WO2017148476A1 - Bauelement im system aigalnn mit einem tunnelübergang - Google Patents

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Armin Dadgar
Andre Strittmatter
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Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg, Ttz Patentwesen
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Definitions

  • the invention relates to a group III-nitride based semiconductor device and device module with a so-called tunnel junction.
  • a tunnel junction may arise in semiconductor structures with a transition between a p-doped, electrically conductive layer and an n-doped, electrically conductive layer (p / n junction), if, on the one hand, a sufficiently high doping is achieved on both sides of the junction and on the other hand, the forcibly forming space charge zone has a very small spatial extent.
  • the tunneling process is based on a quantum mechanical process, whereby electrons from the conduction band of the n-doped semiconductor region into free states of the valence band of the p-doped semiconductor or vice versa holes from the valence band of the p-doped semiconductor into free states in the conduction band of the n-doped semiconductor go over and change the charge type from negative to positive or from positive to negative.
  • the quantum-mechanical process of tunneling requires that the state functions of the participating states overlap both energetically and spatially. The tunneling probability and thus the electrical resistance generated at this boundary layer in the component thus depends on the energetic position of the states involved and their spatial separation as a result of the space charge zone. These parameters can be optimized especially by a very high doping in the corresponding layers at the transition.
  • Tunnel junctions are used in many semiconductor devices. They are z. For example, for multiple solar cells indispensably to the individual cells without great losses in the semiconductor layer stack to connect together in series. But they are also used in light-emitting diodes (LEDs) to electrically connect superimposed LED structures, which is advantageous for the light output per area.
  • LEDs light-emitting diodes
  • This is often referred to as a tunnel junction instead of a tunnel junction, which is usually operated in the reverse direction.
  • a tunneling process in a tunnel diode is called a tunnel junction.
  • group III nitrides tunnel junctions have so far been difficult to achieve.
  • a homoepitaxial transition such as p-GaN / n-GaN, p-AIGaN / n-AIGaN, p-AllnN / n-AllnN or ⁇ -InGaN / n-InGaN, generally a type-transition p-AlGaInN / n-AlGaInN.
  • the highest possible hole concentration must be achieved.
  • metal organic vapor phase epitaxy is m it magnesium atoms in GaN films holes concentrations of about 1 -3x10 18 cm "3 with Mg concentrations in the range of 10 19 cm" can be achieved.
  • the present invention solves this for an AIGalnN based semiconductor device including a tunnel diode including the n-doped electrically conductive layer having an electron concentration> 1x10 19 cm -3 and a p-doped electrically conductive layer having a hole concentration> 7x10 17 cm “3 , characterized by deep impurity generating impurities in at least a portion of the contact area of the p- and n-type layers forming space charge zone with a surface concentration deep impurities> 6x10 11 cm " 2 or a volume concentration of> 5x10 17 cm "3 which have at least one energetic state below the energetic level of the n-
  • the minimal extent of the doping with deep impurities should in this case extend over a part of the space charge zone, but can also extend beyond it, as in the production of extremely thin layers, often by entrainment of deposits in the growth chamber or by segregation of atoms the growth front occurs.
  • the specified surface densities are based on a layer between 0.25 nm and at most 10 nm thick in the space charge zone. In this case, this doping is preferably achieved in a 1 to 3 nm thin area.
  • the introduced foreign atoms is intended to additionally generate suitable energetic states in the region of the space charge zone for the tunneling process.
  • the states of the deep impurity also overlap with the initial and final states in the tunneling process and, due to their position within the space charge zone, ie the smaller spatial distance to the electrons and holes, effectively improve the spatial overlap.
  • the tunnel process is then z. B. between electrons and the impurity (electron occupied impurity) and in a second step between impurity and holes instead (electron on the impurity recombined with a hole in the p-type semiconductor).
  • the transition region of the tunnel diode is doped with energetically low impurities.
  • impurities act in volume semiconductors as capture centers for free charge carriers and thereby reduce the number of free charge carriers (so-called compensation effect). Nevertheless, such impurities in the area of a space charge zone can have a supporting effect on the tunneling process. Free charge carriers, which are trapped by a low-lying impurity state, can be released again into the opposite belt.
  • a deep donor does not compensate electrons in the n-doped region.
  • acceptor-like deep impurities are preferable because the achievable concentration of the shallow donor in the Group III nitrides is very high.
  • the deep acceptor will not lead to a significant decrease in the electron concentration here.
  • a deep acceptor on the p-side can compensate for unwanted donors and thus increase the effective acceptor density and hole concentration on the p-side. In the case of a deep donor, if it is installed on the p-conducting side of the transition due to growth, this leads to a decrease in the hole concentration and thus to a widening of the space charge zone disadvantageous for the tunneling process.
  • An advantageous doping with foreign atoms producing low impurity is the doping with a transition metal or carbon.
  • doping with tin, a Group IV element results in the incorporation of deep centers of the invention at high tin concentrations above 10 18 cm -3 .
  • These dopants can readily be incorporated with commercially available sources, in the case of MOVPE with organometallic sources.
  • the tunnel diode however, no measurable disadvantage for the charge carrier transport can be observed in the thickness of the necessarily doped layer; on the contrary, these dopants improve the charge carrier transport by increasing the tunneling probability.
  • Another method to produce deep impurities according to the invention and an improved abrupt p / n transition takes place via an in-situ deposited SiN layer directly following the p-doped layer and / or within the n-doped space charge zone in the thickness range of at least one monolayer an area coverage of the SiN layer of at least 5%.
  • Better than a coverage of the SiN layer of 5% is a coverage of 10%, ideally a coverage over 30%.
  • the SiN masking also acts as an n-doping layer and, if deposited directly on the p-doped layer, promotes an abrupt p / n transition, which positively influences the tunnel diode properties.
  • the SiN layer Due to the structure of the SiN layer or the disturbance of the crystal lattice caused thereby, it generates several deep centers which can be used according to the invention. These impurities generated by the SiN deposition allow tunneling over short distances or reduce the effective barrier thickness and thus allow high tunneling currents.
  • n (n, integer> 2) impurities with energetic layers E S törsteiie, m within the bandgap E G , each E S törsteiie, m E v + m * E G / (n + 1), (m integer ⁇ n, E v : maximum energy of the valence band), where the maximum deviation of the energetic position ⁇ is less than E G / (n + 1) (1 ⁇ 0.30).
  • a component such as a light-emitting diode can be easily contacted.
  • the tunnel diode is then operated in the blocking direction on the LED operated in the forward direction.
  • a tunnel diode is used to achieve a good lateral current distribution for an underlying device through the existing highly conductive nitride, the highly n-doped layer ideally with n> 1 ⁇ 10 20 cm -3 , as described, inter alia, in DE 10 2015
  • they are also suitable for connecting individual components in series, as is the case with tandem and multiple solar cells.
  • tunnel diodes are suitable for high frequency applications.
  • the group I I nitrides are ideally suited due to their outstanding properties such as good heat conduction, high breakdown field strength and high drift saturation rate.
  • the tunnel diode according to the invention can also be part of a component module.
  • Fig. 3 is a tunnel diode in the reverse direction with inventive foreign atoms and
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the tunnel diode in the reverse direction with foreign atoms according to the invention, such. B. called in claim 7.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a p / n junction without applied, external electrical voltage in the form of an energy-location diagram with conduction band 100, valence band 101, Fermi level 102 and space charge zone 103 and width of the tunnel barrier 104, by the charge carrier occupation of the bands and thermally
  • the excited charge carrier is narrower than the space charge zone.
  • 105 are holes or holes in the valence band, 106 electrons in the conduction band.
  • 109 is the boundary between p-doped region 107 and n-doped region 108.
  • the relative energetic distribution of the charge carriers of a charge type is described by the Fermi level.
  • the space charge zone must be narrow, which is achieved by a high doping.
  • the p- and n-sides are so highly doped that the Fermi level is below the valence-band maximum or the conduction-band minimum, which is difficult, however, for the p-side in group III nitrides.
  • the tunnel diode or the tunnel junction is now operated by applying a negative voltage to the p-doped region and a positive voltage to the n-doped region in the reverse direction to the charge carrier transport enable.
  • the energy levels of the conduction and valence bands of the n- and p-doped regions are shifted relative to one another, and thus further pairs of energetically identical states can be generated at the transition.
  • the simultaneous enlargement of the space charge zone is dependent on the doping in the respective areas.
  • the voltage drop at the tunnel junction is as close as possible to 0 V and only the effective tunnel barrier is reduced. This is shown schematically in FIG.
