WO2022180002A1 - Elektronisches bauelement, verfahren zum steuern desselben und verfahren zum herstellen eines elektronischen bauelements - Google Patents

Elektronisches bauelement, verfahren zum steuern desselben und verfahren zum herstellen eines elektronischen bauelements Download PDF

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polarization
polarization state
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Simon FICHTNER
Fabian LOFINK
Bernhard Wagner
Holger Kapels
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to electronic components, for example semiconductor structures. Some embodiments relate to semiconductor heterostructures. Further exemplary embodiments relate to methods for manufacturing electronic components, for example methods for manufacturing semiconductor structures. Further exemplary embodiments relate to a method for controlling an electronic component.
  • Some examples relate to a semiconductor device with improved conductivity.
  • Some examples relate to a High Electron Mobility Transistor (HEMT), for example for use in power converters or in power amplifiers.
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the increase in efficiency and power density is one of the main drivers for the further development of power converters for DC/DC, DC/AC and AC/DC applications.
  • the cooling capacity required is directly dependent on the conversion losses of the supply voltages at the PCB level.
  • the motor integration of power electronic components increases the power density with additional increased requirements for heat dissipation and long-term reliability. Therefore, in recent years, components based on wide-bandgap semiconductors such as silicon carbide (SiC) or group II nitrides (III-N) such as GaN, AlN and InN and their ternary compounds have become increasingly popular in these applications.
  • 2DEGs two-dimensional electron gases
  • the reason for the formation of the 2DEGs is a discontinuity in the polarization of two materials.
  • the polarization is due to the crystal structure of the materials used and includes spontaneous and piezoelectric polarization. Investigations exist for the amount and sign of some polar materials, such as materials with a wurtzite structure [3] - [ 6 ]. corresponds to an electron density of 6x10 13 /cm 2 [2]
  • a charge zone with a particularly high conductivity can form in a hetero-layer structure of an electronic component along an interface of the hetero-layer structure if a first layer and a second layer of the hetero-layer structure are formed in such a way that a Polarization of a polar first material of the first layer is at least partially opposite to a polarization of a polar second material of the second layer.
  • An exemplary embodiment of the present invention creates an electronic component which has, for example, a semiconductor heterostructure, for example a heterolayer structure.
  • the electronic component includes a first layer and a second layer.
  • a major surface, for example a major surface area, of the first layer is arranged opposite a major surface, for example a major surface area, of the second layer.
  • the first layer includes a polarized first material and the second layer includes a polarized second material, which may be different from the first material, for example having a different bandgap than a bandgap of the first material.
  • a polarized material is understood to mean, for example, an electrically polarized material for example a material with a polar crystal structure.
  • polarized materials include pyroelectric materials, which include ferroelectric materials.
  • a polarization of the first material points in a first direction.
  • the second material has at least one polarization state, ie a polarized state, ie the second material can be in at least one polarized state which is characterized, for example, by a polarization direction of the polarization of the second material.
  • the one polarization state may be the only one (eg, a permanent state of the second material) or one of multiple polarization states of the second material.
  • a direction of a polarization of the second material is at least partially opposite to the first direction or at least partially antiparallel to the first direction, at least in the one polarization state of the second material, which corresponds for example to a first of several possible polarization states.
  • the second layer is formed at least in the polarization state such that a charge zone forms along the main surface of the first and/or the second layer, which is conductive at least when the second material is in the polarization state.
  • the charge zone is, for example, a two-dimensional space charge zone, for example a 2DEG, which can be located, for example, in the first layer, in the second layer, or between the first layer and the second layer.
  • a charge zone can form along the main surface of the first and/or the second layer, which is limited in a direction perpendicular to the main surface, in examples to a few nanometers.
  • charge zones which are limited in one dimension, also known as 2DEG, the mobility of charge carriers can be very high, resulting in high conductivity.
  • the charge carrier density in the charge zone can also be influenced very efficiently, for example by means of electric fields. This offers the possibility of implementing transistors, for example for power converters, in which very large currents can be switched with relatively small electric fields.
  • the inventors have recognized that this effect can be achieved with a large number of polarized materials, whereby the magnitude of the effect can depend on the magnitude of the polarization of the materials used.
  • the effect of increased carrier density can be expected for any heterostructure of two layers with polar materials, such as wurtzite structure materials, as long as a state of the two structures can be created in which the polarizations of the two layers are oppositely aligned.
  • this state can be achieved by a suitable deposition process.
  • this condition can be achieved by inverting the polarization of one of the two layers by the application of an electric field, or at least changing it so that the polarization of this layer is at least partially opposite to the polarization of the other of these layers.
  • the first material has a wurtzite crystal structure and the second material has a wurtzite crystal structure.
  • Materials with a wurtzite crystal structure are polar and are therefore particularly suitable for creating a polarization discontinuity between the first layer and the second layer, as a result of which the formation of a two-dimensional electron gas with a high charge carrier density can be achieved. Furthermore, these materials tend to have high band gaps, making them particularly well suited for power electronic components. Due to the fact that both the first material and the second material have a Wurtzite crystal structure, a layer structure which contains the first and the second layer can be produced with particularly few defects, which has a positive effect on the conductivity.
  • the charge carrier density of the charge zone is more than 10 12 cm ⁇ 2 or more than 10 13 cm ⁇ 2 or more than 6 ⁇ 10 13 cm ⁇ 2 when the first material is in the one polarization state.
  • a further exemplary embodiment of the present invention creates an electronic component which has, for example, a semiconductor heterostructure, for example a heterolayer structure.
  • the electronic component has a first layer and a second layer.
  • a skin surface, e.g. a major surface area, of the first layer is disposed opposite a major surface, e.g. a major surface area, of the second layer.
  • the first layer includes a first material having a wurtzite crystal structure. A polarization of the first material points in a first direction.
  • the first direction is perpendicular to the major surface of the first and/or the second layer.
  • the second layer includes a second material having a wurtzite crystal structure.
  • the second material is different from the first material, for example the second material has a different band gap than a band gap of the first material.
  • the second material is ferroelectric.
  • the direction of polarization of the second material is at least partially opposite to the first direction in at least one polarization state, for example a first polarization state of a plurality of possible polarization states, for example a predetermined polarization state.
  • the second material is in or can be set to the polarization state, for example by means of an electric field.
  • the second material includes a transition metal.
  • the second material consists of a combination of several materials, at least one of which is a transition metal. Examples of the electronic component have the functions and advantages described in relation to the previous exemplary embodiments.
  • a charged zone can form along the major surface of the first layer and/or the second layer. Due to the at least partially opposite polarization of the first material in relation to the second material, a polarization discontinuity between the first layer and the second layer is particularly pronounced, as a result of which a particularly high charge carrier density can form in this charge zone.
