässt sich ein Ausbilden von Kristalldefekten nicht oder nur schwer vermeiden. Beispielsweise führt eine fehlende Gitteranpassung zwischen dem Wachstumssubstrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zu Verspannungen in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Diese Verspannungen können sich durch eine zufällige Ausbildung von Kristalldefekten während des epitaktischen Aufwachsens zumindest teilweise lösen. Beispielsweise entstehen während des epitaktischen Aufwachsens Fadenversetzungen als Kristalldefekte in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Fadenversetzungen werden auch als Linienversetzungen bezeichnet. Eine Fadenversetzung ist eine Störung einer Periodizität des Kristallgitters der epitaktischen Hableiterschichtenfolge, die sich entlang einer Linie, die im Folgenden als Versetzungslinie bezeichnet wird, durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich die Versetzungslinie in einer Wachstumsrichtung durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge. Eine Anordnung der Kristalldefekte in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ist insbesondere zufällig.
Die Fadenversetzungen können beispielsweise eine Schraubenkomponente aufweisen oder als Schraubenversetzungen ausgebildet sein. Bei einer Schraubenversetzung sind von der Versetzungslinie geschnittene Kristallebenen schraubenförmig miteinander verbunden. Wird die Versetzungslinie zum Beispiel entlang einer senkrecht zur Versetzungslinie angeordneten Kristallebene umrundet, so erfolgt eine Verschiebung in Richtung der Versetzungslinie. Die resultierende Verschiebung bei einer einmaligen Umrundung der Versetzungslinie entlang einer Kristallebene wird als Burgersvektor bezeichnet. Schraubenversetzungen sind Fadenversetzungen, die durch einen parallel zur Versetzungslinie liegenden Burgersvektor charakterisiert werden können. Im Gegensatz dazu steht der Burgersvektor bei Stufenversetzungen senkrecht zur Versetzungslinie. Fadenversetzungen mit einer Schraubenkomponente weisen einen Burgersvektor auf, der zumindest teilweise in Richtung der Versetzungslinie zeigt. Schraubenversetzungen und Fadenversetzungen mit einer Schraubenkomponente weisen insbesondere einen hohlen Kern auf.
Die p-dotierte Halbleiterschicht ist bevorzugt eine vergrabene Halbleiterschicht. Hier und im Folgenden wird eine Halbleiterschicht als „vergraben“ bezeichnet, wenn in der Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge über und unter der vergrabenen Halbleiterschicht jeweils zumindest eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist.
Der p-Dotierstoff dient als Elektronenakzeptor und wird während des epitaktischen Aufwachsens in die p-dotierte Halbleiterschicht eingebracht. Dabei erhöht der p-Dotierstoff eine Ladungsträgerdichte von frei beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht.
Der Passivierungsstoff besteht aus Fremdatomen, die insbesondere während des epitaktischen Aufwachsens nicht beabsichtigt in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eingebracht werden. Beispielsweise lässt sich ein Eintrag des Passivierungsstoffes in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge verfahrensbedingt nicht oder nur schwer vermeiden. Der Passivierungsstoff hat insbesondere eine kompensierende Wirkung auf den p-Dotierstoff in der p-dotierten Halbleiterschicht. Beispielsweise wirkt der Passivierungsstoff in der p-dotierten Halbleiterschicht als Elektronendonator und/oder bildet Bindungskomplexe mit dem p-Dotierstoff. Somit verringert der Passivierungsstoff die Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht. Insbesondere ist die Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht wegen des Passivierungsstoffes kleiner als die durch die nominelle Konzentration des p-Dotierstoffs erwartete Ladungsträgerdichte. Beispielsweise verringert der Passivierungsstoff die Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht um bis zu drei Größenordnungen, zum Beispiel um einen Faktor 5000.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge nasschemisch geätzt, so dass Entgasungskanäle entlang von Kristalldefekten in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge von einer Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht gebildet werden. Beim nasschemischen Ätzen wird ein flüssiges Ätzmittel auf die epitaktische Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge kann auch in ein flüssiges Ätzmittel eingetaucht werden. Das flüssige Ätzmittel, beispielsweise wässrige Lösungen von Salpetersäure oder Oxalsäure, ist dazu eingerichtet, Atome aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge herauszulösen und abzutransportieren.
Bevorzugt erfolgt das nasschemische Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge von einer Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, die dem Wachstumssubstrat abgewandt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge nach einem Ablösen des Wachstumssubstrats von einer Wachstumssubstratseite nasschemisch geätzt werden.
Das nasschemische Ätzen ist insbesondere dazu eingerichtet, die epitaktische Halbleiterschichtenfolge in der unmittelbaren Umgebung von vorhandenen Kristalldefekten in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zu ätzen. Das flüssige Ätzmittel kann beispielsweise entlang von Fadenversetzungen, die sich durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge erstrecken, in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eindringen und diese in unmittelbarer Umgebung der Fadenversetzungen zersetzen. Das flüssige Ätzmittel kann insbesondere in Fadenversetzungen eindringen, die eine Schraubenkomponente aufweisen oder als Schraubenversetzungen ausgebildet sind und somit einen hohlen Kern aufweisen.