  • 200 is the conduction band
  • 201 is the valence band
  • 202 is the Fermi level in the n-type semiconductor
  • 203 is the Fermi level in the p-type semiconductor
  • 205 holes and 206 is to indicate the width of the tunneling barrier which is reduced from the de-energized case 104 is.
  • 206 carriers can now tunnel.
  • some charge carriers are always injected by thermal excitation into the edge regions of the space charge zone, that is to say in FIG. 2 in each case approximately as far as the ends of the arrow 206. This process has not been shown here for the sake of simplicity.
  • the thickness of the layer 206 is only a few nanometers in order to allow the tunneling process at all. How wide the space charge zone is depends on the charge carrier concentration or the concentration of ionized donors / acceptors. Since magnesium only partially ionizes in the group III nitrides, the difficulty here is to realize a sufficiently thin tunnel barrier.
  • FIG. 3 likewise shows a tunnel junction of a tunnel diode under blocking direction, analogous to FIG. 2.
  • 300 is the conduction band
  • 301 the valence band
  • 302 the Fermi level in the n-type semiconductor
  • 303 the Fermi level in the p-type semiconductor
  • 305 Ektronen, 306 corresponds to the energy level of a deep impurity in the semiconductor, which has been generated by doping during growth. If this is, for example, a deep acceptor that is occupied by an electron, it can now be filled with a hole from the p-type semiconductor.
  • the barrier in this example is effectively only about half as wide as in the case without an impurity.
  • An electron can in turn tunnel to the now unoccupied acceptor of the n-type semiconductor and the process begins again.
  • the impurity concentration should be at least at a volume concentration of 5x10 17 cm “3 or a surface concentration of 6x10 11 cm “ 2 , better is a value of 5x10 18 cm “3 or 3x10 12 cm “ 2 and ideally a value above 1x10 19 cm “3 or 4.5x10 12 cm “ 2 . In this case, only those layer regions must be doped, which are located within the space charge zone.
  • the space charge zone is located approximately between the ends of the marked Fermi levels in the p- (203, 303, 403) and n-type semiconductor (202, 302, 402) or in Figure 1 it is indicated by the double arrow 103. Since these very narrow and because of the slight potential carryover of the p- and n-dopants is difficult to meet, one dopes usually a slightly broader range of 5 to 20 nm thickness with the dopant, preferably a transition metal or carbon, for their low impurity levels in group -Ill / Group-V compound semiconductors are known. But tin is also useful because it can produce deep impurities at high concentrations.
  • Growth-induced intrinsic defects can be generated by gallium vacancies z. B. be forced by low growth temperature or very high growth rates, nitrogen vacancies z. By a low supply of group V atoms.
  • intrinsic defects are more difficult to control in concentration, and the growth conditions ideal for p-type doping generally do not match the generation of such defects.
  • Carbon can also be incorporated without additional doping by a low V-Ill ratio or low process pressure in the gas phase in processes of organometallic gas phase epitaxy.
  • this is a doping that comes from the hydrocarbon radicals of the commonly used organometallic compounds.
  • This type of installation according to the invention is also possible, but less suitable because it prevents optimal growth of the p-layer.
  • FIG. 4 It also makes sense to introduce different defects to occupy multiple energetic positions, leading the charge carrier tunneling process across multiple energy levels.
  • 400 are the conduction band
  • 401 the valence band
  • 402 the Fermi level in the n-type semiconductor
  • 403 the Fermi level in the p-type semiconductor
  • 406 corresponds to the area of the tunnel barrier with deep impurities with different energetic position in the band gap in the field-free case, which now line up almost horizontally on an energetic position in the space charge zone due to the band tilting.
  • Dopant doped which generates a low acceptor level.
  • a particular advantage here is a deviation of the energetic position in the direction of the valence band, since the space charge zone on the p-side is usually wider due to the lower achievable p-type doping than on the n-side.
  • the other possibility, although technically more difficult to implement, is the p-side, as described in the first example, to dope with one or more deep acceptors and the n-side with a deep donor such. B. to provide titanium.
  • the problem with this method is in particular the targeted adjustment of the energetic center of the space charge zone by the change of the doping of p-on n-GaN with commercial coating deposition systems.
  • a known problem is the carry-over of Mg atoms in subsequent layers, so that at tunnel junctions Mg atoms are still a few nanometers incorporated into the nominal n-type layer.
  • the incorporation of Ge atoms into growing GaN layers shows a delay, which leads to a submaximal Ge concentration in the tunnel junction region.
  • the ideal switching point for the deep impurity dopants must usually be found experimentally in this procedure, since it is not necessarily the same as the p- and n-dopants.
  • p-GaN is grown on n-GaN, these features must be taken less consideration.
  • the deposition of a SiN mask directly on the p-doped layer can also be used to better define the transition. This combination is advantageous since at the same time further deep impurities are introduced via the disturbance of the crystal lattice through the SiN.
  • a third possibility, which is even harder to implement in terms of process engineering, is the targeted doping with deep acceptors or donors within the band gap. If you z.
  • B. has four dopants, this can be ideally realized when in the p-layer first a deep impurity, preferably an acceptor, doped with an energy which is about 1/5 of the energy gap over the valence band in a range of 1-3 nm thickness, followed by a deep impurity, preferably an acceptor, with an energy about 2/5 of the energy gap over the valence band in a range of 1-3 nm thickness, then a deep impurity, preferably a donor, with energy about 3/5 of the energy gap above the valence band in a range of 1 - 3 nm thick, followed by a deep impurity, preferably a donor, with an energy that is about 4/5 of the energy gap above the valence band in a range of 1-3 nm thickness.
  • delta doping may also take place at approximately 1/5, 2/5, 3/5 and 4/5 of the expected space charge zone.
  • This can be clearly described in FIG. 4 for the deep imperfections 406.
  • four energy levels are plotted, which are distributed spatially and energetically via the space charge zone.
  • this is an in-situ deposited SiN layer directly following the p-doped layer and / or within the n-doped space charge zone in the thickness range of at least one monolayer with an areal coverage of the SiN layer of at least 5%.
  • In-situ means in this case, a deposition during the general growth process or in a growth break and usually without removing the substrate from the growth chamber.
  • the SiN layer according to studies by Markurt et al. usually a single atomic layer of SiGaN 3 [T. Markurt et al. Physical Review Letters 110, 036103 (2013)]. It arises when, for example, in a growth step at not too high temperatures only silicon atoms and nitrogen atoms reach the growth front.
  • This SiN layer normally acts surface-masking on the growth of a subsequent GaN layer [H. Lahreche et al., J. Cryst. Growth 205, 245 (1999)], so that island growth and growth progressively, island coalescence occurs until two-dimensional growth.
  • the SiN layer very thin, ie in the nominal thickness range under a monolayer, equivalent to only partial coverage of the underlying layer with a thin, usually a monolayer thick layer of material no significant island growth or an immediate coalescence and then two-dimensional growth takes place .
  • silicon in the Group III nitrides is a shallow donor, the incorporation of a SiN layer offers some advantages.
  • the procedure described by way of example for the deposition of the SiN layer does not exclude the addition of further species and their possible incorporation.
  • the organometallic gas phase growth of a GaN layer with a nominal silicon doping of more than 2 ⁇ 10 19 cm -3 is considered to be a deposition of an SiN layer, since the formation of SiN is considered to be probable
  • Other methods such as scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, or X-ray reflection, are usually difficult to detect and do not measure the thickness well
  • the layer thickness of a SiN reference layer is the basis or reference for the thickness specification.
  • Deep impurities in the context of this invention are all defects with an activation energy between the shallow donors such as Ge and Si in GaN, which significantly generate the n-doping and flat acceptors such as Mg, which generate the p-doping significantly.
  • a deep defect of the invention is more than 300 meV away from the respective bands.
  • the energy is half the energy of the band gap, two impurities 1/3 above the valence band and 1/3 below the conduction band, three impurities one in the middle of the band gap and the other two respectively in the middle between this and the respective band, etc.
  • the effective barrier thickness can be approximately halved, and thus the tunneling rate doubled [for the tunnel rate, see, eg. BSM Sze and Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons 2007, p. 423 ff], eg from 10 "30 to 10 " 15 , which gives realistic values for GaN-based tunnel junctions with barrier thicknesses or space-charge zone widths of around 10 nm at doping concentrations according to the invention. Important for this is sufficient current carrying capacity, eg. B.