  • Ferroelectric materials have the property that the orientation of their polarization can be changed by applying an electric field and the orientation of the polarization is retained even when they are no longer exposed to the electric field. A change in the orientation of the polarization of the second material influences the form of the discontinuity in the polarization between the first and the second layer.
  • the charge carrier density in the charge zone to be set.
  • the use of a ferroelectric material can therefore make it possible on the one hand to control the conductivity of the charge zone by setting a polarization state.
  • the changeability of the direction of polarization of the second material can enable a simple production process for an electronic component in which the directions of polarization of the first and second layers are at least partially opposite.
  • the first and second layers can be fabricated by a method that results in a rectification of the polarizations of the first and second layers.
  • By subsequently changing the direction of polarization of the second layer for example by means of an electric field, high conductivity can be achieved in the charge zone in this way.
  • a field strength of a ferroelectric material that is required to change the direction of polarization is also called the coercive field strength.
  • the inventors have recognized that a material which includes a transition metal tends to have a lower coercivity than the corresponding material without a transition metal.
  • the coercive field strength can be below the breakdown field strength, so that these materials can be ferroelectric.
  • Group III nitride compounds that include a transition metal can be ferroelectric, in contrast to their corresponding pure Group III nitride compounds.
  • the charge carrier density of a charge zone along the first layer and/or the second layer is more than 10 12 cnr 2 or more than 10 13 cnr 2 or more than 6x10 13 cm 2 if that first material is in one polarization state. If the charge carrier density is more than 10 12 cm ⁇ 2 , the charge zone is electrically conductive. If the charge carrier density is more than 6 ⁇ 10 13 cm ⁇ 2 , it has a particularly high conductivity, which, for example, is higher than in the solutions known from the prior art.
  • the first material is a nitrogen compound that includes at least one Group III element.
  • the second Material is a nitrogen compound containing at least one Group III element.
  • Group III nitride compounds tend to have high band gaps. In this way, semiconductor components, for example HEMTs, can be designed with particularly low losses by using group III nitride compounds.
  • the second material is a nitrogen compound that includes one or more Group III elements and further includes a transition metal.
  • the inventors have recognized that many Group III nitrogen compound materials that also include a transition metal are ferroelectric. Thus, the advantages of using a ferroelectric material can be combined with the advantages of a large band gap.
  • a stoichiometric proportion of the transition metal in the nitrogen compound is between 10% and 50% of a total stoichiometric proportion of the one or more Group III elements in the nitrogen compound of the second material.
  • the inventors have recognized that such a proportion of the transition metal can ensure a particularly high polarization of the second material.
  • a high charge carrier density can be generated in a charge zone along the main surface of the first layer and/or the second layer.
  • a proportion of more than 10% can ensure that the second material is ferroelectric.
  • the first material is one of GaN, GaScN, AIScN, AIN, InGaN, InGaScN, AIGaN, AIGaScN.
  • the second material is one of AIScN, AlGaScN, GaScN, AlN, AlGaN, AlMgNbN, AlGaN, AlGaScN. These materials offer a particularly good combination of a high band gap and large polarization.
  • the combination of the second material and the first material is one of the following: AIScN/GaN, AIScN/GaScN, AIGaScN/GaN, GaScN/AIScN, GaScN/AIN, AIScN/InGaN, AIScN/ InGaScN, AlMgNbN / GaN. Due to their ratio of the band gaps of the first material and the second material, and the polarizations of the first material and the second material (which can depend on the combination), these combinations are particularly suitable for forming a high charge carrier density in the charge zone.
  • these material combinations can be reliably produced using established manufacturing processes produce, at least so that the directions of polarization of the first and the second material are the same.
  • the first material and the second material can be chosen to have similar lattice constants.
  • the production process for the electronic component can thus be particularly simple and main surfaces of the first material and of the second material that are particularly low in defects can be achieved, which can additionally have a positive effect on the conductivity in the charge zone.
  • the second material is ferroelectric such that a direction of polarization of the second material is changeable.
  • the one polarization state i.e. the previously described polarization state in which the direction of polarization of the second material is at least partially opposite to the first direction, is a first polarization state.
  • the direction of polarization of the second material is at least partially co-directional with the first direction, i.e., for example at least partially parallel to the first direction.
  • At least partially rectified means that the polarization has a directional component pointing in the first direction.
  • the conductivity of the charge zone can be changed between a higher value and a lower value by changing between the first polarization state and the second polarization state.
  • the conductivity of the charge zone can be changed between a higher value and a lower value by changing between the first polarization state and the second polarization state.
  • the electronic component can also be implemented such that the polarization of the second material points in the first direction in a first region and points in the second direction in a second region, so that areas with different conductivity can be implemented. This allows, for example, line ducts to be defined. Furthermore, this example has the advantages described above with regard to a ferroelectric second material.
  • a charge carrier density in a (the) charge zone along the major surface of the first layer and/or the second layer is greater when the second material is in the first state of polarization than when the second material is in the second state of polarization.
  • the second Material and / or the first material are designed so that this effect occurs. This can be achieved, for example, with the materials mentioned above.
  • the electronic component further includes a third layer having a wurtzite crystal structure disposed between the first layer and the second layer.
  • the third layer may change the position of the charge zone so that it is spaced apart from the second layer, for example in the first layer or on the major surface of the first layer (although the charge zone may also extend into the third layer).
  • the first layer can be particularly low in defects since, in examples, it can have been produced epitaxially.
  • the third layer between the first layer and the second layer can reduce the number of surface defects on the major surface of the first layer and/or the second layer compared to an arrangement in which the first layer and the second layer directly adjoin one another, to reduce. This achieves higher conductivity.
  • the second layer makes it possible to compensate for a difference in the lattice constants of the first layer and the second layer. In examples, the polarization of the first and/or the second layer can thus be increased.
  • the second layer has a thickness of less than 50 nm, or less than 30 nm, or less than 10 nm.
  • a layer thickness of less than 50 nm it is possible to achieve a change between the first polarization state and the second polarization state with an electric field of moderate strength.
  • a layer thickness of less than 50 nm makes it possible to contact the charging zone by means of contacts, e.g., source and drain, which are arranged on a further main surface of the second layer opposite the main surface of the second layer. This allows for a simple implementation of the contacts.
  • a layer thickness of less than 50 nm also makes it possible to control the charge carrier density in the charge zone with relatively low gate voltages of the gate electrode opposite the further main surface of the second layer.
  • the electronic component further includes a source contact and a drain contact, wherein the charging region is arranged in series, ie, for example, electrically in series, between the source contact and the drain contact. This allowed the charge zone to be used as a conduction channel.
  • the electronic device further includes a gate electrode. The gate electrode is arranged such that the second layer is sandwiched between the first layer and the gate electrode. By applying an electrical voltage to the gate electrode, it is possible to control the charge carrier density, and thus the conductivity, of the charge zone.
