Beschreibung
Ohmsche Kontaktstruktur und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ohmsche Kontaktstruktur zwischen einer Metallisierung und einem Halbleitermaterial nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen ohmschen Kontaktstruktur nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Bei typischen Anwendungen auf dem Gebiet der Halbleitertechnik fließt durch Halbleiterbauelemente bei ihrem Betrieb elektrischer Strom. Zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente werden im allgemeinen Kontakte aus Metall verwendet, die einen möglichst geringen Kontaktwiderstand zwischen der Metallisierung und dem Halbleitermaterial aufweisen sollen. Derartige Metall -Halbleiter-Kontakte werden üblicherweise als ohmsche Kontakte bezeichnet.
Es ist allgemein bekannt, dass für einen niederohmigen Kontakt zwischen Metall und Halbleiter einerseits eine möglichst niedrige Grenzflächenbarriere zwischen den Komponenten und andererseits eine möglichst hohe Nettokonzentration der Donatoren oder Akzeptoren im Halbleiter nahe der Kontaktfläche entscheidend ist.
Die Höhe der Grenzflächenbarriere wird unter anderem bestimmt durch die Austrittsarbeit des Metalls bzw. der sich nach dem Kontaktannealing gebildeten Legierung und durch Grenzflächen- zustände, die je nach Dichte und elektronischer Besetzung das Ferminiveau festlegen. Dünne Isolationsschichten zwischen dem Halbleitermaterial und dem Metall, z.B. aufgrund unzureichender Reinigung vor der Metallisierung, können zu einer zusätzlichen Beeinflussung der Grenzflächenbarriere führen.
Es ist weiterhin bekannt, dass bei einem p-leitenden Halbleitermaterial der Kontaktwiderstand zwischen Halbleitermaterial
und Metallisierung durch Verwenden eines Metalls mit einer möglichst hohen Austrittsarbeit reduziert werden kann. Untersuchungen hierzu haben beispielsweise H. Ishikawa et al . in „Effects of Surface Treatments and Metal Work Functions on Electrical Properties at p-GaN / Metal Interfaces", J. Appl . Phys., Vol. 81, Nr. 3, 1997, Seiten 1315-1322 offenbart.
Im Fall von p-dotierten Halbleitern tragen die Minoritätsladungsträger, d.h. die Löcher, vorwiegend auf zwei Arten zum Stromfluss bei. Zum einen können die Minoritätsladungsträger durch thermische Aktivierung über die Grenzflächenbarriere gehoben werden, zum anderen können sie durch diese Grenzflächenbarriere tunneln. Der Tunnelmechanismus hängt in exponen- tieller Weise von der Breite dieser Grenzflächenbarriere ab, welche ihrerseits durch die Weite der Raumladungszone im Halbleitermaterial bestimmt wird. Diese Weite der Raumladungszone wird für p-dotierte Halbleiter durch die Nettokonzentration der Akzeptoren (d.h. die Akzeptorenkonzentration abzüglich der Donatorenkonzentration) festgelegt. Je höher diese Nettokonzentration ist, um so höher ist die negative Raumladungsdichte und um so geringer die Weite der Raumladungszone .
In den vergangenen Jahren hat die Bedeutung von GaN als Halb- leitermaterial zugenommen. Insbesondere sind inzwischen
Leuchtdioden, Laserdioden und Photodetektoren auf GaN-Basis bekannt, die einen zunehmend guten Wirkungsgrad besitzen. Man hat herausgefunden, dass bei mit Mg dotiertem p-GaN ein Effekt der Selbstkompensation auftritt, d.h. dass es eine opti- male Mg-Konzentration in GaN im Hinblick auf die Akzeptoren- und somit auch auf die Löcherkonzentration gibt. Diese optimale Mg-Konzentration in GaN wurde zum Beispiel von U. Kaufmann et al . in „Hole Conductivity and Compensation in Epita- xial GaN:Mg Layers", Phys. Rev. B, Vol. 62, Nr. 16, 2000, Seiten 10867-10872 auf 2 x 1019 cm"3 bestimmt, wobei dieser Wert auch von anderen Stellen bestätigt werden konnte.