  • N-type semiconductors are semiconductors that have an excess of free electrons over free holes. This is usually due to shallow donors, such. B. Si or Ge, provided that their concentration is greater than that of the shallow and deep acceptors. In the equilibrium case, the electron concentration in the n-type semiconductor is greater than the hole concentration. For p-type semiconductors, these have an excess of holes and the concentration of flat acceptors is larger than the shallow and deep donors.
  • flat are donors and acceptors when they are mostly ionized at room temperature ⁇ 300 K.
  • the chemical concentration of the flat impurity dopant usually corresponds approximately to the charge carrier concentration currently the usual acceptor magnesium for the p-doping, which is about 200 meV deep above the valence band of GaN and therefore only too is ionized to a small extent in this semiconductor, but should also be considered as a flat acceptor in the context of this invention.
  • the layer production in the MOVPE takes place, for example, by applying a 5-20 nm thick Mg-doped layer to an LED structure terminating with a p-GaN: Mg layer. This is usually more conductive than the previous layer, but only for a few nanometers without degradation of the layer feasible. During the last 5 nm of the growth of this layer, a dopant source is now opened in order to achieve a high deep impurity concentration.
  • This source is ideally opened even when the first nanometers of the n-type layer are grown.
  • the n-layer is ideally grown in the MOVPE with the dopant germanium as n-dopant, since it enables very high carrier concentrations of more than 10 20 cm -3 with good layer quality or the growth conditions for the intrinsic impurity is turned off after 1 -20 nm of the n-layer and grown the rest of the layer without a targeted doping with deep impurities.
  • dopants are usually entrapped in the n-layer and depending on the type of impurity, so if acceptor or donor, the doping in one area better than in both, if the impurity is present in about the middle of the depletion zone in sufficient concentration.
  • the concentration is crucial for a good current transport, since the charge carrier capture and charge carrier emission processes of the defect significantly determine the current carrying capacity. Without sufficient concentration or sufficiently fast capture and emission processes of the deep impurity, direct tunneling predominantly takes place, which leads to high resistances due to the then low tunneling currents.
  • the invention relates to all manufacturing processes with which doped group III nitride layers can be produced and to all types of components that require a tunnel diode or where it can be advantageously used for its properties.
  • an impurity or impurity type in the text are, if physically possible in principle, also included several impurities or types of defects.
  • the tunnel diodes can be realized as p / n but also n / p diodes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein AIGaInN basiertes Halbleiterbauelement sowie ein Bauelementmodul hieraus, enthaltend eine Tunneldiode (1, 2, 3, 4), selbige umfassend eine n-dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Elektronenkonzentration ≥ 1x1019 cm-3 und eine p-dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Löcherkonzentration ≥ 7x1017 cm-3, gekennzeichnet durch tiefe Störstellen erzeugende Fremdatome in mindestens einem Teilbereich, der sich im Kontaktbereich der p- und n-leitenden Schichten ausbildenden Raumladungszone mit einer Flächenkon- zentration tiefer Störstellen >6x1011cm-2, die mindestens einen energetischen Zustand unterhalb des energetischen Niveaus des n-Dotanden bzw. oberhalb des energetischen Niveaus des p-Dotanden innerhalb der Bandlücke des jeweiligen Materials erzeugen.

Description

Bauelement im System AIGalnN mit einem Tunnelübergang
Die Erfindung betrifft ein Gruppe-Ill-Nitrid basiertes Halbleiterbauelement und Bauelementmodul mit einem sogenannten Tunnelübergang.
Ein Tunnelübergang kann in Halbleiterstrukturen mit einem Übergang zwischen einer p-dotierten, elektrisch leitfähigen Schicht und einer n-dotierten, elektrisch leitfähigen Schicht (p/n-Übergang) entstehen, wenn einerseits eine genügend ho- he Dotierung auf beiden Seiten des Übergangs erreicht wird und andererseits die sich zwangsweise ausbildende Raumladungszone eine sehr kleine räumliche Ausdehnung hat.
Der Tunnelvorgang beruht auf einem quantenmechanischen Prozess, wodurch Elektronen aus dem Leitungsband des n-dotierten Halbleiterbereichs in freie Zustände des Valenzbandes des p-dotierten Halbleiters bzw. umgekehrt Löcher aus dem Valenzband des p-dotierten Halbleiters in freie Zustände im Leitungsband des n-dotierten Halbleiters übergehen und dabei den Ladungstyp von negativ zu positiv bzw. von positiv zu negativ wechseln. Der quantenmechanische Prozess des Tunnelns setzt voraus, dass sich die Zustandsfunktionen der beteiligten Zustände energetisch und räumlich überlappen. Die Tunnelwahrscheinlichkeit und somit der elektrische Widerstand der an dieser Grenzschicht im Bauelement erzeugt wird, hängt somit von der energetischen Lage der beteiligten Zustände und ihrer räumlichen Separation infolge der Raumladungszone ab. Diese Parameter lassen sich vor allem durch eine sehr hohe Dotierung in den entsprechenden Schichten am Übergang optimieren.
Tunnelübergänge werden in vielen Halbleiterbauelementen eingesetzt. Sie sind z. B. für Mehrfachsolarzellen unverzichtbar um die Einzelzellen ohne große Ver- luste im Halbleiterschichtstapel miteinander in Serie zu verbinden. Sie werden aber auch in Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, um übereinander gewachsene LED-Strukturen elektrisch zu verbinden, was für die Lichtleistung pro Fläche vorteilhaft ist. Man spricht dabei oft statt von einem Tunnelübergang auch von einer Tunneldiode, die in der Regel in Sperrrichtung betrieben wird. Dabei wird hier mit Tunnelübergang ein Tunnelprozess in einer Tunneldiode bezeichnet. In Gruppe-Ill-Nitriden sind Tunnelübergänge bislang jedoch nur schwer realisierbar. Dies liegt hauptsächlich an der niedrigen erzielbaren p-Dotierung durch Einbau von Akzeptoren und damit einer relativ großen Ausdehnung der Raumla- dungszone auf der p-leitenden Seite. Abhilfe kann man unter Ausnutzung von pie- zo- und pyroelektrischen Feldern schaffen indem man z. B. eine Folge von p-GaN/lnGaN/n-GaN wächst, wobei das InGaN hier nur wenige nm dick ist. Durch die Piezofelder entstehen hohe Löcherkonzentrationen an der p-GaN/InGaN Grenzfläche und hohe Elektronenkonzentrationen an der InGaN/n-GaN Grenzfläche. Wesentlich ist jedoch die durch die Polarisationsfelder entstehende starke Bandverbiegung, die eine schmale Raumladungszone erzeugt und damit ein direktes Tunneln von Ladungsträgern vom Leitungs- ins Valenzband fördert [J. Simon et al. Phys. Rev. Lett. 103, 026801 (2009); S. Krishnamoorthy et al., Appl. Phys. Lett. 97, 203502 (2010).]. Jedoch ist die Leistungsfähigkeit dieser Tunneldioden beschränkt und der Einsatz in Lichtemittern durch die mögliche Licht- absorption des InGaN nachteilig für viele Anwendungen. Man strebt daher an, einen homoepitaktischen Übergang, wie z.B. p-GaN/n-GaN, p-AIGaN/n-AIGaN, p- AllnN/n-AllnN oder ρ-lnGaN/n-lnGaN zu realisieren, allgemein einen Übergang vom Typ p-AIGalnN/n-AIGalnN. Um dies zu erzielen, muss neben einer hohen Elektronenkonzentration eine möglichst hohe Löcherkonzentration erreicht werden. In industriell eingesetzten Methoden wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie lassen sich m it Magnesium- Atomen in GaN-Schichten Löcherkonzentrationen von etwa 1 -3x1018 cm"3 mit Mg- Konzentrationen im Bereich von 1019 cm"3 erzielen. Mit aufwendigeren und kosten- intensiveren Wachstumstechniken können noch etwas höhere p-Dotierungen bis etwa 1x1019 cm"3 erreicht werden. Letzteres ist für eine Tunneldiode beschrieben worden [Hironori Okumura et al., Applied Physics Letters 108, 072102 (2016)]. Jedoch wurden diese Tunnelübergänge mit der Molekularstrahlepitaxie realisiert, einem Verfahren, das sehr hohe Löcherkonzentrationen ermöglicht, jedoch indust- riell nicht für die Massenproduktion von Gruppe-Ill-Nitrid-Bauelementen eingesetzt wird. Mit der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD, MOVPE) sind die dort erzielten Löcherkonzentrationen nach heutigem Kenntnisstand nicht möglich. Auch beschrieben wird dort die Vermutung, dass am Tunnelprozess Störstellen innerhalb der Bandlücke beteiligt sind, da die erzielbare Barrierendicke für eine hohe Tunnelrate und damit die gemessenen Ströme nicht ausreicht. Diese Eigendefekte will man in der Regel unterbinden, denn das entsprechende Material hat meist Nachteile wie geringere Ladungsträgermobilität, unerwünschte Absorption etc, insbesondere wenn sich diese Defekte nicht nur auf eine dünne Schicht beschränken. Auch ist die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften solch einer Tunneldiode gering, was für eine Massenanwendung untauglich ist. Es besteht daher die Aufgabe eine verbesserte Tunneldiode zu erzielen, die eine gut reproduzierbare hohe Qualität aufweist.