  • the gate electrode is arranged opposite the second layer only in regions, for example in regions with respect to the lateral spread of the gate electrode.
  • a lateral direction can be understood as meaning a direction along, e.g. parallel to, the second layer. This makes it possible to generate different charge carrier densities in areas or locally in the charge zone.
  • the electronic device further includes an electrically insulating layer disposed between the gate electrode and the second layer. It is thus possible to prevent charge carriers from entering the second layer from the gate electrode, as a result of which leakage currents between the gate electrode and the charge zone can be avoided. Additionally or alternatively, this layer can prevent oxidation of the second layer.
  • the second material is ferroelectric such that a direction of polarization of the second material is changeable, wherein the one polarization state of the second material is a first polarization state.
  • the direction of polarization of the second material is at least partially in the same direction as the first direction.
  • the gate electrode is designed to set the second material to the first polarization state at least in a region of the second layer opposite the gate electrode by applying a first voltage having a first polarity to the gate electrode.
  • the gate electrode is designed to adjust the second material to the second polarization state at least in the region of the second layer opposite the gate electrode by applying a second voltage with a second polarity to the gate electrode.
  • Setting can be understood to mean, for example, that the set polarization state, for example the first or second polarization state, is retained if, after the polarization state has been set, there is no longer any voltage present at the gate electrode.
  • the application of the voltage to the gate electrode can, for example, by applying a voltage between the gate electrode and the first layer, or by applying a voltage between the gate electrode and the charge zone, for example via a source contact or a drain contact.
  • the gate electrode thus makes it possible to change the polarization state of the second material and thus to set the charge carrier density in the region of the charge zone opposite the gate electrode.
  • the conductivity of a conduction channel between the source contact and the drain contact can be adjusted by means of the gate electrode.
  • the second material is designed to hold a last set polarization state, for example the first polarization state or the second polarization state, in a state of the electronic component in which no voltage is present at the gate electrode, i.e. to hold it at least substantially, for example .
  • Maintaining the polarization state means, for example, that a polarization direction at least partially opposite the first direction remains at least partially opposite the first direction and a polarization direction at least partially aligned with the first direction remains at least partially aligned. This can be achieved in that the second material is ferroelectric. Holding the polarization state without applying a gate voltage enables energy-efficient operation in which, for example, leakage currents are avoided.
  • the direction of polarization of the first material is oriented such that the second polarity of the second voltage is a negative polarity.
  • applying a voltage of the second polarity can cause a field effect, which leads to a reduction in electron density in the charge zone.
  • a further exemplary embodiment of the invention provides a method for controlling the electronic component, the method comprising setting the second material (121) in at least one region of the second layer (120) to the one polarization state.
  • the arranging is such that a direction of polarization of the second material is at least partially opposite to the first direction in at least one polarization state, for example a predetermined polarization state, of the second material, such that along the main surface of the first layer and/or the second Layer forms a charge zone which is electrically conductive at least when the second material is in the polarization state.
  • arranging the first layer and the second layer is such that the second material is in the one polarization state after arranging the first layer and the second layer.
  • the second material is ferroelectric such that a direction of polarization of the second material is changeable, wherein the one polarization state of the second material is a first polarization state.
  • the direction of polarization of the second material is at least partially in the same direction as the first direction.
  • the method has a step of applying an electric field to the second material in a direction at least partially perpendicular to the main surface of the first or second layer in order to set the second material at least in regions to the first polarization state.
  • This example offers the advantage that known methods can be used for arranging the first layer and the second layer, which are relatively easy to implement and with which the first layer and the second layer can be arranged in such a way that the main surfaces of the first and the second Layers have a low number of surface defects.
  • the method further includes at least partially arranging a gate electrode such that the second layer is arranged between the first layer and the gate electrode. Furthermore, the electric field is applied to the second material by applying a voltage to the gate electrode. In examples, the method further includes at least partially removing the gate electrode after at least partially setting the second material to the first polarization state. By partially removing the gate electrode, the gate electrode can be used to apply a voltage to adjust the polarization state of the second material in a region opposite a remaining portion of the gate electrode, while a region of the second material opposite the removed portion of the gate electrode is in the first polarization state remains. The charge carrier density in the charge zone can thus be adjusted in certain areas. Furthermore, it can thus be ensured that the gate electrode is arranged in an electrically insulated manner from the source contact and the drain contact. Likewise, a low capacitance of the gate electrode can be achieved.
  • the removal of the gate electrode is only partial and the voltage for setting the first polarization state is a first voltage.
  • the method also includes applying a second voltage to the gate electrode after the partial removal of the gate electrode in order to set the second material to the second polarization state at least in regions, for example in an area opposite a part of the gate electrode that remained after the partial removal of the gate electrode. This means that locally different charge carrier densities can be generated in the charge zone.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electronic component according to an embodiment
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the electronic component as a transistor
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an embodiment of the electronic component as a transistor
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a HEMT according to a
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method for producing an electronic component according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a flowchart of a method for producing an electronic component according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method for controlling an electronic component according to an embodiment.
  • the electronic component 100 has a first layer 110 with a major surface 112 on. Furthermore, the electronic component 100 includes a second layer 120 having a main surface 122. The main surface 120 of the second layer 120 is arranged opposite the main surface 112 of the first layer 110.
  • FIG. In examples, such as exemplified in FIG. 1 , major surface 122 is disposed adjacent major surface 112 . In other examples, major surface 122 is spaced apart from major surface 112 .
  • the first layer 110 includes a polarized first material 111 . A polarization 115 of the first material 111 , illustrated in FIG. 1 by means of an arrow 115 , points in a first direction. In FIG.
  • the first direction is selected such that it points towards the second layer 120 by way of example, in other examples the polarization 115 of the first material 111 points in a different direction, for example opposite to the direction shown in FIG. 1 .
  • the second layer includes a polarized second material 121 .
  • the second material 121 has at least one polarization state. An example of this one polarization state is shown in FIG. At least in one polarization state of the second material 121, a direction of polarization 125 of the second material 121, hereinafter also polarization direction 125, is at least partially opposite to the polarization 115 of the first material 121.
  • the first layer 110 and the second layer 120 are formed in such a way that a charge zone 180 is formed along the main surface 112 and/or along the main surface 122 .
  • the charge zone 180 is conductive at least when the second material 121 is in one polarization state.
  • the second material 121 has only one polarization state in which the second material 121 resides. In other examples, e.g., if the second material is ferroelectric, the second material 121 has at least a first polarization state and a second polarization state, where the one polarization state shown in Figure 1 may correspond to the first polarization state.
  • the polarization 115 and the polarization 125 can be perpendicular to the first main surface 112 and/or the second main surface 122 .
  • polarization 115 and/or polarization 125 is not perpendicular to first major surface 112 and second major surface 122, respectively.
