DE10256911B4 - Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf Siliziumsubstrat - Google Patents
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Abstract
Gruppe-III-Nitrid
Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat mit Gruppe-III-Nitrid Schichten,
welche mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung auf einem Siliziumsubstrat
ausgebildet wurden, und mindestens einer Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Zwischenschicht mit
1 ≥ x > 0,1, wobei die Niedertemperatur-AlxGa1-x-Zwischenschicht
in einer Pufferschicht eingeschlossen angeordnet ist und die Pufferschicht
ganz oder teilweise mit einem Übergangsmetall
dotiert ist.
Description
- GaN-basierte Halbleiterbauelemente sind aufgrund des großen Bandabstands, der hohen Driftsättigungsgeschwindigkeit und der chemischen Stabilität sehr interessant für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen auch in aggressiven Umgebungen.
- Die preiswerte Epitaxie auf GaN-Substraten ist aufgrund der derzeit geringen Größe und Qualität der verfügbaren GaN-Substrate nicht in kommerziellen Maßstäben möglich. Daher wird die kommerzielle Herstellung von Gruppe-III-Nitrid Schichten zur Zeit hauptsächlich auf Saphir- und SiC-Substraten durchgeführt. Die Substratkosten sind hierbei jedoch noch so hoch, daß sie für einen nennenswerten Teil der Bauelementkosten verantwortlich sind [Duboz]. Zum anderen ist Saphir aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit, die ca. 1/3 so groß wie die von GaN ist, für Hochleistungsbauelemente aufgrund der mangelnden Fähigkeit die Verlustwärme abzuführen, ungeeignet.
- Die Herstellung von Gruppe-III-N Bauelementschichten auf preiswerteren, thermisch gut leitfähigen Substraten kann daher die Kosten der Bauelemente weiter reduzieren. Das Wachstum auf Silizium, welches fast dieselbe Wärmeleitfähigkeit wie GaN besitzt, bietet aufgrund der Verfügbarkeit von Substraten bis zu derzeit 30 cm Durchmesser die Möglichkeit, mit sehr preiswerten Substraten Transitorbauelemente herzustellen.
- Das Wachstum von dünnen Transistorstrukturen unterhalb von 1 μm Dicke ist auf Silizium einfach möglich. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß trotz einer im Allgemeinen geringen Restleitfähigkeit der oberen GaN Pufferschicht von deutlich unter 1017 cm–3 Ladungsträgern durch das dicke, im Gegensatz zu GaN, immer noch leitfähige Siliziumsubstrat und auch durch eine Silizium-Verunreinigung der ersten hundert Nanometer der GaN Pufferschicht, gut leitfähige Strompfade entstehen, die die Bauelementeigenschaften negativ beeinflussen. Auch kann nur durch das Wachstum von dickeren GaN Pufferschichten eine gute Kristallqualität erzielt werden, was dann die Bauelementeigenschaften positiv beeinflußt.
- Von daher ist das Wachstum von GaN Pufferschichten oberhalb von 1 μm Dicke angezeigt, da diese die genannten Probleme zu umgehen helfen. Dafür ist auch das Einbringen von Schichten mit einem deutlich höherem Bandabstand in der Pufferschicht hilfreich. Diese helfen, die im unteren Teil der Pufferschicht vorhandenen leitfähigeren Bereiche vom oberen aktiven Bereich des Bauelements, zu isolieren.
- Dabei stellt sich immer das Problem, daß das Wachstum von dicken GaN Schichten oberhalb von 1 μm Dicke mit der Gasphasenepitaxie durch die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaN und Si von über 115% beim Abkühlen auf Raumtemperatur zur Rißbildung führt.
- Dabei kommt es je nach Prozeßführung in der epitaktischen Gasphasenabscheidung wie z.B. der MOCVD zur Rißbildung mit Abständen von ca. 10-500 μm zwischen den Rissen. Für die kommerzielle Herstellung von Bauelementen ist daher die Vermeidung von Rissen entscheidend.
- Mögliche Methoden sind z. B. die gezielte Rißführung auf einem strukturiertem Substrat [
DE 100 56 645 A1 ] oder das Wachstum von dicken AlN/AlGaN Pufferschichten bzw. AlN/GaN Übergittern [Feltin]. Die zweite Methode führt dabei jedoch zu einer starken Substratkrümmung. - Rißvermeidung kann durch die Verwendung von Niedertemperaturschichten, wie sie schon von Amano et al. [Amano] zum Wachstum von verspannten AlGaN Schichten auf Saphir vorgeschlagen wurden, realisiert werden. Dadgar et al. [Dadgar] haben gezeigt, daß sich damit prinzipiell eine Rißreduktion von GaN-Schichten auf Si-Substraten erzielen läßt. Die beschriebenen Niedertemperaturschichten mit typischen Dicken im Bereich von 2 bis 50 Nanometern besitzen meist eine schlechte kristalline Qualität und eventuell auch eine nichtstöchiometrische Zusammensetzung.