Die vorliegende Erfindung löst dies für ein AIGalnN basiertes Halbleiterbauelement, enthaltend eine Tunneldiode, selbige umfassend eine n-dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Elektronenkonzentration > 1x1019 cm"3 und eine p- dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Löcherkonzentration > 7x1017 cm"3, gekennzeichnet durch tiefe Störstellen erzeugende Fremdatome in mindestens einem Teilbereich, der sich im Kontaktbereich der p- und n-leitenden Schichten ausbildenden Raumladungszone mit einer Flächenkonzentration tiefer Störstellen >6x1011cm"2 bzw. einer Volumenkonzentration von >5x1017 cm"3, die mindestens einen energetischen Zustand unterhalb des energetischen Niveaus des n-
Dotanden bzw. oberhalb des energetischen Niveaus des p-Dotanden innerhalb der Bandlücke des jeweiligen Materials erzeugen.
Die minimale Ausdehnung der Dotierung mit tiefen Störstellen soll sich hierbei über einen Teil der Raumladungszone erstrecken, kann aber auch darüber hinaus reichen, wie es bei der Schichtherstellung von extrem dünnen Schichten oft durch Verschleppung von Ablagerungen in der Wachstumskammer oder durch Segrega- tion von Atomen an die Wachstumsfront vorkommt. Dabei sind die angegebenen Flächendichten bezogen auf eine zwischen 0,25 nm bis maximal 10 nm dicke Schicht in der Raumladungszone. Dabei wird diese Dotierung vorzugsweise in einem 1 bis 3 nm dünnen Bereich erzielt.
Durch die eingebrachten Fremdatome ist beabsichtigt, zusätzlich für den Tunnelprozeß geeignete energetische Zustände im Bereich der Raumladungszone zu erzeugen. Dadurch überlappen auch die Zustände der tiefen Störstelle mit den Anfangs- und Endzuständen im Tunnelprozeß und sorgen durch ihre Lage innerhalb der Raumladungszone, d. h. dem geringeren räumlichen Abstand zu Elektronen und Löchern effektiv für eine Verbesserung des räumlichen Überlapps. Der Tunnelprozeß findet dann z. B. zwischen Elektronen und der Störstelle (Elektron besetzt Störstelle) und in einem zweiten Schritt zwischen Störstelle und Löchern statt (Elektron auf der Störstelle rekombiniert mit einem Loch im p-Halbleiter). Damit ermöglichen sie auch bei niedrigeren p-Dotierungen als für hohe Tunnelwahr- scheinlichkeit notwendig eine hohe Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen den Elektronen und Löchern im Leitungs- bzw. Valenzband, wobei die tiefe Störstelle am Tunnelprozeß beteiligt ist und die effektive Barrierendicke verringert. Durch das gezielte Einbringen ausgewählter Dotanden kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der Tunneldiode erzielt werden, insbesondere sind die Tunneleigenschaften gegenüber einer nur zufälligen Dotierung verbessert.
Um ein gutes Ladungsträgertunneln zu erzielen, wird erfindungsgemäß der Übergangsbereich der Tunneldiode mit energetisch tiefen Störstellen dotiert. Solche Störstellen wirken in Volumenhalbleitern als Einfangzentren für freie Ladungsträger und reduzieren dadurch die Anzahl freier Ladungsträger (sog. Kompensationseffekt). Trotzdem können solche Störstellen im Bereich einer Raumladungszo- ne unterstützend auf den Tunnelprozess wirken. Freie Ladungsträger, die durch einen tiefliegenden Störstellenzustand eingefangen werden, können in das ge- genüberliegende Band wieder abgegeben werden.
Sofern es ein tiefer Akzeptor ist, kompensiert dieser keine Löcher im p-dotierten Bereich, ein tiefer Donator kompensiert keine Elektronen im n-dotierten Bereich. Erfindungsgemäß sind akzeptorartige, tiefe Störstellen zu bevorzugen, da die er- zielbare Konzentration des flachen Donators in den Gruppe-Ill-Nitriden sehr hoch ist. Bei einer wachstumsbedingten Verschleppung des Einbaus der tiefen Störstellen in den n-dotierten Bereich des Halbleiterübergangs wird der tiefe Akzeptor hier zu keinem nennenswerten Einbruch der Elektronenkonzentration führen. Zudem kann ein tiefer Akzeptor auf der p-Seite dort unerwünschte Donatoren kompensie- ren und so die effektive Akzeptorendichte und Löcherkonzentration auf der p-Seite erhöhen. Bei einem tiefen Donator führt dieser, sofern wachstumsbedingt auf der p-leitenden Seite des Übergangs eingebaut, zu einer Abnahme der Löcherkonzentration und damit zu einer für den Tunnelprozess nachteiligen Verbreiterung der Raumladungszone.
Eine vorteilhafte Dotierung mit tiefen Störstellen erzeugenden Fremdatomen ist die Dotierung mit einem Übergangsmetall oder Kohlenstoff. Auch führt die Dotierung mit Zinn, einem Gruppe-IV Element bei hohen Zinn-Konzentrationen über 1018 cm"3 zum Einbau erfindungsgemäßer tiefer Zentren. Diese Dotanden können einfach mit kommerziell erhältlichen Quellen, im Fall der MOVPE mit metallorganischen Quellen, eingebaut werden. Üblicherweise verwendet man solche Dotanden um möglichst hochohmige Schichten zu erzielen. Insbesondere setzen sie durch erhöhte Ladungsträgerstreuung auch die Mobilität im Halbleiter herab. Das gezielte Einbringen in n- oder-p-dotierte Schichten ist daher nicht angezeigt. Im Fall der Tunneldiode ist bei der Dicke der notwendigerweise dotierten Schicht jedoch kein messbarer Nachteil für den Ladungsträger- transport zu beobachten, im Gegenteil verbessern diese Dotanden den Ladungsträgertransport durch eine Erhöhung der Tunnelwahrscheinlichkeit.
Vorteilhaft verwendet man eine Dotierung mit einer akzeptorartigen tiefen Störstelle in der p-leitenden Schicht und einer donatorartigen tiefen Störstelle in der n- leitenden Schicht. Dies, da dann keine Kompensation der vorhandenen Dotierung mit flachen Störstellen, die die Ladungsträgerkonzentration bestimmen auftritt. Im Gegenteil kann dies helfen vorhandene n-Dotierungen im p-leitenden Gebiet zu kompensieren und umgekehrt p-Dotierungen, wie eine Verschleppung des p- Dotanden im n-leitenden Gebiet, was in einer reduzierten Raumladungszone und damit verbesserten Tunneleigenschaften resultiert.
Eine weitere Methode erfindungsgemäße tiefe Störstellen zu erzeugen und einen verbesserten abrupten p/n-Übergang erfolgt über eine in-situ abgeschiedene SiN- Schicht direkt folgend der p-dotierten Schicht und/oder innerhalb der n-dotierten Raumladungszone im Dickenbereich von zumindest einer Monolage mit einer Flächenbedeckung der SiN-Schicht von mindestens 5 %. Besser als eine Bedeckung der SiN -Schicht von 5 % ist dabei eine Bedeckung von 10 %, ideal eine Bedeckung über 30 %. Die SiN Maskierung wirkt dabei auch als n-dotierende Schicht und unterstützt dabei, wenn direkt auf der p-dotierten Schicht abgeschieden einen abrupten p/n- Übergang, was die Tunneldiodeneigenschaften positiv beeinflusst. Durch die Struktur der SiN-Schicht bzw. der dadurch verursachten Störung des Kristallgitters erzeugt sie mehrere tiefe Zentren die erfindungsgemäß eingesetzt werden kön- nen. Diese durch die SiN-Abscheidung erzeugten Störstellen ermöglichen ein Tunneln über kurze Distanzen bzw. verringern die effektive Barrierendicke und ermöglichen damit hohe Tunnelströme.