Die Druckschrift Massabuau et al., APL Mater. 8, 031115 (2020) beschreibt Fadenversetzungen in Halbleiterschichten aus Galliumnitrid als Kanäle für flüssige Ätzmittel. Der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit durch Rückbezug mitaufgenommen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Passivierungsstoff durch die Entgasungskanäle aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ausgetrieben. Beispielsweise wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge ausgeheizt, so dass eine Diffusivität des Passivierungsstoffes in der p-dotierten Halbleiterschicht erhöht wird. Somit kann der Passivierungsstoff durch die Entgasungskanäle ausgasen und wird aus der p-dotierten Halbleiterschicht abtransportiert. Dabei kann ein geringer Anteil des Passivierungsstoffes in der p-dotierten Halbleiterschicht verbleiben. Durch das zumindest teilweise Austreiben des Passivierungsstoffes erhöht sich insbesondere die Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur folgende Schritte auf:

- epitaktisches Abscheiden der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge mit zumindest der p-dotierten Halbleiterschicht, die den p-Dotierstoff und den Passivierungsstoff umfasst,
- nasschemisches Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, so dass Entgasungskanäle entlang von Kristalldefekten in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge von der Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht gebildet werden,
- Austreiben des Passivierungsstoffes aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge durch die Entgasungskanäle.

Bevorzugt werden die oben angegebenen Schritte in der angeführten Reihenfolge ausgeführt.
Insbesondere beim epitaktischen Aufwachsen von p-dotierten Halbleiterschichten aus Galliumnitrid mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie wird Wasserstoff in die Halbleiterschicht mit eingebaut, der als Passivierungsstoff wirkt. Zu einer Aktivierung des p-Dotierstoffs muss daher der Wasserstoff aus der p-dotierten Halbleiterschicht ausgetrieben werden. Bei vergrabenen p-dotierten Halbleiterschichten aus Galliumnitrid ist das allerdings nur schwer möglich. Insbesondere kann der Wasserstoff nicht durch n-dotierte Halbleiterschichten ausgetrieben werden, die in der Wachstumsrichtung über oder unter der p-dotierten Halbleiterschicht angeordnet sind.
Beispielsweise kann der Wasserstoff durch laterale Diffusion entlang einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschicht ausgetrieben werden. Hier und im Folgenden bezeichnet „lateral“ eine Richtung senkrecht zu der Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Dies ist jedoch nur bei Halbleiterstrukturen mit einer geringen lateralen Ausdehnung von beispielsweise ungefähr 40 Mikrometern möglich, wie sie in der Druckschrift Wong et al., Appl. Phys. Express 14, 086502 (2021) beschrieben sind, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Insbesondere ist eine Prozesszeit zum Austreiben des Wasserstoffs proportional zu einer Diffusionslänge von Wasserstoff in der p-dotierten Halbleiterschicht und somit proportional zur lateralen Ausdehnung der Halbleiterstruktur.
Es können auch alternative Epitaxieverfahren zu MOCVD angewandt werden, beispielsweise Molekularstrahlepitaxie, um den Einbau von Wasserstoff zu minimieren. Dadurch gehen jedoch Produktionsvorteile von MOCVD verloren. Des Weiteren können beispielsweise Entgasungskanäle mittels fotolithografischer Verfahren in die Halbleiterstruktur geätzt werden. Die dabei erzeugten Entgasungskanäle weisen insbesondere große Durchmesser von mehreren hundert Nanometern auf. Zudem erzeugen die dafür benötigten reaktiven Ionenätzverfahren große Schäden an Seitenwänden der Entgasungskanäle.
Dem hier beschriebenen Verfahren liegt die Idee zugrunde, bereits vorhandene Fadenversetzungen in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge durch ein nasschemisches Ätzen schonend aufzuweiten. Dadurch entstehen Entgasungskanäle, über die sich der Wasserstoff nach dem epitaktischen Aufwachsen effizient abführen lässt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge ein Nitridverbindungshalbleitermaterial auf oder besteht aus einem Nitridverbindungshalbleitermaterial. Der p-Dotierstoff in der p-dotierten Halbleiterschicht ist beispielsweise Magnesium. Der Passivierungsstoff ist beispielsweise Wasserstoff, der verfahrensbedingt durch metallorganische Gasphasenepitaxie in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eingebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine n-dotierte Halbleiterschicht auf, die zwischen der p-dotierten Halbleiterschicht und der Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet wird. Die p-dotierte Halbleiterschicht ist insbesondere eine vergrabene Halbleiterschicht, über der in Wachstumsrichtung eine n-dotierte Halbleiterschicht angeordnet ist. Falls die Halbleiterschichtenfolge aus einem Nitridverbindungshalbleitermaterial besteht und der Passivierungsstoff Wasserstoff ist, kann der Wasserstoff insbesondere nicht durch die n-dotierte Halbleiterschicht hindurch ausgetrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Kristalldefekte während des epitaktischen Abscheidens als Fadenversetzungen in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge gebildet und weisen eine Haupterstreckungsrichtung auf, die der Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge entspricht. Die Fadenversetzung weist insbesondere eine Schraubenkomponente auf oder ist als Schraubenversetzung ausgebildet und weist einen hohlen Kern auf. Die Fadenversetzung setzt sich längs der Versetzungslinie in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge fort.