  • the direction of polarization 115 may, for example, correspond to a polar direction of first material 111
  • the direction of polarization 125 may correspond to a polar direction of the second material 121 accordingly.
  • the first material 111 is arranged so that the direction of polarization 115, hereinafter also Called polarization direction 115, has at least one non-vanishing component perpendicular to the main surface 112.
  • the material 121 is advantageously arranged such that the direction of polarization 125 has at least a non-vanishing component perpendicular to the main surface 122 .
  • the first layer 110 and the second layer 120 are part of a layered structure.
  • Each of the layers of the layered structure can have a main surface and a further main surface opposite the main surface.
  • the main surfaces of the layers may be arranged parallel to each other along a main direction of the layered structure.
  • 1 shows a Cartesian coordinate system chosen as an example, according to which the first layer 110 and the second layer 120 are arranged along the z-direction.
  • the first layer 110 and the second layer 120 can be arranged parallel to the x-y plane.
  • the charge zone 180 is shown as an example within the first layer 110 in FIG. 1 . In other examples, the charge zone 180 is formed along the major surface 122 in the second layer 120 . In other examples where major surface 112 is spaced apart from major surface 142 , charging zone 180 may be located between first layer 110 and second layer 120 . In examples, the extent of the charge zone 180 in the z-direction can be very small, for example less than 10 nm or less than a few nanometers.
  • both the first material 111 has a wurtzite crystal structure and the second material 121 has a wurtzite crystal structure.
  • the wurtzite crystal structure can be polar.
  • a polar axis of the first material 111 may be arranged parallel to a polar axis of the second material 121 in examples.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electronic component 200 according to a further exemplary embodiment.
  • the electronic component 200 has a first layer 110 with a main surface 112 (also called first main surface 112) and further has a second layer 120 with a main surface 122 (also called second main surface 122).
  • the main surface 122 is arranged opposite the main surface 112 .
  • the first layer 110 includes a first material 111 having a wurtzite crystal structure.
  • a polarization 115 of the first material 111 points in a first direction, the polarization direction 115 of the first material 111.
  • the second layer 120 contains a second material 121 with a wurtzite crystal structure.
  • the second Material 121 is ferroelectric and has at least one polarization state, which is shown in FIG. In examples, the second material 121 has at least two states of polarization. At least in the one polarization state of the second material 121 shown in FIG. 2 is a direction of a polarization 125 of the
  • the second material 121 includes a transition metal.
  • a charge zone forms along the first main surface 112 and/or the second main surface 122 at least in one polarization state, for example a charge zone in accordance with the charge zone 180 from FIG. 1.
  • the description of the electronic component 100 and the description of the arrangement of the first layer 110, the second layer 120, the direction of polarization 115, the direction of polarization 125, and the x, y, z directions, the first material 111, the second material 121 and the Major surfaces 112, 122 with respect to the electronic component 100 may apply to the electronic component 200 in an equivalent manner.
  • the features described below in relation to the features of the electronic component 100 of FIG. 1 can optionally apply both to the electronic component 100 from FIG. 1 and to the electronic component 200 from FIG. 2 .
  • the electric potential on the first main surface 112 can differ from the electric potential inside the first layer 110 and/or the electric potential on the second main surface 122 can differ from the electric potential inside the second layer 120 differ.
  • the charge zone 180 can form, which represents a 2DEG, for example. In other examples, the charge zone 180 may represent a two-dimensional hole gas.
  • the charge carrier density o of a 2DEG results at an interface between the first layer 110 and the second layer 120, for example the main surface 112 or the main surface
  • the polarization of one of the materials can include spontaneous polarization and/or piezoelectric polarization and/or formal polarization.
  • the electronic component 100, 200 can be used to implement component areas that are more than a factor of 10 smaller, or optionally a more than 10-fold lower power loss . Furthermore, lower component capacitances and higher cut-off frequencies are made possible due to smaller component areas and higher gradients.
  • the electronic component 100, 200 is therefore particularly well suited for transistors, e.g. HEMTs, such as for 6G+ applications, and for applications as compact power converters for SMPS & IT (telecom, computing, storage), military (base stations, RF energy), Consumer goods, EV/HEV.
  • a charge carrier density in the charge zone 180 is greater than 10 12 cm ⁇ 2 or greater than 10 13 cm ⁇ 2 or greater than 6x10 13 cm ⁇ 2 when the first material is in the polarization state. Additionally, in examples, the carrier density in the charge zone 180 may be less than 800x10 12 cm -2 or less than 400x10 13 cm - 2 when the first material is in the polarization state. In one example, the charge carrier density is 134x10 13 cm ⁇ 2 .
  • the carrier density in the charge zone 180 when the first material is in the polarization state is between 10 13 cm 2 and 800x10 13 cm 2 , or between 6x10 13 cm 2 and 800x10 13 cm 2 , or between 10x10 13 cm ⁇ 2 and 800x10 13 cm ⁇ 2 , or between 50x10 13 cm ⁇ 2 and 400x10 13 cm ⁇ 2 .
  • a high carrier density can cause the charge zone 180 to have a high conductivity.
  • the theoretical limit for the conductivity of a 2DEG in the GaN can be below 0.1 mOhm*cm 2 , or below 0.03 mOhm*cm 2 at a voltage of 600 V.
  • the first material 111 is a nitrogen compound that includes at least one Group III element. Such a nitrogen compound is also referred to below as a group III nitride compound.
  • the second material 121 is a Group III nitride compound. In examples, the second material 121 is a nitrogen compound that includes one or more Group III elements and further includes a transition metal.
  • a stoichiometric proportion of the transition metal in the nitrogen compound of the second material 121 is between 10% and 50% of a total stoichiometric proportion of the one or more Group 111 elements and the transition metal in the nitrogen compound.
  • the second material has the chemical formula A (1-X) T X N, where A represents one or more different Group III elements, T represents a transition metal, N is nitrogen, and x is between 0 .1 and 0.5.
  • the second material 121 is one of AIScN, AlGaScN, GaScN, AlN, AlGaN, AlMgNbN, AlGaN, AlGaScN.
  • the first material 111 is one of GaN, GaScN, AIScN, AlN, InGaN, InGaScN, AlGaN, AlGaScN.
  • the combination of the second material 121 and the first material 111 is one of AIScN/GaN, AIScN/GaScN, AIGaScN/GaN, GaScN/AIScN, GaScN/AIN, AIScN/InGaN, AIScN/InGaScN, AlMgNbN/GaN.
  • the first material 111 is GaN and the second material 121 is AIScN.
  • Aluminum scandium nitride and galium nitride exhibit high spontaneous polarization.
  • the lattice constant of AIScN can be similar to that of GaN or GaScN, so that the piezoelectric polarization can be neglected in examples, so that this accounts for the total polarization of AIScN when adjacent to (or separated by a third layer from) GaN. is arranged, at least not reduced. This material combination thus results in a high charge carrier density and low defect density.