Die ideale energetische Lage der tiefen Störstelle liegt bei einer verwendeten tie- fen Störstelle in etwa in der Mitte der Bandlücke. Genauer ist dies eine Störstelle mit einer energetischen Lage E = EG/2 (1 ±0.20) innerhalb der Bandlücke EG. Diese liegt räumlich, in den Figuren 1 -4 in der x-Achse, in etwa mittig in der Raumla- dungszone und ist für Elektronen wie auch Löcher räumlich in etwa mittig angeordnet, so dass die Tunnelbarriere in beiden Richtungen in etwa halbiert ist.
Dadurch wird der Tunnelstrom bestmöglich erhöht. Dabei kann man dies verbessern wenn man mehrere tiefe Zentren einbringt die folgende Beziehung erfüllen: n (n, ganze Zahl >2) Störstellen mit energetischen Lagen EStörsteiie,m innerhalb der Bandlücke EG, die jeweils EStörsteiie,m = Ev + m*EG / (n+1 ), (m ganze Zahl < n, Ev: Maximale Energie des Valenzbands) folgen, wobei die maximale Abweichung der energetischen Lage ΔΕ weniger als EG / (n+1 ) (1 ±0.30) beträgt. Dies wird genauer in einer Ausführungsmöglichkeit zu Figur 4 beschrieben.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Tunneldiode kann ein Bauelement wie eine Leuchtdiode einfach kontaktiert werden. Die Tunneldiode wird dann in Sperrrich- tung betrieben auf der in Vorwärtsrichtung betriebenen Leuchtdiode aufgebracht. In den meisten Fällen wird eine Tunneldiode genutzt um durch das vorhandene hoch leitfähige Nitrid, die hoch n-dotierte Schicht mit idealerweise n>1x1020 cm"3, eine gute laterale Stromverteilung für ein darunterliegendes Bauelement zu erzielen wie unter anderm in der DE 10 2015 108 875.4 beschrieben. Sie sind aber auch geeignet einzelne Bauelemente in Serie miteinander zu verbinden, wie es bei Tandem- und Mehrfachsolarzellen der Fall ist.
Als einzelnes alleinstehendes Bauelement sind Tunneldioden geeignet für Hochfrequenzanwendungen. Hierfür sind die Gruppe-I I I-Nitride durch ihre hervorragen- den Eigenschaften wie unter anderem gute Wärmeleitung, hohe Durchbruchfeld- stärke und hohe Driftsättigungsgeschwindigkeit ideal geeignet.
Die erfindungsgemäße Tunneldiode kann auch Bestandteil eines Bauelementmoduls sein.
Beispielhaft wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Es zeigen: eine Tunneldiode ohne angelegte Spannung und ohne tiefe
Störstellen Fig. 2 eine Tunneldiode in Sperrrichtung,
Fig. 3 eine Tunneldiode in Sperrrichtung mit erfindungsgemäßen Fremdatomen und
Fig. 4 eine weitere Ausführung der Tunneldiode in Sperrrichtung mit erfindungsgemäßen Fremdatomen, wie z. B. in Anspruch 7 genannt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines p/n-Übergangs ohne anliegende, äußere elektrische Spannung in Form eines Energie-Ortsdiagramms mit Leitungsband 100, Valenzband 101 , Ferminiveau 102 und Raumladungszone 103 und Breite der Tunnelbarriere 104, die durch die Ladungsträgerbesetzung der Bänder und thermisch angeregte Ladungsträger schmaler ist als die Raumla- dungszone. 105 sind Löcher oder Defektelektronen im Valenzband, 106 Elektronen im Leitungsband. 109 ist die Grenze zwischen p-dotiertem Bereich 107 und n- dotierten Bereich 108. Die relative energetische Verteilung der Ladungsträger ei- nes Ladungstyps wird durch das Ferminiveau beschrieben.
Aus der Lage des Ferminiveaus im p-Material oberhalb des Valenzbandes im linken Bereich außerhalb der Raumladungszone (flache horizontale Bänder) ist ersichtlich, dass sich nur wenige Löcher im Valenzband befinden. Im n-Material liegt das Ferminiveau oberhalb des Leitungsbands und daher sind sehr viele Elektronen im Leitungsband vorhanden. Häufig werden Dotierungshöhen, die zu einer solchen Lage des Ferminiveaus im Band führen auch mit n++ bzw. p++ gekennzeichnet was hier der besseren Lesbarkeit wegen ausgelassen wurde und nur mit n bzw. p bezeichnet ist. Tunnelprozesse sind für die Ladungsträger möglich, für die sich ein energetisch gleiches Niveau im Valenz- bzw. Leitungsband findet (horizontaler Pfeil; 104), dass durch den entgegengesetzten Ladungsträgertyp besetzt ist.
Um hohe Tunnelraten zu erzielen, muss zusätzlich die Raumladungszone schmal sein, was durch eine hohe Dotierung erzielt wird. Ideal sind daher p- und n-Seite so hoch dotiert, dass das Ferminiveau jeweils unterhalb des Valenzbandmaximums bzw. des Leitungsbandminimums liegt, was jedoch bei Gruppe-Ill-Nitriden für die p-Seite schwierig ist. Die Tunneldiode bzw. der Tunnelübergang wird nun durch Anlegen einer negativen Spannung an den p-dotierten Bereich und einer positiven Spannung an den n-dotierten Bereich in Sperrrichtung betrieben, um den Ladungsträgertransport zu ermöglichen. In Folge der angelegten Spannung werden die Energieniveaus der Leitungs- und Valenzbänder der n- und p-dotierten Bereiche gegeneinander verschoben und somit lassen sich weitere Paare energetisch gleicher Zustände am Übergang erzeugen. Die gleichzeitige Vergrößerung der Raumladungszone ist abhängig von der Dotierung in den jeweiligen Bereichen. Ideal liegt der Spannungsabfall am Tunnelübergang dabei möglichst nahe 0 V und nur die effektive Tunnelbarriere verringert sich. Dies ist in Figur 2 schematisch gezeigt.
Hier sind 200 das Leitungsband, 201 das Valenzband, 202 das Ferminiveau im n- Halbleiter, 203 das Ferminiveau im p-Halbleiter, 204 Elektronen, 205 Defektelektronen bzw. Löcher und 206 soll die Breite der Tunnelbarriere angeben, die gegenüber dem spannungslosen Fall 104 verringert ist. Hier können nun bei ausreichend kleiner Breite von 206 Ladungsträger tunneln. Dabei werden auch immer einige Ladungsträger durch thermische Anregung in die Randbereiche der Raum- ladungszone injiziert, also in Figur 2 jeweils etwa bis an die Enden des Pfeils 206. Dieser Prozess wurde hier der Einfachheit halber nicht eingezeichnet. Die Dicke der Schicht 206 beträgt dabei nur wenige Nanometer, um den Tunnelprozeß überhaupt zu ermöglichen. Wie breit die Raum ladungszone ist, hängt empfindlich von der Ladungsträgerkonzentration bzw. der Konzentration ionisierter Donato- ren/Akzeptoren ab. Da Magnesium in den Gruppe-Ill-Nitriden nur zum Teil ionisiert, liegt hier die Schwierigkeit eine ausreichend dünne Tunnelbarriere zu realisieren.
Figur 3 zeigt ebenfalls einen Tunnelübergang einer Tunneldiode unter Sperrrich- tung, analog zu Figur 2. Hier sind 300 das Leitungsband, 301 das Valenzband, 302 das Ferminiveau im n-Halbleiter, 303 das Ferminiveau im p-Halbleiter, 304 Defektelektronen bzw. Löcher, 305 Ektronen, 306 entspricht dem Energieniveau einer tiefen Störstelle im Halbleiter, das durch Dotierung beim Wachstum erzeugt worden ist. Ist dies zum Beispiel ein tiefer Akzeptor, der mit einem Elektron be- setzt ist, so kann dieser nun mit einem Loch aus dem p-Halbleiter besetzt werden. Man spricht auch von einer Rekombination des Elektrons mit einem Loch im p- Halbleiter 307. Damit ist die Barriere in diesem Beispiel effektiv nur etwa halb so breit wie im Fall ohne Störstelle. Ein Elektron kann dann wiederum auf den nun unbesetzten Akzeptor vom n-Halbleiter tunneln 308 und der Prozeß beginnt von vorne. Die Störstellenkonzentration sollte dafür mindestens bei einer Volumenkonzentration von 5x1017 cm"3 bzw. einer Flächenkonzentration von 6x1011cm"2 liegen, besser ist ein Wert von 5x1018 cm"3 bzw. 3x1012cm"2 und ideal ein Wert oberhalb von 1x1019 cm"3 bzw. 4.5x1012cm"2. Dabei müssen nur diejenigen Schichtbereiche dotiert sein, die sich innerhalb der Raumladungszone befinden.