Die Fadenversetzung breitet sich insbesondere in der Wachstumsrichtung durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge aus. Die Fadenversetzung kann sich während des epitaktischen Aufwachsens der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge auch in einer lateralen Richtung durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge fortsetzen. Die Haupterstreckungsrichtung gibt somit eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung der Fadenversetzung an, wobei die Ausbreitungsrichtung der Fadenversetzung von der Haupterstreckungsrichtung in lateraler Richtung abweichen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die Fadenversetzungen als Schraubenversetzungen mit einem hohlen Kern ausgebildet. Insbesondere weisen die Fadenversetzungen eine Schraubenkomponente auf, wobei der Burgersvektor zumindest teilweise in Richtung der Versetzungslinie zeigt. Der Burgersvektor weist somit bevorzugt eine Komponente parallel zur Wachstumsrichtung auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem nasschemischen Ätzen um ein elektrochemisches Ätzverfahren, bei dem die Entgasungskanäle durch eine Aufweitung der Fadenversetzungen gebildet werden. Bei dem elektrochemischen Ätzverfahren wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge in ein flüssiges Ätzmittel eingebracht. Das flüssige Ätzmittel ist insbesondere eine Elektrolytlösung, die basisch, sauer oder neutral sein kann und zum Transport von elektrischen Ladungsträgern eingerichtet ist. Beispiele für flüssige Ätzmittel sind wässrige Lösungen von Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Salzsäure, Oxalsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Kleesäure, Bernsteinsäure oder eine Kochsalzlösung. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge wird bei dem elektrochemischen Ätzverfahren über einen elektrischen Kontakt mit einem Pol einer elektrischen Spannungsquelle verbunden, während ein entgegengesetzter Pol der elektrischen Spannungsquelle mit einer in das flüssige Ätzmittel eingebrachten inerten Elektrode verbunden wird. Die Elektrode umfasst beispielsweise Platin oder besteht aus Platin.
Eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge und der inerten Elektrode führt zu einem elektrischen Strom zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Elektrode, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge durch eine Kombination elektrischer und chemischer Prozesse zumindest teilweise zersetzt wird. Dabei ist eine Ätzrate beispielsweise von der angelegten elektrischen Spannungsdifferenz sowie von einer Dotierstoffkonzentration in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abhängig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge während des elektrochemischen Ätzens mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Die elektromagnetische Strahlung erzeugt insbesondere einen Fotostrom in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, der das elektrochemische Ätzen unterstützt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das elektrochemische Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge unter Lichtausschluß. In anderen Worten wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge während des elektrochemischen Ätzens nicht mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Somit entsteht kein zusätzlicher Fotostrom, der die Ätzrate beeinflusst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der p-Dotierstoff durch das Austreiben des Passivierungsstoffes aktiviert. Beispielsweise werden durch das Austreiben des Passivierungsstoffes Bindungskomplexe zwischen dem p-Dotierstoff und dem Passivierungsstoff aufgebrochen. Des Weiteren wird durch das Austreiben des Passivierungsstoffes eine Kompensation des p-Dotierstoffs verringert. Die Aktivierung des p-Dotierstoffs durch Austreiben des Passivierungsstoffs hat somit eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern in der p-dotierten Halbleiterschicht zur Folge.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge durch eine Oberfläche einer undotierten Deckschicht gebildet. In anderen Worten wird in einem letzten Schritt des epitaktischen Abscheidens der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eine undotierte Deckschicht epitaktisch aufgewachsen. Die undotierte Deckschicht ist insbesondere weitgehend inert gegenüber dem flüssigen Ätzmittel. Somit wird die Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge beim nasschemischen Ätzen durch die undotierte Deckschicht geschützt. Das flüssige Ätzmittel kann jedoch durch Fadenversetzungen, die sich auch durch die undotierte Deckschicht erstrecken, in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eindringen und die Fadenversetzungen zu Entgasungskanälen aufweiten.
Die undotierte Deckschicht kann nach dem nasschemischen Ätzen als Teil der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge verbleiben oder abgetragen werden. Zum Beispiel bildet die Deckschicht einen Schutz der Halbleiterschichtenfolge bei weiteren Verfahrensschritten. Bevorzugt wird die undotierte Deckschicht zumindest teilweise entfernt, bevor beispielsweise eine metallische Kontaktschicht auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Zum Beispiel wird die Deckschicht nass- oder trockenchemisch entfernt. Insbesondere ist ein trockenchemisches Entfernen der Deckschicht in-situ in einer epitaktischen Abscheideanlage möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Entgasungskanäle nach dem Austreiben des Passivierungsstoffes zumindest teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt. Zum Beispiel werden die Entgasungskanäle durch Atomlagenabscheidung oder durch Gasphasenabscheidung mit einem Dielektrikum, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, zumindest teilweise gefüllt und/oder zumindest teilweise verschlossen. Beispielsweise werden Wandungen, insbesondere Seitenwände, der Entgasungskanäle mit dem Dielektrikum ausgekleidet. Das Dielektrikum ist elektrisch isolierend und insbesondere zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen innerhalb der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eingerichtet, die beispielsweise von Verunreinigungen in den Entgasungskanälen hervorgerufen werden können.