- Aus HAN, J. et al: "Control and elimination of cracking of AlGaN using low-temperature AlGaN interlayers", Appl. Phys. Letters, Vol. 78 (1), Januar 2001, S. 67-69, ist die Verwendung einer Niedertemperatur-Zwischenschicht aus AlGaN zur Vermeidung von Rißbildung bei GaN/AlGaN-Heterostrukturen für Halbleiterbauelemente auf Substraten mit Gitterfehlanpassung bekannt, wobei dort die Niedertemperatur-Zwischenschicht unmittelbar vor der obersten Hochtemperatur-AlGaN-Schicht angeordnet ist.
- Ein erfindungsgemäßes Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf Siliziumsubstrat zeichnet sich aus durch:
- a. die Abscheidung von Gruppe-III-Nitrid Schichten mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung auf einem Siliziumsubstrat,
- b. mindestens eine Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Zwischenschicht mit 1 ≥ x > 0,1, wobei die Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Zwischenschicht in einer Pufferschicht eingeschlossen angeordnet ist, und wobei
- c. die Pufferschicht ganz oder teilweise mit einem Übergangsmetall dotiert ist.
- Dabei wird mit mindestens einer Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Zwischenschicht mit 1 ≥ x > 0,1, die in einer Pufferschicht eingeschlossen angeordnet ist, mittels epitaktischer Gasphasenepitaxie von Nitridhalbleitern auf einem Siliziumsubstrat die Rißbildung ganz oder größtenteils vermieden, indem mit der einen oder mehreren aluminiumhaltigen Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Schichten, mit 1 ≥ x > 0,1, eine kompressive Spannungskompensation im GaN induziert wird, die der thermisch induzierten Verspannung beim Abkühlen entgegen wirkt und dabei auch eine geringe Substratkrümmung ermöglicht. Niedertemperatur heißt hierbei mindestens 200°C unterhalb der normalen GaN Depositionstemperatur.
- Durch diese Zwischenschicht läßt sich so eine dickere GaN Pufferschicht abscheiden, die die Kristallqualität allgemein verbessert und dabei speziell die Oberflächenrauhigkeit verringert, vorteilhaft für eine hohe Ladungsträgermobilität. Zusätzlich wird durch den hohen Bandabstand der Al-reichen Pufferschicht die Isolation zum relativ leitfähigen Substrat bzw. dem oft leitfähigen, unteren Teil der GaN Pufferschicht erhöht.
- Durch diese oder mehrere dieser Zwischenschichten werden jedoch durch spontane Polarisation und den piezoelektrischen Effekt unerwünschte negative und positive piezoelektrische Ladungen an den Grenzflächen erzeugt. Diese beeinflussen wiederum als an den Grenzflächen lokalisierte störende Strompfade die Bauelementeigenschaften, trotz der meist geringen GaN-Restleitfähigkeit, negativ. Die durch die Polarisation und die Piezofelder entstandenen unerwünschten Ladungsanreicherungen an den Heterogrenzflächen lassen sich prinzipiell durch die Gegendotierung mit flachen Donatoren oder Akzeptoren gegenkompensieren. Hier ist jedoch das Einstellen der Dotierungshöhe der Kompensationsdotierung sehr schwierig und es tritt oft eine Über- oder Unterkompensation auf. Dies kann nach dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren nicht geschehen, da durch die Dotierung mit einem Übergangsmetall tiefe Störstellen in der Bandlücke entstehen, deren Aktivierungsenergie zu groß ist, um freie Ladungsträger in den Bändern zu erzeugen.
- Dabei ist Eisen, als kommerziell verfügbarer Precursor für die Gasphasenepitaxie wie z. B. bis-cyclopentadienyleisen, auch als Ferrozen bekannt, nach Unteranspruch 2 besonders gut geeignet, da es nicht nur Elektronen, sondern auch Löcher kompensieren kann. Diese Eigenschaft besitzen jedoch auch die meisten anderen Übergangsmetalle in Halbleitern mit großer Bandlücke wie z.B. GaN und können von daher alternativ eingesetzt werden.
- Zusätzlich zur Vermeidung der piezoelektrisch induzierten Ladungen wird durch die Übergangsmetalldotierung die Isolation zum Si-Substrat weiter verbessert, weshalb dessen Leitfähigkeitstyp dann keine so große Rolle für die Bauelementleistung mehr spielt und sich so einfacher die Si-Elektronik und GaN-basierte Elektronik miteinander integrieren lassen.
- Unteranspruch 3 betrifft einen in der Mikroelektronik häufig eingesetzten Feldeffekttransistor basierend auf dem piezoelektrisch induzierten Elektronen- oder Löchergas an der Heterogrenzfläche im System AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 sowie 0 < u < 1, 0 < v < 1 und u + v < 1, wobei x ≠ u und y ≠ v ist und hier selbstverständlich eine Komposition gewählt werden muß, die einen Bandoffset ergibt.