Die Raumladungszone befindet sich dabei in etwa zwischen den Enden der eingezeichneten Ferminiveaus im p- (203, 303, 403) und n-Halbleiter (202, 302, 402) bzw. in Figur 1 ist sie angegeben durch den Doppelpfeil 103. Da diese sehr schmal und wegen der leicht möglichen Verschleppung der p- und n-Dotanden nur schwer zu treffen ist, dotiert man meist einen etwas breiteren Bereich von 5 bis 20 nm Dicke mit dem Dotanden, vorzugsweise einem Übergangsmetall oder Kohlenstoff, die für ihre tiefen Störstellenniveaus in Gruppe-Ill/Gruppe-V Verbindungshalbleitern bekannt sind. Aber auch Zinn ist sinnvoll einsetzbar, da es bei hohen Konzentrationen tiefe Störstellen erzeugen kann.
Wachstumsbedingte intrinsische Defekte können erzeugt werden, indem Gallium- Vakanzen z. B. durch niedrige Wachstumstemperatur oder sehr hohe Wachstumsraten forciert werden, Stickstoffvakanzen z. B. durch ein niedriges Angebot an Gruppe-V Atomen. Intrinsische Defekte sind jedoch schwerer in der Konzentration kontrollierbar, und die für die p-Dotierung idealen Wachstumsbedingungen passen im Allgemeinen nicht mit der Erzeugung solcher Defekte zusammen.
Dabei kann auch Kohlenstoff ohne zusätzliche Dotierung durch ein niedriges V-Ill- Verhältnis oder niedrigen Prozessdruck in der Gasphase bei Prozessen der metallorganischen Gasphasenepitaxie eingebaut werden. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Dotierung, die aus den Kohlenwasserstoff resten der üblicherweise verwendeten Metallorganika stammt. Diese Art des Einbaus ist erfindungsgemäß auch möglich, jedoch weniger geeignet, da sie ein optimales Wachstum der p- Schicht verhindert.
Es ist auch sinnvoll, verschiedene Defekte einzubringen, um mehrere energetische Positionen zu besetzen und so den Prozess des Ladungsträgertunnelns über mehrere energetische Niveaus zu führen. Dies ist in Figur 4 durch mehrere Stör- Stellenniveaus innerhalb der Tunnelbarriere dargestellt. Hier sind 400 das Leitungsband, 401 das Valenzband, 402 das Ferminiveau im n-Halbleiter, 403 das Ferminiveau im p-Halbleiter, 404 Defektelektronen bzw. Löcher, 405 Elektronen, 406 entspricht dem Bereich der Tunnelbarriere mit tiefen Störstellen mit unterschiedlicher energetischer Lage in der Bandlücke im feldfreien Fall, die sich durch die Bandverkippung nun nahezu horizontal auf einer energetischen Lage in der Raumladungszone aufreihen.
Prinzipiell sind diese auch vertikal verteilt wie in Figur 3 als 306 für eine energetische Lage, da eine echte Deltadotierung mit verschiedenen Dotanden schwierig ist. Diese x-Verteilung wurde zur einfacheren Darstellung in Figur 4 nicht berücksichtigt. Die Prozesse wie in Figur 3, also 307 - 308 können nun weiter stattfinden oder nun abgewandelt als 407 und 408 mit zusätzlichem Transport 409-41 1 zwischen weiteren Störstellen realisiert werden.
Im Folgenden werden zwei Strukturen angegeben, mit denen erfindungsgemäß hohe Tunnelwahrscheinlichkeiten in Tunneldioden realisiert werden.
In der ersten Ausführung wird der Bereich der Raumladungszone mit einem
Dotanden dotiert, der ein tiefes Akzeptorniveau erzeugt. Dabei ist eine energetische Lage des elektrischen Störstelleniveaus nahe der Mitte der Bandlücke ideal. Es ist für eine sehr gute Leistungsfähigkeit noch ausreichend, wenn eine tiefe Störstelle mit einer energetischen Lage von E = EG/2 (1 ±0.20) innerhalb der Bandlücke EG verwendet wird. Vorteilhaft ist hier insbesondere eine Abweichung der energetischen Lage in Richtung des Valenzbandes, da die Raumladungszone auf der p-Seite infolge der niedrigeren erzielbaren p-Dotierung meist breiter ist als auf der n-Seite.
Die hierdurch erreichte Position der Störstelle und der gleichzeitig bevorzugten, energetischen Angleichung an die Energieniveaus der Ladungsträger in den jeweiligen Bändern bewirkt einen besonders günstigen Überlapp der Wellenfunktionen und führt zu hohen Tunnelwahrscheinlichkeiten. Einige Dotanden erzeugen jedoch auch mehrere akzeptorartige Niveaus. Bevorzugt sind Dotanden, die zumindest ein elektronisches Niveau in der unteren Hälfte und ein elektronisches Niveau in der oberen Hälfte der Bandlücke erzeugen.
In Frage kommen Eisen-Atome, welche ein tiefes Niveau in der oberen Hälfte der Bandlücke erzeugen, Kohlenstoff-Atome, welche ein tiefes Akzeptorniveau in der unteren Hälfte der Bandlücke erzeugen und Zink-Atome, welche ein tiefes Niveau ebenfalls in der unteren Hälfte der Bandlücke erzeugen. Ideal ist daher eine Kodo- tierung von Fe mit einem der beiden anderen Dotanden (C bzw. Zn). Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Unempfindlichkeit gegenüber Dotierstoffverschleppungen, da der gesamte Bereich der Raumladungszone dotiert wird. Ideal sind hierfür Volumenkonzentrationen im Bereich 1x1018 cm"3 bis 1x1019 cm"3, eine Dotierung mit einem Akzeptor wie Magnesium im Bereich von 5x1019 cm"3 und von Germanium im Bereich von 1x1020 cm"3. Dabei heißt "im Bereich" ±30 % dieser Konzentration. Durch die hohe Konzentration flacher Donatoren hat die auch auf der n-Seite vorhandene Dotierung mit tiefen Akzeptoren keine nennens- werte Auswirkung auf die effektive Donatoren konzentration und damit auf die Raumladungszonenbreite.
Die andere Möglichkeit, wenn auch verfahrenstechnisch schwerer umsetzbar, ist die p-Seite, wie im ersten Beispiel beschrieben, mit einem oder mehreren tiefen Akzeptoren zu dotieren und die n-Seite mit einem tiefen Donator wie z. B. Titan zu versehen. Problematisch ist bei diesem Verfahren insbesondere die gezielte Einstellung der energetischen Mitte der Raumladungszone durch die Änderung der Dotierung von p-auf n-GaN mit handelsüblichen Schichtabscheidungsanlagen. Ein bekanntes Problem ist die Verschleppung von Mg-Atomen in nachfolgenden Schichten, so dass bei Tunnelübergängen Mg-Atome noch wenige Nanometer in die nominell n-leitende Schicht eingebaut werden. Ebenso zeigt der Einbau von Ge-Atomen in wachsende GaN-Schichten eine Verzögerung, die zu einer submaximalen Ge-Konzentration im Bereich des Tunnelübergangs führt. Daher muss bei dieser Vorgehensweise meist experimentell der ideale Schaltpunkt für die tiefen Störstellendotanden gefunden werden, da er nicht zwingend gleich ist mit den p- und n-Dotanden. Bei umgekehrter Reihenfolge des Tunnelübergangs, p-GaN wird auf n-GaN gewachsen, muss auf diese Besonderheiten weniger Rücksicht genommen werden. Bei p/n Übergängen kann aber auch die Abscheidung einer SiN Maske direkt auf der p-dotierten Schicht zur besseren Definition des Übergangs genutzt werden. Vorteilhaft ist diese Kombination, da dann gleichzeitig weitere tiefe Störstellen über die Störung des Kristallgitters durch das SiN eingebracht werden. Eine dritte, verfahrenstechnisch noch schwerer umsetzbare Möglichkeit ist die gezielte Dotierung mit tiefen Akzeptoren oder Donatoren innerhalb der Bandlücke. Wenn man z. B. vier Dotanden hat kann dies ideal realisiert werden, wenn in der p-Schicht erst eine tiefe Störstelle, vorzugsweise ein Akzeptor, mit einer Energie die etwa 1 /5 der Energielücke über dem Valenzband liegt in einem Bereich von 1 - 3 nm Dicke dotiert, gefolgt von einer tiefen Störstelle, vorzugsweise ein Akzeptor, mit einer Energie etwa bei 2/5 der Energielücke über dem Valenzband in einem Bereich von 1 -3 nm Dicke, dann eine tiefe Störstelle, vorzugsweise ein Donator, mit einer Energie die bei etwa 3/5 der Energielücke über dem Valenzband liegt in einem Bereich von 1 -3 nm Dicke dotiert, gefolgt von einer tiefen Störstelle, vorzugsweise ein Donator, mit einer Energie die etwa bei 4/5 der Energielücke über dem Valenzband liegt in einem Bereich von 1 -3 nm Dicke. Alternativ zur Dotierung einer Schicht kann auch eine Deltadotierung ca. bei 1/5, 2/5, 3/5 und 4/5 der zu erwartenden Raumladungszone erfolgen.