Des Weiteren wird eine Halbleiterstruktur angegeben. Die Halbleiterstruktur ist insbesondere mit dem hier beschriebenen Verfahren herstellbar. Alle Merkmale des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur sind auch für die Halbleiterstruktur offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer p-dotierten Halbleiterschicht auf. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge umfasst bevorzugt ein Nitridverbindungshalbleitermaterial. Die p-dotierte Halbleiterschicht ist insbesondere eine vergrabene Halbleiterschicht. Bevorzugt ist der p-dotierten Halbleiterschicht eine n-dotierte Halbleiterschicht in Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge nachgeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur eine Vielzahl von Entgasungskanälen auf. Die Entgasungskanäle sind aufgeweitete Kristalldefekte. Die Kristalldefekte sind insbesondere Fadenversetzungen, die eine Schraubenkomponente aufweisen oder als Schraubenversetzungen ausgebildet sind und einen hohlen Kern aufweisen.
Die Entgasungskanäle erstrecken sich in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge von einer Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht. Eine Haupterstreckungsrichtung der Entgasungskanäle entspricht insbesondere der Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur die folgenden Merkmale auf:

- die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit der zumindest einen p-dotierten Halbleiterschicht,
- die Vielzahl von Entgasungskanälen, wobei

- die Entgasungskanäle aufgeweitete Kristalldefekte sind, und
- sich die Entgasungskanäle in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge von einer Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht erstrecken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht auf, die zur Erzeugung und/oder zur Absorption elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Die Halbleiterstruktur ist insbesondere eine optoelektronische Halbleiterstruktur. Beispielsweise ist die Halbleiterstruktur Teil einer lichtemittierenden Diode, einer Laserdiode, einer Fotodiode oder eines Fototransistors. Die Halbleiterstruktur ist insbesondere zur Erzeugung oder zur Absorption elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht eingerichtet.
Die aktive Schicht weist insbesondere einen pn-Übergang auf. Der pn-Übergang kann dabei als Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge Poren auf, die lateral um die Entgasungskanäle angeordnet sind. Bevorzugt ist eine Pore mit zumindest einem Entgasungskanal räumlich direkt verbunden. Die Poren erstrecken sich beispielsweise lateral polypenartig in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge um die Entgasungskanäle. Die Poren bilden sich insbesondere durch die Aufweitung der Kristalldefekte beim nasschemischen Ätzen einer dotierten Halbleiterschicht. Eine Porosität der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise durch geeignete Wahl von Verfahrensparametern, beispielsweise einer Temperatur und/oder einer Ätzdauer, während des nasschemischen Ätzens der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur durchdringen die Entgasungskanäle die p-dotierte Halbleiterschicht, bevorzugt vollständig. Entgasungskanäle, welche die p-dotierte Halbleiterschicht durchdringen, verbessern das Austreiben des Passivierungsstoffes aus der p-dotierten Halbleiterschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur bildet die p-dotierte Halbleiterschicht eine Schicht eines Tunnelüberganges. Insbesondere ist die p-dotierte Halbleiterschicht eine hochdotierte Halbleiterschicht, die eine Konzentration des p-Dotierstoffs von zumindest 10¹⁹ pro Kubikzentimeter aufweist. Der Tunnelübergang ist beispielsweise als Löcherinjektionsschicht eingerichtet, um einen hohen elektrischen Widerstand dicker p-dotierter Schichten in Nitridverbindungshalbleitermaterialien zu verringern. Der Tunnelübergang kann auch als anodenseitiger Metall-Halbleiter-Kontakt ausgebildet sein, um einen hohen Kontaktwiderstand zwischen einem Metall eines Anschlusskontaktes und einer p-dotierten Schicht eines Nitridverbindungshalbleitermaterials zu vermeiden. Des Weiteren kann der Tunnelübergang zur elektrischen Verbindung seriell gestapelter aktiver Schichten in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise einer lichtemittierenden Diode, eingerichtet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge zwei aktive Schichten zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf, zwischen denen der Tunnelübergang angeordnet ist. Somit kann beispielsweise eine Leuchtdichte einer lichtemittierenden Diode erhöht werden, ohne dass ein Betriebsstrom erhöht wird. Zur Stromversorgung einer solchen Halbleiterstruktur ist eine ungefähr doppelt so hohe Flussspannung wie im Fall einer einzelnen aktiven Schicht notwendig, wodurch sich ein Angebot passender Treiberbauelemente vorteilhaft vergrößert.