  • the magnitude of the charge carrier density achieved in this way corresponds to the state of the art.
  • the following value results:
  • the charge carrier density of the 2DEG produced in this way is thus 25 times greater than in the prior art.
  • the material combination of the first layer 110 and the second layer 120 is one of a variety of other possible material combinations, for example one of those mentioned above.
  • the charge carrier density can be larger or smaller than the value calculated in Equation 2. For example, in compounds such as GaScN and AlScN, the polarization decreases with increasing Sc content, so the sum in equation two would also decrease - but always larger than the polarization of the first layer, eg GaN, if the polarization is completely inverted.
  • the polarization inversion can also be incomplete, so that any charge carrier densities between the prior art of about 10 pC/cm 2 and above those in Equation 2 given value can be realized, for example by using pure AIN, which has a greater polarization than 18% AIScN.
  • the continuity of the material properties of group III-N [4], [8] can be used to select further material combinations for the first material 111 and/or the second material 121 starting from 18% AIScN.
  • the second material 121 is ferroelectric, as in the device from FIG. 2 , such that the direction of the polarization 125 of the second material 121 is changeable.
  • the one polarization state in which the polarization of the second material 121 has, for example, the polarization direction 125 shown in Fig. 1, is in these examples a first polarization state and in a second polarization state of the second material 121 the direction of polarization of the second material 121 is at least partially rectified to the first direction.
  • the polarization of the second material 121 in the second polarization state may be parallel to the first polarization direction 125 .
  • wurtzite structure materials can also be ferroelectric.
  • a ferroelectric material can have multiple polarization states, where the polarization of the material can point in different directions.
  • a ferroelectric material can, for example, be set to one of its polarization states by exposing the material to an electric field which is at least partially in the direction of the polarization to be set. This can lead to a change in the crystal lattice.
  • a Group III nitride compound material may have a metal polar orientation with one polarization direction in one polarization state and a nitrogen polar orientation with another, e.g. opposite, polarization direction in another polarization state.
  • ferroelectric materials can, in examples, also be achieved by heterostructures made of other materials which have a structure other than the wurtzite structure, generally by polar or polarized materials.
  • the charge carrier density in the charge zone 180 along the major surface of the first layer and/or the second layer is greater when the second material 121 is in the first state of polarization than when the second material 121 is in the second state of polarization.
  • the second layer has a thickness of less than 50 nm, or less than 30 nm, or less than 10 nm.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an electronic component 300 according to a further exemplary embodiment.
  • the electronic component 300 is based on one of the electronic components 100,200.
  • the electronic component 300 can correspond to one of the electronic components 100,200.
  • the electronic device 300 includes a third layer 330 .
  • the third layer 330 is arranged between the first layer 110 and the second layer 120 .
  • the third layer 330 may be positioned adjacent to the major surface 112 of the first layer 110 and positioned adjacent to the major surface 122 of the second layer 120 .
  • a lattice constant of a material of the third layer 330 may be similar to the lattice constant of the first material 110 such that particularly few surface defects form at the main surface 112 of the first layer 110 .
  • An arrangement of the charge zone 180 in the first layer 110 and along the main surface 112 is shown by way of example in FIG. 3 .
  • the arrangement of the third layer 330 means that the charge zone 180 is arranged at a distance from the second layer 120 . Due to the third layer 330 it can accordingly be achieved that the charge zone 180 is arranged at a low-defect interface even in cases in which the lattice constants of the first material 111 and of the second material 121 differ. A high level of conductivity in the charge zone 180 can thereby be achieved.
  • the electronic device 300 further includes a source contact 372 and a drain contact 374 .
  • the charging zone 180 is serially arranged between the source contact 172 and the drain contact 374 .
  • the charging zone 180 can represent an electrical connection between the source contact 372 and the drain contact 374.
  • the electronic component 100, 200 can, for example form a transistor or part of a transistor, e.g. a HEMT.
  • the source contact 372 may be provided by a source region of the electronic device, in examples.
  • Drain contact 372 may be provided by a drain region of the electronic device, in examples.
  • source contact 372 and drain contact 174 may be disposed adjacent to a major surface of second layer 120 opposite major surface 142 of second layer 120, as illustrated in FIG.
  • the source contact 372 and the drain contact 374 can be arranged above the second layer 120 in the z-direction.
  • Such an arrangement of the source contact 372 and the drain contact 374 can be advantageous in particular in combination with the second layer 120 having a thickness of less than 50 nm or 30 nm or 10 nm. Placing source contact 372 and drain contact 374 above second layer 120 allows for easy implementation. An electrical contact between the source contact 372 or the drain contact 374 and the charge zone 180 can nevertheless be ensured by a small thickness.
  • the second layer 120 may also be selectively formed thinner in regions adjacent to the source contact 372 and/or the drain contact 374 (thinner than in a region between the source contact and the drain contact) in order to have a good to allow electrical contact to charge zone 180.
  • the third layer may be completely removed in areas adjacent to source contact 372 and/or drain contact 374 .
  • the electronic device 300 further includes a gate electrode 370 , where the second layer 120 is disposed between the first layer 120 and the gate electrode 370 .
  • the gate electrode 370 is implemented by an electrically conductive layer that is electrically contacted.
  • the second layer 120 can be exposed to an electric field.
  • the voltage can be applied between the gate electrode 370 and a contact to the first layer 120 .
  • the voltage can be applied between the gate electrode 370 and the source contact 372 or the drain contact 374 such that the electric field is formed between the gate electrode and the charge zone 180 .
  • the direction of the electric field can depend on the polarity of the applied voltage.
  • a polarity of the material 121 of the second Layer 120, particularly if it is ferroelectric, can align itself according to the applied electric field.
  • gate electrode 370 allows material 121 to be set to the first polarization state by application of a first voltage of a first polarity and material 121 to be set to the second polarization state by application of a second voltage of a second polarity.
  • An example of the polarization direction 125 of the one or the first polarization state of the second material 121 is shown in FIG. 3 .
  • an example of a direction of polarization 125′, also referred to below as polarization direction 125′ is shown in the second polarization state of the second material 121.
  • a z-component of the polarization direction can be opposite to a z-component of the polarization direction of the second polarization state 125'.
  • the gate electrode 370 may be arranged opposite a region 324 of the first layer 121 such that the region 324 and the gate electrode 370 have the same lateral extent, e.g., are congruent.
  • Gate electrode 370 may be spaced apart from both source contact 372 and drain contact 374 . That is, the gate electrode may extend over a portion of an area located between the source contact 372 and the drain contact 374 .
  • a field effect on the charge zone 180 can also be generated.
  • a voltage between the gate electrode 370 and the charge zone 180, at which the charge zone changes between a conductive and an insulating state due to the field effect, can be referred to as the threshold voltage.