Die Lage des dotierten Bereichs bzw. der Deltadotierung sollte ideal räumlich äquidistant über der Raumladungszone liegen. D.h. sie sollte der Bedingung ge- nügen bei der n (n, ganze Zahl >2) Störstellen mit energetischen Lagen EStörsteiie,m innerhalb der Bandlücke EG, die jeweils EStörsteiie,m = Ev + m*EG / (n+1 ), (m ganze Zahl < n) folgen, wobei die maximale Abweichung der energetischen Lage ΔΕ weniger als EG / (n+1 ) (1 ±0.30) beträgt. Anschaulich kann dies in Figur 4 für die tiefen Störstellen 406 beschrieben werden. Hier sind vier Energieniveaus eingezeichnet, welche sich über die Raumladungszone örtlich und energetisch verteilen. Durch die Bandverbiegung sind sie in etwa auf derselben energetischen Lage. In obiger Beschreibung wären dann von links ausgehend (p-Gebiet), erst die beiden idealerweise akzeptorartigen Niveaus und schließlich im Bereich der nominell n-dotiert ist die beiden Donatoren. Je nach p-Dotierung kann es vorteilhaft sein, die ersten drei dieser Beispielhaft genannten Störstellen als Akzeptoren zu dotieren, da diese noch innerhalb des p-Gebiets liegen können.
Durch diese Vorgehensweise können Ladungsträger ideal über die Störstellen tunneln. jedoch ist es schwierig geeignete Dotanden für diese Vorgehensweise zu finden und es ist verfahrenstechnisch aufwendig mehrere Dotierstoffe einzusetzen, da ein Dotand in der Regel nicht alle gewünschten Störstellen zur Verfügung stellen kann. In der Regel sind dies erfahrungsgemäß höchstens zwei tiefe Störstellen (Akzeptor und Donator) in der Bandlücke. Auch wenn es mehr wären würde durch einen geeigneten Dotanden energetisch vor einem Akzeptor höchstens ein Doppelakzeptor in der Bandlücke liegen und kein Donator, so dass die Reihenfolge bei einem Dotanden mit vier Niveaus in der Bandlücke nicht eingehalten werden könnte. Daher ist diese Vorgehensweise schwieriger umsetzbar. Um das Quellenproblem zumindest in der MOVPE zu umgehen ist es prinzipiell möglich eine spezielle Quelle aus den gewünschten Dotanden zu erzeugen, die alle Dotanden oder die Akzeptor- bzw- Donatordotanden enthalten wenn der Dampfdruck der verwendeten Metallorganika ähnlich ist. Dann muss jedoch der gesamte Bereich dotiert werden. In Frage kommen in obigem Beispiel als Akzeptoren mit wachsendem Abstand vom p-Gebiet hin zum n-Gebiet z. B. Zn, C und Fe und als Donator im n-Gebiet Ti, Zr oder Hf. Eine weitere Art den Übergang für eine Tunneldiode zu verbessern, besteht im Wachstum einer in-situ abgeschiedenen, sogenannten SiN-Schicht im Dickenbereich unter einer Monolage, ideal direkt an der Grenzfläche zwischen p- und n- Halbleiter. Im Allgemeinen ist dies eine in-situ abgeschiedene SiN-Schicht direkt folgend der p-dotierten Schicht und/oder innerhalb der n-dotierten Raumladungszone im Dickenbereich von zumindest einer Monolage mit einer Flächenbedeckung der SiN- Schicht von mindestens 5 %. In-situ bedeutet hierbei, eine Abscheidung während des allgemeinen Wachstumsprozesses bzw. in einer Wachstumspause und in der Regel ohne das Substrat aus der Wachstumskammer zu entfernen. Die SiN- Schicht stellt nach Untersuchungen von Markurt et al. meist eine einzelne atomare Lage von SiGaN3 dar [T. Markurt et al. Physical Review Letters 110, 036103 (2013)]. Sie entsteht, wenn zum Beispiel in einem Wachstumsschritt bei nicht zu hohen Temperaturen nur Silizium-Atome und Stickstoffatome zur Wachstumsfront gelangen. Diese SiN-Schicht wirkt normalerweise oberflächen-maskierend auf das Wachstum einer nachfolgenden GaN-Schicht [H . Lahreche et al., J. Cryst. Growth 205, 245 (1999)], so dass ein Inselwachstum und mit fortschreitendem Wachstum langsam eine Inselkoaleszenz bis zum zweidimensionalem Wachstum auftritt. Ist die SiN-Schicht sehr dünn, d. h. im nominellen Dickenbereich unter einer Monolage, gleichbedeutend mit einer nur teilweisen Bedeckung der darunterliegenden Schicht mit einer dünnen, meist eine Monolage dicken Schicht des Materials findet kein nennenswertes Inselwachstum bzw. eine sofortige Koaleszenz und anschließend zweidimensionales Wachstum statt. Obwohl Silizium in den Gruppe-Ill- Nitriden ein flacher Donator ist, bietet die Einbringung einer SiN-Schicht einige Vorteile. Durch die Strukturunterbrechung des Kristallgitters enthält bzw. erzeugt sie erfindungsgemäße tiefe Zentren, die vorteilhaft für den Tunnelprozess sind. Es handelt sich also um tiefe Störstellen erzeugende Fremdatome wobei hier Si keine oder kaum flachen Donatoren ausbildet, sondern die SiN Bedeckung tiefe Zentren erzeugt. Die Art und Weise der Abscheidung der SiN-Schicht entspricht inhärent einer idealen Delta-Dotierung mit Si-Atomen sehr hoher Konzentration wie sie für Tunnelübergänge erforderlich ist. Ein eventuell dreidimensionales Wachstum der nachfolgenden GaN-Schicht kann für z. B. LED-Strukturen durch die leicht aufge- raute Oberfläche vorteilhaft für die Lichtauskopplung sein.
Die beispielhaft beschriebene Vorgehensweise für die Abscheidung der SiN- Schicht schließt die Zugabe weiterer Spezies und deren eventuellen Einbau nicht aus. Insbesondere wird das metallorganische Gasphasenwachstum einer GaN- Schicht mit einer nominellen Silizium-Dotierung von mehr als 2x1019 cm"3 als Abscheidung einer SiN-Schicht angesehen, da hierbei die Bildung von SiN als wahrscheinlich angesehen wird. Die Dicke lässt sich nur indirekt durch ein langes Ab- scheiden einer SiN Schicht und Rückrechnen auf die Wachstumsrate bestimmen. Andere Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie oder Röntgenreflektion können diese Schicht in der Regel nur schwer erfassen und die Dicke nicht gut bestimmen. Bei der Schichtdickenbestimmung über eine dicke Schicht entsteht in der Regel eine SiN Schicht. Obwohl in der Tunneldiode mit SiN-Schicht für dünne SiN-Schichtdicken meist eine SiGaN3- Schicht entsteht ist hier die Schichtdicke einer SiN Referenzschicht Grundlage bzw. Referenz für die Dickenangabe.
Tiefe Störstellen im Sinne dieser Erfindung sind alle Defekte mit einer Aktivie- rungsenergie zwischen der flacher Donatoren wie Ge und Si in GaN, die die n- Dotierung maßgeblich erzeugen und flacher Akzeptoren wie Mg, die die p- Dotierung maßgeblich erzeugen. Ideal liegt eine erfindungsgemäße tiefe Störstelle mehr als 300 meV von den jeweiligen Bändern entfernt. Idealerweise liegt die Energie bei Verwendung nur einer Störstellenart bei der halben Energie der Band- lücke, bei zwei Störstellen bei 1/3 oberhalb des Valenzbandes und 1/3 unterhalb des Leitungsbandes, bei drei Störstellen eine in der Mitte der Bandlücke und die beiden anderen jeweils mittig zwischen dieser und dem jeweiligen Band, etc.