Die Halbleiterstruktur kann auch mehr als zwei aktive Schichten aufweisen, wobei zwischen zwei benachbarten aktiven Schichten jeweils ein Tunnelübergang angeordnet ist. Dabei können die aktiven Schichten zur Emission elektromagnetischer Strahlung in unterschiedlichen Spektralbereichen eingerichtet sein. Beispielsweise weist die Halbleiterstruktur drei aktive Schichten auf, die zur Emission elektromagnetischer Strahlung im blauen, grünen und roten Spektralbereich eingerichtet sind. Bevorzugt sind die aktiven Schichten unabhängig voneinander ansteuerbar. Somit ist die Halbleiterstruktur beispielsweise ein epitaktisch gestapeltes RGB-Pixel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weisen Entgasungskanäle im Bereich einer n-dotierten Halbleiterschicht des Tunnelübergangs eine größere laterale Ausdehnung auf als in der restlichen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere ist eine Porosität der n-dotierten Halbleiterschicht des Tunnelübergangs größer als in der restlichen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Wird eine elektrische Spannung an die Halbleiterstruktur angelegt, kommt es somit zu einer geometrischen Feldverstärkung des elektrischen Feldes in der n-dotierten Halbleiterschicht des Tunnelübergangs. Beispielsweise können durch die größere laterale Ausdehnung der Entgasungskanäle Spitzen in der n-dotierten Halbleiterschicht des Tunnelübergangs ausgebildet sein, an denen es zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes kommt. Dadurch wird insbesondere ein Tunneln von Elektronen am Tunnelübergang begünstigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur sind die Entgasungskanäle zumindest teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt. Das Dielektrikum weist beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid auf oder ist aus einem dieser Materialien gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weisen die Entgasungskanäle einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 250 Nanometer, bevorzugt zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 50 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 20 Nanometer auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur weisen die Entgasungskanäle eine Flächendichte zwischen einschließlich 10⁵ pro Quadratzentimeter und einschließlich 10⁸ pro Quadratzentimeter auf. Eine relativ hohe Flächendichte der Kristalldefekte und somit der Entgasungskanäle verringert eine Zeit, die zum Austreiben des Passivierungsstoffes benötigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens zur Herstellung der Halbleiterstruktur sowie der Halbleiterstruktur ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1 bis 7 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Stadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 8 bis 10 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Halbleiterstrukturen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
11 zeigt exemplarisch eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge.
12 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Schraubenversetzung.
13 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer Halbleiterstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 7 wird zunächst eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Wachstumssubstrat 13 epitaktisch aufgewachsen ( 1). Das Wachstumssubstrat 13 ist beispielsweise aus Saphir, Silizium, Galliumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid gebildet oder weist zumindest eines dieser Materialien auf. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 weist ein Nitridverbindungshalbleitermaterial und eine aktive Schicht 10 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Die Halbleiterstruktur ist beispielsweise Teil einer lichtemittierenden Diode oder einer Laserdiode.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 weist einen Tunnelübergang 12 auf, der der aktiven Schicht 10 in einer Wachstumsrichtung R der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 nachgeordnet ist. Der Tunnelübergang 12 umfasst eine n-dotierte Halbleiterschicht 7 sowie eine p-dotierte Halbleiterschicht 2, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht 2 der aktiven Schicht 10 zugewandt ist. Die dem Tunnelübergang 12 in Wachstumsrichtung R nachgeordnete Halbleiterschicht ist insbesondere eine n-dotierte Stromaufweitungsschicht 20. Die n-dotierte Stromaufweitungsschicht 20 ist beispielsweise eine n-dotierte Anodenkontaktschicht. Die Halbleiterschichten 2, 7 des Tunnelüberganges 12 sind hochdotiert und weisen eine Dotierstoffkonzentration von zumindest 10¹⁹ pro Kubikzentimeter auf. Im Vergleich zu einer Halbleiterstruktur ohne Tunnelübergang 12, die insbesondere eine p-dotierte Anodenkontaktschicht aufweist, weist die hier beschriebene Halbleiterstruktur mit einer n-dotierten Anodenkontaktschicht 20 vorteilhaft einen niedrigeren Kontaktwiderstand zu einem metallischen Anschlusskontakt auf.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 weist eine undotierte Deckschicht 8 auf, die als letzte Schicht in der Wachstumsrichtung R angeordnet ist und eine Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 bildet. Die undotierte Deckschicht 8 ist weitgehend inert gegenüber einem flüssigen Ätzmittel 14 und schützt die Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 bei einem nachfolgenden nasschemischen Ätzen.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 ist insbesondere mit einem metallorganischen Gasphasenepitaxieverfahren auf dem Wachstumssubstrat 13 abgeschieden. Dadurch wird verfahrensbedingt Wasserstoff in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 eingelagert. Der in der p-dotierten Halbleiterschicht 2 eingelagerte Wasserstoff wirkt als Passivierungsstoff 3, der den p-Dotierstoff 26 in der p-dotierten Halbleiterschicht 2 zumindest teilweise kompensiert. Die p-dotierte Halbleiterschicht 2 weist somit eine niedrigere Ladungsträgerdichte von beweglichen Löchern auf, als eine nominelle Konzentration des p-Dotierstoffs erwarten lässt.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 weist Kristalldefekte 5 auf, die insbesondere als Fadenversetzungen 5 ausgebildet sind und eine Haupterstreckungsrichtung in der Wachstumsrichtung R der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 aufweisen. Die Fadenversetzungen 5 entstehen beispielsweise durch eine Fehlanpassung zwischen einem Kristallgitter des Wachstumssubstrats 13 und einem Kristallgitter der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1. Während des epitaktischen Aufwachsens der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 setzen sich die Kristalldefekte 5 insbesondere in der Wachstumsrichtung R fort. Die Fadenversetzungen 5 weisen beispielsweise eine Flächendichte zwischen einschließlich 10⁶ cm^-2 und einschließlich 10⁸ cm^-2 auf. Zumindest ein Teil der Fadenversetzungen 5 ist als Schraubenversetzungen 22 ausgebildet, die einen hohlen Kern 24 aufweisen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines nächsten Schrittes des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 elektrochemisch geätzt wird. Dazu wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf dem Wachstumssubstrat 13 in ein Bad aus einem flüssigen Ätzmittel 14 eingetaucht. Das flüssige Ätzmittel 14 weist beispielsweise Salzsäure oder Oxalsäure auf. Alternativ kann das flüssige Ätzmittel 14 auch basisch oder neutral sein. Des Weiteren ist eine inerte Elektrode 15, die beispielsweise aus Platin besteht, in das flüssige Ätzmittel 14 eingetaucht. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 und die Elektrode 15 sind an entgegengesetzte Pole einer elektrischen Spannungsquelle 16 angeschlossen.