  • the second material 121 is ferroelectric such that the direction of polarization of the second material 121 is switchable.
  • the one polarization state for example the polarization state with the polarization direction 125, is a first polarization state of the second material 121.
  • the direction of polarization of the second material 121 is at least partially in the same direction as the first direction, that is, to the polarization direction 115 of the first material 111.
  • the gate electrode 370 can be designed to set the second material 121 to the first polarization state at least in a region 324 of the second layer opposite the gate electrode 370 by applying a first voltage having a first polarity to the gate electrode 370 .
  • the gate electrode 370 can be designed to set the second material 121 to the second polarization state at least in the region 324 of the second layer opposite the gate electrode by applying a second voltage with a second polarity to the gate electrode 370 .
  • the first and second voltages (taking into account sign, i.e., polarity) required to set the second material to the first and second polarization states, respectively, are greater than the threshold voltage. It can thus be ensured that the polarization state of the second material can be set to the first and the second polarization state without depleting the charge zone by a field effect and thus making it more difficult to apply an electric field to the second material.
  • the conductivity of the charged zone 180 in a region 384 of the charged zone 180 opposite the region 324 of the second layer can be changed.
  • the conductivity of the charge zone 180 can thus be changed laterally limited, ie locally.
  • the choice of the size of the area 324 covered by the gate electrode 370 can thus be adjusted to what extent the conductivity between the source contact 372 and the drain contact 374 across the charge zone 180 changes when changing between the first polarization state and the second changed state of polarization.
  • the gate electrode 370 is arranged opposite the second layer 120 only in regions, for example with regard to the lateral spread.
  • the second material 121 in a region 326 of the second layer 120 that lies outside region 324 may be in the first polarization state or in the second polarization state.
  • the second material 121 in region 326 may be in the first state of polarization in examples, and in the second state of polarization in other examples.
  • the second material is located 121 in the region 326 in the first polarization state, a conductivity of a region 386 of the charge zone 180, which is opposite the further region 326 of the second layer 120, can be higher than when the second material 121 in the further region 326 is in the second polarization state located.
  • a conductive layer e.g., the gate electrode 370
  • the charge carrier density can be determined locally in a wide interval and differ from the charge carrier density in other areas.
  • the region 324 can extend in the lateral direction, ie with respect to the x and/or y direction in FIG. 3, from the source contact 372 to the drain contact 374, with the gate electrode 370 being separated from the source -contact 372 and the drain contact 374 is electrically isolated.
  • the lateral area between the source contact 372 and the drain contact 374 is at least 80% covered by the gate electrode 370 .
  • the second material 121 can remain in the set polarization state, even if no voltage is applied to the gate electrode 370 any more.
  • the polarization direction 125, 125' can be set by temporarily applying a voltage, which can be switched off when the polarization state is set.
  • the second material 121 can be formed in order to hold a last set polarization state, for example the first or the second polarization state, in a state of the electronic component in which no voltage is present at the gate electrode 370 .
  • the charged region 180 may have a higher conductivity when the second material 121 is in the first polarization state than when the second material 121 is in the second polarization state.
  • the direction of polarization 115 of the first material 111 of FIGS. 1-3 is to be understood as an example.
  • a z-component of the polarization direction shows 115 in the opposite direction to that shown.
  • a z-component of the polarization direction 125, 125' also points in the opposite direction to the direction shown.
  • the first material 111 and the second material 121 is chosen such that the electrical conductivity of the charge zone 180 is ensured by electrons. In other examples, the first material 111 and the second material 121 is chosen such that the electrical conductivity of the charge zone 180 is ensured by holes.
  • Application of an electrical voltage between the gate electrode 370 and the first layer 110 or between the gate electrode 370 and the charge zone 180 can cause a field effect that can increase or decrease the charge carrier density in the charge zone 180, depending on the polarity of the voltage and the type of charge carriers in the loading zone.
  • the direction of polarization of the first material is oriented such that the second polarity of the second voltage by which the second material 121 can be set to the second polarization state is a negative polarity.
  • This is advantageous when the majority charge carriers in charge zone 180 are electrons.
  • the threshold voltage may be negative, at least when the second material is in the first polarization state. In other such examples, the threshold voltage is negative when the second material is in the first or second polarization state.
  • the gate electrode 370, the source contact 372 and the drain contact 374, as well as the third layer 330 in FIG. 3 are explained in summary using one exemplary embodiment, these features can be implemented independently of one another.
  • the third layer 330 can also be implemented without the gate electrode 370, the source contact 372 and the drain contact 374, for example in the electronic component 100, 200.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an alternative embodiment of the electronic device 300.
  • the source contact 372 and the Drain contact 374 disposed adjacent to major surface 112 of first layer 110 .
  • This can have the advantage that the source contact 372 and the drain contact 374 are particularly close to the charging zone 180 in examples like that shown in FIG thus ensuring good electrical contact.
  • the electronic device 300 further includes an insulating layer 478 disposed between the gate electrode 370 and the second layer 120 .
  • the insulating layer 478 electrically insulates the gate electrode 370 from the second layer 120. This can prevent current leakage between the gate electrode 370 and the charging region 180.
  • FIG. The insulating layer 478 can also be implemented in an analogous manner in the example of the electronic component 300 shown in FIG. 3 .
  • the source and drain electrodes can be applied to either the first (FIG. 4) or the second layer (FIG. 3), so that the 2DEG can be applied either directly or via a of the layers is contacted.
  • These electrodes can consist of conductors such as Pt, Mo, Al, Ti, TiN, NbN, W, Ni, Au or doped Si.
  • an additional thin crystalline layer e.g. the third layer 330, can be introduced between the two layers 110, 120 of the heterostructure, which also has the wurtzite structure.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a HEMT 500 according to a further exemplary embodiment.
  • the HEMT 500 may correspond to any of the electronic components 100, 200, 300 previously described.
  • the HEMT 500 has a substrate 590 arranged opposite the first layer 110 and the second layer 120 such that the first layer 110 is arranged between the substrate 590 and the second layer 120 .
  • HEMT 500 further includes one or more matching layers 592 disposed between first layer 110 and substrate 590 .
  • the matching layers 590 can bring about a matching of the lattice constants of the substrate 590 and the first layer 110 such that defects and/or stress on a further main surface of the first layer 110 opposite the main surface 112 of the first layer 110 can be reduced or avoided.
  • the HEMT 500 has the third layer 330 arranged between the first layer 110 and the second layer 120 . Between the Gate electrode 370 and second layer 120 is a terminating layer 578 which can be electrically insulating. A source contact 372 and a drain contact 374 are arranged adjacent to the main surface 112 of the first layer 110 . When the charge zone 180 , which in the example shown is along the main surface 112 of the first layer 110 , is in a conductive state, the source contact 372 and the drain contact 374 are electrically connected via the charge zone 180 .