Für eine optimale Auswahl von Störstellen müssen weitere Parameter wie der Ein- fangquerschnitt und der Typ der Störstelle berücksichtigt werden. In der Realität wird dies letztlich durch die mögliche Auswahl an Dotanden stark eingeschränkt. In Verfahren wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD, MOVPE) sind derzeit Fe und C gebräuchliche Dotanden und geeignete metallorganische Ausgangsstoffe dafür erhältlich. Aber auch Ti, welches sowohl als Metallorgani- kum als auch Chlorid erhältlich ist und erfindungsgemäß eine geeignete tiefe Störstelle erzeugen kann, ist gut verfügbar. Für eine Störstellendotierung geeignet ist auch Zinn, welches insbesondere bei höheren Dotierstoffkonzentrationen geeignete tiefe Störstellen erzeugt.
Mit einer energetisch mittig gelegenen Störstelle lässt sich die wirksame Barrierendicke in etwa halbieren und somit die Tunnelrate verdoppeln [zur Tunnelrate siehe z. B. S.M. Sze und Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons 2007, S. 423 ff], also z.B. von 10"30 auf 10"15, was realistische Werte für GaN basierte Tunnelübergänge mit Barrierendicken bzw. Raumladungszonenbreiten um 10 nm bei erfindungsgemäßen Dotierkonzentrationen sind. Wichtig ist hierfür eine ausreichende Stromtragfähigkeit, z. B. in handelsüblichen LEDs mit derzeit bis zu ca. 1 A/mm2 Stromdichte eine Störstellenkonzentration oberhalb von 5x1017 cm 3, bei einer Verweildauer des Ladungsträgers von 1 ms auf der Störstelle. Die Konzentration der Störstellen um den Strom vollständig transportieren zu können, ist damit auch abhängig von der Rate mit der die Ladungsträger über die Störstelle tunneln. Bei anderen Bauelementen mit höheren Stromdichten muss die Dotierstoffkonzentration höher oder die Verweildauer der Ladungsträger auf der eingesetzten Störstelle bzw. des diesbezüglichen Dotanden geringer sein. n-leitende Halbleiter sind Halbleiter die einen Überschuss an freien Elektronen gegenüber freien Löchern aufweisen. Dies wird meist durch flache Donatoren, wie z. B. Si oder Ge erreicht, sofern deren Konzentration größer als die der flachen und tiefen Akzeptoren ist. Im Gleichgewichtsfall ist im n-Halbleiter die Elektronenkonzentration größer als die Löcherkonzentration. Für p-leitende Halbleiter gilt, dass diese einen Überschuss an Löchern aufweisen und die Konzentration flacher Akzeptoren größer als die flacher und tiefer Donatoren ist.
„Flach" sind im Rahmen dieser Erfindung Donatoren und Akzeptoren, wenn sie bei Raumtemperatur ~ 300 K größtenteils ionisiert sind. In Halbleitern mit geringer Dichte an tiefen Störstellen entspricht dann meist die chemische Konzentration des flachen Störstellendotanden in etwa der Ladungsträgerkonzentration. Eine Ausnahme bildet hier der derzeit übliche Akzeptor Magnesium für die p-Dotierung, der ca. 200 meV tief oberhalb des Valenzbandes von GaN liegt und daher nur zu einem geringen Teil in diesem Halbleiter ionisiert ist, aber im Rahmen dieser Erfindung auch als flacher Akzeptor gelten soll.
Die Schichtherstellung in der MOVPE erfolgt zum Beispiel indem auf eine LED- Struktur, die mit einer p-GaN:Mg Schicht abschließt eine 5-20 nm dicke hoch Mg- dotierte Schicht aufgebracht wird. Diese ist in der Regel leitfähiger als die vorhergehende Schicht, aber nur für wenige Nanometer ohne Degradation der Schicht realisierbar. Während der letzten 5 nm des Wachstums dieser Schicht wird nun eine Dotierstoffquelle geöffnet um eine hohe tiefe Störstellenkonzentration zu er- zielen.
Diese Quelle ist idealerweise auch noch dann geöffnet wenn die ersten Nanometer der n-Typ Schicht gewachsen werden. Die n-Schicht wird dabei in der MOVPE idealerweise mit dem Dotanden Germanium als n-Dotand gewachsen, da dieser sehr hohe Ladungsträgerkonzentrationen von über 1020 cm"3 bei guter Schichtqualität ermöglicht. Diese hohe Konzentration wird auch angestrebt. Der Dotierstoff für die tiefe Störstelle bzw. die Wachstumsbedingungen für die intrinsische Störstelle wird nach 1 -20 nm der n-Schicht abgestellt und der Rest der Schicht ohne eine gezielte Dotierung mit tiefen Störstellen gewachsen.
Möglich ist auch nur im nominell p- oder n-dotierten Bereich die tiefe Störstelle einzubringen. Bei obigem Wachstumsschema verschleppen sich Dotanden meist in die n-Schicht und je nach Störstellentyp, also ob Akzeptor oder Donator, ist die Dotierung in einem Bereich besser als in beiden, sofern die Störstelle in etwa in der Mitte der Verarmungszone in ausreichender Konzentration vorhanden ist.
Dabei ist die Konzentration entscheidend für einen guten Stromtransport, da die Ladungsträgereinfang- und Ladungsträgeremissionsprozesse der Störstelle maßgeblich die Stromtragfähigkeit bestimmen. Ohne ausreichende Konzentration oder ausreichend schnelle Einfangs- und Emissionsprozesse der tiefen Störstelle findet überwiegend direktes Tunneln statt, was aufgrund der dann geringen Tunnelströme zu hohen Widerständen führt.
Die Erfindung bezieht sich auf alle Herstellungsverfahren mit denen sich dotierte Gruppe-Ill-Nitridschichten herstellen lassen und auf alle Bauelementtypen die eine Tunneldiode benötigen bzw. wo dieser für deren Eigenschaften vorteilhaft eingesetzt werden kann. Mit der Erwähnung einer Störstelle oder Störstellenart im Text sind, sofern physikalisch prinzipiell möglich, auch mehrere Störstellen bzw. Störstellenarten mit eingeschlossen. Die Tunneldioden können als p/n- aber auch n/p- Dioden realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . AIGalnN basiertes Halbleiterbauelement, enthaltend eine Tunneldiode (1 , 2, 3, 4) selbige umfassend eine n-dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Elektronenkonzentration > 1x1019 cm"3 und eine p-dotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit einer Löcherkonzentration > 7x1017 cm"3, gekennzeichnet durch tiefe Störstellen erzeugende Fremdatome in mindestens einem Teilbereich, der sich im Kontaktbereich der p- und n-leitenden Schichten ausbildenden Raumladungszone mit einer Flächenkonzentration tiefer Störstellen
>6x1011cm"2, die mindestens einen energetischen Zustand unterhalb des energetischen Niveaus des n-Dotanden bzw. oberhalb des energetischen Niveaus des p-Dotanden innerhalb der Bandlücke des jeweiligen Materials erzeugen.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Dotierung mit einem Übergangsmetall oder Kohlenstoff.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dotierung mit Zinn.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dotierung mit einer akzeptorartigen tiefen Störstelle in der p-leitenden Schicht und einer donatorartigen tiefen Störstelle in der n-leitenden Schicht.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in-situ abgeschiedene SiN-Schicht direkt folgend der p-dotierten Schicht und/oder innerhalb der n-dotierten Raumladungszone im Dickenbereich von zumindest einer Monolage mit einer Flächenbedeckung der SiN-Schicht von mindestens 5 %. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Störstelle mit einer energetischen Lage E = EG/2 (1 ±0.20) innerhalb der Bandlücke EG.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch n (n, ganze Zahl >2) Störstellen mit energetischen Lagen EStörsteiie,m innerhalb der Bandlücke EG, die jeweils EStörsteiie,m = Ev + m*EG / (n+1 ), (m ganze Zahl < n, Ev: Maximale Energie des Valenzbands) folgen, wobei die maximale Abweichung der energetischen Lage ΔΕ weniger als EG / (n+1 ) (1 ±0.30) beträgt.
Bauelementmodul, umfassend zumindest ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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