Beim elektrochemischen Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 dringt das flüssige Ätzmittel 14 über die Fadenversetzungen 5 in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 ein und löst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 in der unmittelbaren Umgebung der Fadenversetzungen 5 zumindest teilweise auf. Somit werden die Fadenversetzungen 5 aufgeweitet und es bilden sich Entgasungskanäle 4 entlang der Fadenversetzungen 5.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Stadiums der Halbleiterstruktur nach dem elektrochemischen Ätzen. Dabei haben sich Entgasungskanäle 4 entlang der Fadenversetzungen 5 von einer Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 bis zur p-dotierten Halbleiterschicht 2 gebildet. Eine Tiefe der Entgasungskanäle 4 kann beispielsweise durch eine geeignet gewählte Ätzdauer eingestellt werden. Die Entgasungskanäle 4 weisen einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 20 Nanometer auf.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Entgasungskanäle 4 aus 3. Insbesondere ist eine Strukturierung von Seitenwänden der Entgasungskanäle 4 gezeigt, die sich durch das elektrochemische Ätzen bildet. Dabei bilden sich beispielsweise Poren 11 in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1, die lateral um die Entgasungskanäle 4 angeordnet sind. Eine Porosität der epitaktischen Halbleiterschichten, durch die sich die Entgasungskanäle 4 erstrecken, ist beispielsweise durch eine geeignete Wahl der Parameter des elektrochemischen Ätzens einstellbar.
5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Stadiums einer Halbleiterstruktur nach dem elektrochemischen Ätzen. Im Gegensatz zur Halbleiterstruktur in 4 durchdringen die Entgasungskanäle 4 hier die p-dotierte Halbleiterschicht 2.
Dadurch kann beispielsweise ein Austreiben des Passivierungsstoffes 3 aus der p-dotierten Halbleiterschicht 2 in einem folgenden Verfahrensschritt erleichtert werden.
6 zeigt eine Halbleiterstruktur nach dem Austreiben des Passivierungsstoffes 3. Dabei wird die Halbleiterstruktur insbesondere ausgeheizt, wodurch eine Diffusivität des Passivierungsstoffes 3 in der p-dotierten Halbleiterschicht 2 erhöht wird. Insbesondere tritt der Passivierungsstoff 3 über die Entgasungskanäle 4 aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 aus, wobei ein geringer Anteil des Passivierungsstoffes 3 in der p-dotierten Halbleiterschicht 2 verbleiben kann.
7 zeigt die Halbleiterstruktur nach einem weiteren Verfahrensschritt, bei dem die Entgasungskanäle 4 zumindest teilweise mit einem Dielektrikum 9, insbesondere Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, verschlossen werden. Das Dielektrikum 9 wird beispielsweise durch Atomlagenabscheidung oder Gasphasenabscheidung in die Entgasungskanäle 4 eingebracht. Das Dielektrikum 9 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 zu verringern, die beispielsweise durch eine Ablagerung von Verunreinigungen in den Entgasungskanälen 4 hervorgerufen werden kann.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleiterstruktur mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1, die zwei aktive Schichten 10 aufweist. Die zwei aktiven Schichten 10 sind zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet und als in Reihe geschaltete pn-Übergänge ausgebildet. Zwischen den zwei aktiven Schichten 10 ist ein Tunnelübergang 12 angeordnet. Der Tunnelübergang 12 umfasst eine n-dotierte Halbleiterschicht 7 und eine p-dotierte Halbleiterschicht 2 mit hohen Dotierstoffkonzentrationen, um einen Reihenwiderstand des Tunnelüberganges 12 zu minimieren.
Mit einem Dielektrikum 9 gefüllte Entgasungskanäle 4 erstrecken sich entlang von Fadenversetzungen 5 von einer Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbeiterschichtenfolge 1 durch eine aktive Schicht 10 zumindest bis zur p-dotierten Hableiterschicht 2 des Tunnelüberganges 12. Ein Durchmesser der Entgasungskanäle 4 beträgt 10 Nanometer.
Die Halbleiterstruktur ist ein Dünnfilmchip, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Träger 17 angeordnet und das Wachstumssubstrat 13 abgelöst ist. Des Weiteren weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 Durchkontaktierungen 18 für eine elektrische Kontaktierung der aktiven Schichten 10 auf.
Die in 8 gezeigte Halbleiterstruktur ist insbesondere als Hochleistungslumineszenzdiode mit einer lateralen Ausdehnung von zumindest 2 Millimetern eingerichtet. Aufgrund dieser großen lateralen Ausdehnung der Halbleiterstruktur ist ein laterales Austreiben des Passivierungsstoffes 3 aus der p-dotierten Halbleiterschicht 2 nicht möglich. Fadenversetzungen 5, die durch das elektrochemische Ätzen aufgeweitet sind, bilden Entgasungskanäle 4, durch die der Passivierungsstoff 3 insbesondere aus der p-dotierten Halbleiterschicht 2 des Tunnelübergangs 12 ausgetrieben ist.