Trotz der obigen Erkenntnisse konnte für p-dotiertes GaN jedoch nur ein spezifischer Kontaktwiderstand in der Größenordnung von etwa 10"2 Ωcm2 erzielt werden, der für viele technische Anwendungen deutlich zu hoch ist.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ohmsche Kontaktstruktur zwischen einer Metallisierung und einem Halbleitermaterial derart zu verbessern, dass der spezifische Kontaktwiderstand weiter reduziert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen ohmschen Kontaktstruktur bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch eine ohmsche Kontaktstruktur mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren zur
Herstellung einer ohmschen Kontaktstruktur mit den Merkmalen von Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11 und 13 bis 21.
Die erfindungsgemäße ohmsche Kontaktstruktur zwischen einer Metallisierung und einem Halbleitermaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial eine Kontaktschicht mit einem ersten an die Metallisierung grenzenden Teilbereich und einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden zweiten Teilbereich aufweist, wobei die Dotierung im ersten Teilbereich größer als im zweiten Teilbereich ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die elek- tronische Besetzung der Defekte in der Nähe der Oberfläche eines Halbleitermaterials nicht mit dem innerhalb der Halbleiterschicht übereinstimmt. Vielmehr ist in der Nähe der Halbleiteroberfläche die für eine maximale Konzentration an negativen Raumladungen erforderliche Dotierungskonzentration im Vergleich zu der Dotierungskonzentration für eine maximale Löcherkonzentration im Inneren der Halbleiterschicht verschoben. Um einen möglichst niederohmigen Kontakt zwischen der
Halbleiterschicht und der Metallisierung zu erzielen, muss also in der Nähe der Kontaktfläche eine zumeist deutlich andere Dotierungskonzentration gewählt werden als sie im Innern der Halbleiterschicht als optimal gilt, so dass eine geringere Weite der Raumladungszone und somit ein geringerer Tunnel- und damit Kontaktwiderstand bewirkt wird. Unterhalb dieser Kontaktschicht kann die Halbleiterschicht dann unabhängig von dem Erfordernis eines geringeren spezifischen Kontaktwiderstandes auf andere Eigenschaften optimiert werden.
Vorzugsweise wird die Dotierungskonzentration in dem ersten Teilbereich der Kontaktschicht des Halbleitermaterials höher als diejenige Dotierungskonzentration gewählt, die innerhalb des Halbleitermaterials zu einer maximalen Leitfähigkeit führt.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Halbleitermaterial mit Mg dotiertes GaN ist. In diesem Fall ist die Mg-Konzentration in dem ersten Teilbereich der Kontaktschicht des Halbleitermaterials vorzugsweise größer oder gleich 3 x 1019 cm"3 und liegt besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 x 1019 cm"3 und einschließlich 5 x 1020 cm"3.
Zur weiteren Reduzierung des spezifischen Kontaktwiderstandes ist es von Vorteil, für die Metallisierung ein Metall oder eine Metallverbindung mit einer möglichst hohen Austrittsarbeit von wenigstens 4,0 eV zu wählen.
Eine derartige ohmsche KontaktStruktur ist insbesondere für Halbleiterbauelemente wie zum Beispiel Leuchtdioden oder Laserdioden anwendbar.
Die obigen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ohmschen Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Dotierungs- konzentration in der Halbleiterschicht der ohmschen
Kontaktstruktur von FIG 1.
Die in Figur 1 dargestellte Kontaktstruktur zwischen einem Halbleitermaterial 10 und einer Metallisierung 14 weist eine Kontaktfläche 16 zwischen dem Halbleitermaterial 10 und der Metallisierung 14 sowie eine ausgebildete Kontaktschicht mit einem ersten Teilbereich 12 und einem zweiten Teilbereich 18 auf.