  • the method 80 includes a step 81 of adjusting the second material 121 in at least one region of the second Layer 120 to one polarization state.
  • step 81 may include, or be performed by, step 82 .
  • Step 82 includes applying a first voltage having a first polarity to the gate electrode to set the second material 121 at least in a region 324 of the second layer 120 opposite the gate electrode 370 to the first polarization state.
  • the method 80 further includes a step of applying a second voltage having a second polarity to the gate electrode 370 to set the second material 121 to the second polarization state at least in the region 324 of the second layer 120 opposite the gate electrode.
  • the electronic component 100 , 200 , 300 , 500 according to FIGS. 1 to 5 has a control unit which can carry out the method 80 , for example by controlling a voltage present at the gate electrode 370 .
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method 60 for producing an electronic component, for example the electronic component 100, 200, 300, 500.
  • the method 60 includes a step 61 of arranging a first layer and a second layer.
  • the arrangement 61 is such that a main surface 122 of the second layer 120 is arranged opposite a main surface 112 of the first layer 110 . Furthermore, the arrangement 61 takes place in such a way that the first layer 110 has a first material 111 and the second layer 120 has a second material 121 .
  • the second material 121 has at least one polarization state.
  • the arrangement 61 takes place in such a way that a polarization of the first material 111 points in a first direction, and such that the direction of polarization of the second material 121 is at least partially opposite to the first direction, at least in the one polarization state of the second material 121, so that along the main surface 112 , 122 of the first layer 110 and/or the second layer 120 forms a charge zone 180 which is electrically conductive at least when the second material 121 is in the one polarization state.
  • arranging 61 the first layer 110 and the second layer 120 includes a step of depositing the first layer and the second layer.
  • the first layer 110 is deposited first and the second layer 120 is deposited on the first layer 110, wherein prior to depositing the second layer 120, one or more additional layers may be deposited on the first layer 110, such as the third layer 330
  • the second layer 120 is deposited first and the first layer 110 is deposited on the second layer 120, wherein one or more further layers, for example third layer 330, may be deposited before the first layer 110 is deposited.
  • the deposition may be such that the second material 121 is in the one polarization state after depositing the first layer and the second layer.
  • the deposition process can therefore result in the direction of polarization 125 of the second material 121 being at least partially opposite to the direction of polarization 115 of the first material.
  • an inversion of the polarization directions can take place during the deposition process by inducing a defect at the boundary of the two layers with a wurtzite structure (e.g. by providing oxygen, magnesium, silicon or germanium for a short time).
  • Method 70 may be an example of method 60 .
  • the second material 121 is ferroelectric such that a direction of polarization of the second material is changeable.
  • the at least one polarization state of the second material is a first polarization state.
  • a second Polarization state of the second material 121 is the direction of polarization of the second material 121 at least partially in the same direction as the first direction.
  • arranging 61 also includes a step 73 of applying an electric field to the second material 121 in a direction at least partially perpendicular to the main surface 112 of the first layer 110 or the second layer 120, in order to place the second material 121 at least in regions on the to set the first polarization state.
  • the arranging 61 includes a step of depositing the first layer 110 and the second layer 120, as described with reference to FIG. of the second material are at least partially rectified, i.e. such that the second material is in the second polarization state.
  • Step 73 can be carried out, for example, by means of a gate electrode, which can be arranged, for example, after the first and second layers have been deposited.
  • the arranging 61 of the method 70 may further include a step 72 of at least regionally arranging a gate electrode 370 .
  • Step 72 occurs such that the second layer 120 is sandwiched between the first layer 110 and the gate electrode 370 .
  • Step 72 can expediently take place before step 73 .
  • step 72 of arranging the gate electrode may be performed so that the gate electrode extends over an area from the source contact to the drain contact. It can thus be ensured in step 73 that the second material is set to the first polarization state over the entire region from the source contact to the drain contact, and high conductivity is thus achieved. If the charge zone is used to apply the electric field in step 73, the gate electrode 370 can be arranged in step 72 so that it is electrically isolated from the source contact and the drain contact.
  • step 61 of method 70 further includes a step 74 of at least partially removing the gate electrode arranged in step 72 .
  • the removal can be done such that the gate electrode is electrically isolated from the source contact and the drain contact.
  • the second material 121 in the region 324 can be adjusted to the first or the second polarization state, and thus the conductivity of the charge zone 180, by applying a field to a remaining part of the gate electrode after step 74, represented in Fig. 3 by the gate electrode 370 be increased or decreased.
  • a capacitance of the gate electrode can be reduced as a result.
  • step 74 is performed such that the gate electrode is only partially removed, for example such that after step 74 a remaining portion of the gate electrode, for example gate electrode 370, is disposed opposite second layer 120.
  • step 61 can also include a step 75 of applying a second voltage to gate electrode 370 after partial removal of the gate electrode in order to at least partially remove second material 121, for example in an area 324 opposite the remaining part of gate electrode 73 set the second polarization state.
  • the second material may be in the second polarization state in a region 324 of the second layer 120 and in the first polarization state in another region 326 of the second layer.
  • the method 60 from FIG. 6 and the method 70 from FIG. 7 can be suitable for producing the electronic component 100, 200, 300, 500. That is, the method 60, 70 can be carried out in such a way that the features and effects described in relation to Figures 1 to 5 are provided, for example with regard to the nature and arrangement.
  • one way of bringing about the inversion of the relative directions of polarization of the first and second layers is the ferroelectric effect.
  • Such a ferroelectric effect is observed in AIScN and can also be expected for GaScN and for other mixed crystals such as AlMgNbN [9], [10]
  • This effect allows a heterostructure of two layers with a wurtzite structure with e.g. metal-polar (alternatively: Deposit nitrogen polar) orientation.
  • the polarization of the upper layer (alternatively: the lower) layer can be inverted by the ferroelectric effect.
  • the heterostructure produced in this way has a significantly increased conductivity.
  • a voltage can be realized, for example, by a conductive layer, for example: Pt, Mo, Al, Ti, TiN, NbN, Ni, Au or Si (or a conductive substrate, for example doped Si or GaN) in contact with the dem 2DEG facing away from the surface of a ferroelectric layer is brought.
  • a voltage can then be applied across this conductive layer and the 2DEG on the other side of the ferroelectric layer. This voltage inverts the polarization due to the ferroelectric effect and thus increases the charge carrier density of the 2DEG.
  • the conductive layer can then be removed again or reduced in size, for example to define a gate electrode for controlling the 2DEG.
  • One embodiment provides a structure consisting of a substrate, a crystalline layer with a wurtzite structure applied thereto and a further crystalline layer with a wurtzite structure applied on the first layer, the polarization of which is aligned opposite to the polarization of the first layer.
  • the conductivity along the interface between the two layers is greater than in a structure in which the polarization of both layers points in the same direction.