Durch die Reihenschaltung der zwei aktiven Schichten 10 wird insbesondere eine Leuchtdichte während des Betriebs der Halbleiterstruktur erhöht. Dabei bleibt ein Betriebsstrom im Vergleich zu einer Halbleiterstruktur mit nur einer aktiven Schicht 10 jedoch im Wesentlichen gleich, während die Betriebsspannung etwa doppelt so hoch ist. Somit ergibt sich vorteilhaft eine größere Auswahl an passenden Treiberbauelementen.
9 zeigt eine weitere optoelektronische Halbleiterstruktur mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1, die im Gegensatz zur Halbleiterstruktur in 8 drei aktive Schichten 10 aufweist. Zwischen benachbarten aktiven Schichten 10 ist jeweils ein Tunnelübergang 12 angeordnet. Jede der aktiven Schichten 10 ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einem unterschiedlichen Spektralbereich eingerichtet. Beispielsweise emittiert eine aktive Schicht 10 im Betrieb Licht im roten Spektralbereich, eine aktive Schicht 10 Licht im grünen Spektralbereich und eine aktive Schicht 10 Licht im blauen Spektralbereich. Durchkontakterungen 18 sind zur unabhängigen elektrischen Kontaktierung und somit zur individuellen Ansteuerung der drei aktiven Schichten 10 eingerichtet. Somit bildet die in 9 gezeigte Halbleiterstruktur eine Vollfarb-LED, die als Dünnfilmchip ausgebildet ist. Insbesondere ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Träger 17 angeordnet, der eine Ansteuerschaltung 19 zum Betrieb der aktiven Schichten 10 umfasst. Das Wachstumssubstrat 13 ist von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 abgelöst.
Mit einem Dielektrikum 9 verschlossene Entgasungskanäle 4 erstrecken sich von einer Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 entlang von Fadenversetzungen 5 durch zwei aktive Schichten 10 und durch beide Tunnelübergänge 12. Die Entgasungskanäle 4 sind insbesondere zu einer Aktivierung des p-Dotierstoffes 3 in den p-dotierten Halbleiterschichten 2 der beiden Tunnelübergänge 12 eingerichtet.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterstruktur, die eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer aktiven Schicht 10 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, einen Tunnelübergang 12 und eine Stromaufweitungsschicht 20 umfasst. Der Tunnelübergang 12 weist eine p-dotierte Halbleiterschicht 2 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 7 auf, die eine höhere Dotierstoffkonzentration als die übrigen Halbleiterschichten der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 aufweisen. Die Stromaufweitungsschicht 20 ist n-dotiert und dem Tunnelübergang 12 in Wachstumsrichtung R der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 nachgeordnet. Insbesondere weist die Stromaufweitungsschicht 20 eine geringere Dotierstoffkonzentration als der Tunnelübergang 12 auf. Die Stromaufweitungsschicht 20 ist als n-dotierte Anodenkontaktschicht eingerichtet, auf der beispielsweise eine metallische Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstruktur aufgebracht werden kann.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 weist Entgasungskanäle 4 auf, die sich von einer Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 entlang von Fadenversetzungen 5 bis zur p-dotierten Halbleiterschicht 2 des Tunnelübergangs 12 erstrecken. Innerhalb der n-dotierten Halbleiterschicht 7 des Tunnelübergangs 12 weisen die Entgasungskanäle 4 eine größere laterale Ausdehnung auf als in der Stromaufweitungsschicht 20. Beispielsweise ist aufgrund der höheren Dotierstoffkonzentration eine Ladungsträgerdichte und somit eine Ätzrate beim elektrochemischen Ätzen in der n-dotierten Halbleiterschicht 7 größer als in der Stromaufweitungsschicht 20. Die n-dotierte Halbleiterschicht 7 weist insbesondere Poren 11 auf, die durch das stärkere Ätzen in lateraler Richtung entstehen können.
Durch die größere laterale Ausdehnung der Entgasungskanäle 4 und/oder eine Porosität der n-dotierten Halbleiterschicht 7 sind Spitzen 21 in der n-dotierten Halbleiterschicht 7 ausgebildet. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an die Halbleiterschichtenfolge 1 führen die Spitzen 21 zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes am Tunnelübergang 12, wodurch ein Tunneln der Ladungsträger begünstigt wird.
11 zeigt einen Ausschnitt einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer undotierten Deckschicht 8 aus Galliumnitrid und einer n-dotierten Halbleiterschicht 7, die aus Galliumnitrid besteht. Die n-dotierte Halbleiterschicht 7 weist insbesondere Poren 11 auf, die durch elektrochemisches Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1 entstanden sind. Dabei ist das flüssige Ätzmittel 14 durch Fadenversetzungen 5 in der Deckschicht 8 in die n-dotierte Halbleiterschicht 7 eingedrungen.