- In einer weiteren gerne benutzten Variante nach Unteranspruch 4 wird die Ladungsträgerkonzentration des Elektronen- oder Löchergases durch eine Deltadotierung, also eine nur wenige Nanometer dicke Dotierungsschicht im Material mit der höheren Bandlücke, angehoben und somit die Bauelementleistung weiter erhöht.
- Unteranspruch 5 beschreibt eine MESFET Transistorstruktur bei der eine wenige Nanometer dünne dotierte Schicht den in der Leitfähigkeit gesteuerten Kanal darstellt.
-
1 zeigt schematisch als Beispiel den Schichtaufbau und die Kontaktierung einer einfachen, rißfreien Feldeffekttransitorstruktur auf Siliziumsubstrat mit den in Ansprüchen 1, 2 und 3 genannten Eigenschaften. Hier bildet sich unterhalb der oberen AlGaN Schicht ein Elektronenkanal aus, dessen Strom zwischen Source und Drain mittels der Gatespannung gesteuert wird. Die Pufferschicht ist hier oberhalb der in diesem Beispiel gezeigten Niedertemperatur MN Zwischenschicht nur bis einige hundert Nanometer vor dem Elektronenkanal dotiert, da oft sogenannte Memoryeffekte eine Dotierungsverschleppung und Störstellen eine die Elektronenmobilität reduzierende Wirkung besitzen. Darüber hinaus ist die Restleitfähigkeit des GaN auf Silizium meist so gering, daß eine Kompensation der piezoinduzierten Ladungen völlig ausreichend ist, um parasitäre Strompfade zu verhindern. - Die hier beschriebenen und in der Zeichnung wiedergegebenen Beispiele stellen nur einige von vielen möglichen Ausführungsformen dar.
- Abkürzungen
-
-
- Al
- Aluminium
- Ga
- Gallium
- Gruppe-III-N, Gruppe-III-Nitrid
- Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit Stickstoff
- In
- Indium
- MOCVD
- metal organic chemical vapor Phase deposition, metallorganische Gasphasenabscheidung
- N
- Stickstoff
- Saphir
- Al2O3, Aluminiumoxid hier ist Korund miteingeschlossen
- Si
- Silizium; als Substrat sind außer gewöhnlichen Si-Substraten auch Substrate wie z. B. Silicon-oninsulator Substrate, SOI oder SIMOX genannt, eingeschlossen
- SiC
- Siliziumcarbid
- Referenzen
-
- [Amano] Hiroshi Amano, Motoaki Iwaya, Takayuki Kashima, Maki Katsuragawa, Isamu Akasaki, Jung Han, Sean Hearne, Jerry, A. Floro, Eric Chason und Jeffrey Figiel, Stress and defect control in GaN using low temperature interlayers, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1540 (1998)
- [Dadgar] A. Dadgar, J. Bläsing, A. Diez, A. Alam, M. Heuken und A. Krost, Metalorganic Chemical Vapor Phase Epitaxy of Crack-Free GaN on Si(111) Exceeding 1 μm in Thickness, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L1183 (2000)
- [Duboz] J.Y. Duboz, Gallium Nitride as seen by the Industry, phys. stat. sol. (a) 176, 5 (1999)
- [Feltin] E. Feltin, S. Dalmasso, P. de Mierry, B. Beaumont, H. Lahrèche, A. Bouillé, H. Haas, M. Leroux und P. Gibart, Green InGaN Light-Emitting Diodes Grown on Silicon (111) by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. 40, L738 (2001)
Claims (5)
- Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat mit Gruppe-III-Nitrid Schichten, welche mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wurden, und mindestens einer Niedertemperatur-AlxGa1-xN-Zwischenschicht mit 1 ≥ x > 0,1, wobei die Niedertemperatur-AlxGa1-x-Zwischenschicht in einer Pufferschicht eingeschlossen angeordnet ist und die Pufferschicht ganz oder teilweise mit einem Übergangsmetall dotiert ist.
- Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsmetall Eisen ist.
- Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine aktive Zone bestehend aus einem AlxInyGal1-x-yN/AluInvGa1-u-vN Heteroübergang oder einer delta-dotierten AlxInyGa1-x-yN-Schicht mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 sowie 0 < u < 1, 0 < v < 1 und u + v < 1 aufweist, wobei x ≠ u und y ≠ v ist.
- Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Delta-Dotierung in dem Material mit dem höheren Bandabstand des Heteroübergangs ausgebildet ist.
- Gruppe-III-Nitrid Transistorbauelement auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Transistorbauelement eine dotierte AlxInyGa1-x-yN-Schicht mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 aufweist.
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