Das Halbleitermaterial ist in dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel GaN, das mittels eines MOVPE (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy) - Verfahrens gebildet und mit Mg dotiert ist. Es sei an dieser Stelle aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sie vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Materialauswahl beschränkt ist, sondern vielmehr die Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung auch bei beliebigen anderen Halbleitermaterialien angewendet werden können. Vorzugsweise wir die Erfindung allerdings bei Halbleitermaterialien der allgemeinen Formel AlxGayInzN mit 0 < x, y, z < 1 und x+y+z = 1 angewendet.
Die Mg-Dotierungskonzentration Ni im Innern der Halbleiterschicht 10 beträgt vorzugsweise 2 x 1019 cm"3. Diese Konzentration führt zu einer maximalen Konzentration der freien La- dungsträger (hier Löcher) und damit zu einer maximalen Leitfähigkeit in der Halbleiterschicht 10. Dieser optimale Wert basiert auf den bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnten Erkenntnissen.
Da man herausgefunden hat, dass die optimale Dotierungskonzentration im Bereich der Halbleiteroberfläche von der optimalen Dotierungskonzentration Nx im Innern der Halbleiter-
Schicht 10 zumeist deutlich abweicht, wird in der Halbleiterschicht 10 in der Nähe der zu bildenden Kontaktfläche 16 ein Bereich 12 ausgebildet, der eine andere Dotierungskonzentration N2 besitzt, welche größer ist als die optimale Dotierungskonzentration im Inneren der Halbleiterschicht.
Im Falle von mit Mg dotiertem GaN liegt die optimale Dotierungskonzentration N2 in diesem Teilbereich 12 der Kontaktschicht über der optimalen Dotierungskonzentration Ni im Innern der Halbleiterschicht 10 und beträgt vorzugsweise mehr als 3 x 1019 cm"3. Ein minimaler Kontaktwiderstand der ohmschen Kontaktstruktur konnte mit einer Mg-Konzentration zwischen etwa 3 x 1019 cm"3 und 5 x 1020 cm"3 erzielt werden. In
FIG 2 ist ein derartiger Mg-Konzentrationsverlauf in Schichtdickenrichtung der Halbleiterschicht 10 ausgehend von der Kontaktfläche 16 dargestellt. Im Fall von anderen Dotierungsmaterialien sind in analoger Weise ähnliche Konzentrationsverläufe in der Kontaktschicht einzustellen.
Die folgende Tabelle zeigt Ergebnisse von Untersuchungen, die bei einem p-dotierten GaN-Halbleiter mit verschiedenen Mg- Konzentrationen N2 in dem an die Metallisierung grenzenden Teilbereich 12 der Kontaktschicht erzielt worden sind. Dabei wurde die Mg-Konzentration N2 in diesem Bereich mittels SIMS (Secundary Ion Mass Spectroscopy) , die Löcherkonzentration p2 mittels HALL-Messungen und der spezifische Kontaktwiderstand Rc mittels C-TLM (Circular Transmission Line Method) bestimmt. Außerdem ist in der Tabelle der Vollständigkeit halber noch die Beweglichkeit μ der Löcher angegeben.
Um den Kontaktwiderstand Rc zwischen der Metallisierung 14 und dem Halbleitermaterial 10 weiter zu reduzieren, ist es von Vorteil, ein Metall oder eine Metallverbindung mit einer möglichst hohen Austrittsarbeit von wenigstens 4,0 eV zu be- nutzen. Diese an sich bereits bekannte Maßnahme führt in Kombination mit der vorliegenden Erfindung zu besonders niederohmigen KontaktStrukturen.
Ferner ist die ohmsche Kontaktstruktur der vorliegenden Er- findung mit beliebigen Reinigungsverfahren der Halbleiteroberfläche vor der Metallisierung und mit beliebigen Annealingprozessen nach dem Metallisierungsvorgang kombinierbar.