Die perspektivische Darstellung in 12 zeigt schematisch eine Fadenversetzung 5 in einem kubischen Kristallgitter, die als Schraubenversetzung 22 ausgebildet ist. Die Schraubenversetzung 22 ist eine Störung der Periodizität des Kristallgitters und erstreckt sich entlang einer Versetzungslinie 23 durch den Kristall. Insbesondere weist die Schraubenversetzung 22 einen hohlen Kern 24 auf, der frei ist von Atomen des Kristallgitters. Kristallebenen, die von der Versetzungslinie 23 geschnitten werden, sind schraubenförmig miteinander verbunden. Die Schraubenversetzung 22 ist durch einen Burgersvektor 25 charakterisiert, der in Richtung der Versetzungslinie 23 zeigt. Die Schraubenversetzung 22 ist insbesondere ein topologischer Defekt im Kristallgitter, der durch Bestimmung des Burgersvektors 25 auch dann nachgewiesen werden kann, wenn der hohle Kern 24 der Schraubenversetzung 22 durch das nasschemische Ätzen aufgeweitet ist.
13 zeigt einen Ausschnitt einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 1, wobei Entgasungskanäle 4 nach dem Austreiben des Passivierungsstoffes 3 teilweise mit einem Dielektrikum 9 gefüllt sind. Im Gegensatz zur Halbleiterstruktur in 7 sind die Entgasungskanäle 4 hier nicht vollständig mit dem Dielektrikum 9 gefüllt. Insbesondere sind Seitenwände 27 der Entgasungskanäle 4 mit dem Dielektrikum 9 ausgekleidet, während ein Kern der Entgasungskanäle 4 frei vom Dielektrikum 9 bleibt. Zusätzlich können auch Bodenflächen 28 der Entgasungskanäle 4 mit dem Dielektrikum 9 bedeckt sein.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: epitaktische Halbleiterschichtenfolge
2: p-dotierte Halbleiterschicht
3: Passivierungsstoff
4: Entgasungskanal
5: Kristalldefekt
6: Hauptfläche
7: n-dotierte Halbleiterschicht
8: Deckschicht
9: Dielektrikum
10: aktive Schicht
11: Pore
12: Tunnelübergang
13: Wachstumssubstrat
14: flüssiges Ätzmittel
15: Elektrode
16: elektrische Spannungsquelle
17: Träger
18: Durchkontaktierung
19: Ansteuerschaltung
20: Stromaufweitungsschicht
21: Spitze
22: Schraubenversetzung
23: Versetzungslinie
24: hohler Kern
25: Burgersvektor
26: p-Dotierstoff
27: Seitenwand
28: Bodenfläche
R: Wachstumsrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit den Schritten: - epitaktisches Abscheiden einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) mit zumindest einer p-dotierten Halbleiterschicht (2), die einen p-Dotierstoff (26) und einen Passivierungsstoff (3) umfasst, - nasschemisches Ätzen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1), so dass Entgasungskanäle (4) entlang von Kristalldefekten (5) in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) von einer Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht (2) gebildet werden, - Austreiben des Passivierungsstoffes (3) aus der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) durch die Entgasungskanäle (4).
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) ein Nitridverbindungshalbleitermaterial aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) eine n-dotierte Halbleiterschicht (7) aufweist, die zwischen der p-dotierten Halbleiterschicht (2) und der Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kristalldefekte (5) während des epitaktischen Abscheidens als Fadenversetzungen (5) in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet werden und eine Haupterstreckungsrichtung aufweisen, die einer Wachstumsrichtung (R) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) entspricht.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Fadenversetzungen (5) als Schraubenversetzungen (22) mit einem hohlen Kern (24) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der p-Dotierstoff (26) durch das Austreiben des Passivierungsstoffes (3) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) durch eine Oberfläche einer undotierten Deckschicht (8) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Entgasungskanäle (4) nach dem Austreiben des Passivierungsstoffes (3) zumindest teilweise mit einem Dielektrikum (9) gefüllt werden.
Halbleiterstruktur aufweisend: - eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) mit zumindest einer p-dotierten Halbleiterschicht (2), - eine Vielzahl von Entgasungskanälen (4), wobei - die Entgasungskanäle (4) aufgeweitete Kristalldefekte (5) sind, und - sich die Entgasungskanäle (4) in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) von einer Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1) zumindest bis zur p-dotierten Halbleiterschicht (2) erstrecken.
Halbleiterstruktur nach dem vorherigen Anspruch, bei der die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) eine aktive Schicht (10) aufweist, die zur Erzeugung und/oder zur Absorption elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei der die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) Poren (11) aufweist, die lateral um die Entgasungskanäle (4) angeordnet sind.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Entgasungskanäle (4) die p-dotierte Halbleiterschicht (2) durchdringen.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die p-dotierte Halbleiterschicht (2) eine Schicht eines Tunnelüberganges (12) bildet.
Halbleiterstruktur nach dem vorherigen Anspruch, bei der die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (1) zwei aktive Schichten (10) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist, zwischen denen der Tunnelübergang (12) angeordnet ist.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 13 bis 14, bei der Entgasungskanäle (4) im Bereich einer n-dotierten Halbleiterschicht (7) des Tunnelübergangs (12) eine größere laterale Ausdehnung aufweisen als in der restlichen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (1).
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei der die Entgasungskanäle (4) zumindest teilweise mit einem Dielektrikum (9) gefüllt sind.