  • the charge carrier density has values between 6x10 13 cm ⁇ 2 and 164x10 13 cnr -2
  • At least one of the two layers is ferroelectric.
  • At least one of the two layers is a Group III nitride.
  • At least one of the two layers additionally contains a transition metal.
  • the second layer is thinner than 50 nm.
  • a further layer with a wurtzite structure is arranged between the first and the second.
  • a gate, a source and a drain electrode are deposited on the second layer.
  • the source and drain electrodes are deposited on the first layer and the gate electrode is deposited on the second layer.
  • the transition metal content is between 10 and 50% of Group III elements.
  • One embodiment provides a method in which a second crystalline layer having a wurtzite structure is deposited on a first crystalline layer having a wurtzite structure, the polarization of both layers pointing in the same direction and at least one of the two layers is ferroelectric. Furthermore, in the method, the conductivity of the interface between both layers is increased by applying a voltage to a part of one of the ferroelectric layers and reversing the polarization there.
  • An embodiment provides a method in which a second crystalline layer having a wurtzite structure is deposited on a first crystalline layer having a wurtzite structure, the polarization of both layers pointing in the same direction and the second layer is ferroelectric; in which a conductive layer is applied to the ferroelectric layer, which covers at least 80% of the distance between the position of a source (also applied subsequently) and a drain electrode; in which the conductivity of the interface between the two layers is increased by applying a voltage to the conductive layer and reversing the polarization there; and in which the conductive layer is subsequently removed at least in part.
  • An embodiment provides a method in which a second crystalline layer having a wurtzite structure is deposited on a first crystalline layer having a wurtzite structure, the polarization of both layers pointing in the same direction and the second layer is ferroelectric; and wherein the polarization of a ferroelectric layer according to any one of claims 2-3 has been inverted; and in which the polarization is a ferroelectric layer is inverted again by a gate electrode to reach a lower conductivity state; and applying a voltage to the gate electrode to further deplete the 2DEG.

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Abstract

Ein elektronisches Bauelement weist eine erste Schicht (110) und eine zweite Schicht (120) auf, wobei eine Hauptoberfläche (112) der ersten Schicht einer Hauptoberfläche (122) der zweiten Schicht gegenüberliegend angeordnet ist. Die erste Schicht weist ein polarisiertes erstes Material (111) auf. Eine Polarisation (115) des ersten Materials zeigt in eine erste Richtung. Die zweite Schicht weist ein polarisiertes zweites Material (121) auf, welches zumindest einen Polarisationszustand hat, wobei eine Richtung einer Polarisation (125) des zweiten Materials zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, so dass sich entlang der Hauptoberfläche der ersten und/oder der zweiten Schicht eine Ladungszone (180) bildet, welche zumindest dann elektrisch leitfähig ist, wenn sich das zweite Material in dem einen Polarisationszustand befindet.

Description

Elektronisches Bauelement, Verfahren zum Steuern desselben und Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements
Beschreibung
Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen elektronische Bauelemente, zum Beispiel Halbleiterstrukturen. Einige Ausführungsbeispiele betreffen Halbleiter- Heterostrukturen. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen Verfahren zum Herstellen elektronischer Bauelemente, zum Beispiel Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstrukturen. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zum Steuern eines elektronischen Bauelements.
Einige Beispiele betreffen eine Halbleitervorrichtung mit verbesserter Leitfähigkeit.
Einige Beispiele betreffen einen High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT), zum Beispiel zur Verwendung in Stromrichtern oder in Leistungsverstärkern.
Hintergrund
Die Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte ist einer der wesentlichen Treiber für die Weiterentwicklungen von Stromrichtern für DC/DC-, DC/AC- und AC/DC- Anwendungen. Speziell im Bereich der Serverfarmen ist die benötigte Kühlleistung direkt abhängig von den Umwandlungsverlusten der Versorgungsspannungen auf PCB-Ebene. Auch im Automotive-Bereich erhöht die Motor-Integration leistungselektronischer Komponenten die Leistungsdichte mit zusätzlich erhöhten Anforderungen an die Entwärmung und die Langzeitzuverlässigkeit. Daher setzen sich in den vergangenen Jahren verstärkt Bauelemente auf Basis von wide-bandgap Halbeitern, wie z.B. Siliziumkarbid (SiC) oder die Gruppe I Il-Nitride (lll-N) wie GaN, AIN und InN sowie ihre ternären Verbindungen in diesen Anwendungen durch. Diese Halbleiterbauelemente nutzen die unipolare Leitfähigkeit der Elektronen, so dass die Schaltverluste im Vergleich zu bipolaren Bauelementen erheblich gesenkt werden können und gegenüber den Durchlassverlusten in den Hintergrund treten. Die Roadmap von zukünftigen Bauelementen wird daher aktuell wesentlich vom minimal realisierbaren flächenspezifischen Wderstand der Bauelemente bestimmt. Im Sperrspannungsbereich um 600V werden aktuell auf Basis von GaN HEMT-Transistoren flächenspezifische Durchlasswiderstände unter 1 mOhm*cm2 erreicht.
Außergewöhnlich hohe Ladungsträgerdichten in wide-bandgap Halbleiterbauelementen werden durch die Bildung von zweidimensionalen Elektronengasen (2DEGs) an der Grenzfläche von polaren Gruppe-111 Nitriden erreicht [1] Ursache für die Bildung der2DEGs ist eine Diskontinuität der Polarisation zweier Materialien. Die Polarisation wiederum ist auf die Kristallstruktur der verwendeten Materialien zurückzuführen und beinhaltet die spontane und die piezoelektrische Polarisation. Für den Betrag und das Vorzeichen einiger polarer Materialien, wie zum Beispiel Materialien mit Wurtzit-Struktur, existieren Untersuchungen [3] - [6] Die Ladungsdichte der mit konventionellen Ansätzen geschaffenen 2DEGs erreicht Werte bis in die Größenordnung von 10 pC/cm2, was einer Elektronendichte von 6x1013/cm2 entspricht [2]
Überblick
In Anbetracht der eingangs erwähnten Ziele, wäre ein elektronisches Bauelement mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit wünschenswert.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich in einer Hetero-Schichtstruktur eines elektronischen Bauelements entlang einer Grenzfläche der Hetero-Schichtstruktur eine Ladungszone mit einer besonders hohen Leitfähigkeit ausbilden kann, wenn eine erste Schicht und eine zweite Schicht der Hetero-Schichtstruktur so ausgebildet sind, dass eine Polarisation eines polaren ersten Materials der ersten Schicht einer Polarisation eines polaren zweiten Materials der zweiten Schicht zumindest teilweise entgegengesetzt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft ein elektronisches Bauelement, welches beispielsweise eine Halbleiter-Heterostruktur, beispielsweise eine Hetero- Schichtstruktur aufweist. Das elektronische Bauelemente beinhaltet eine erste Schicht und eine zweite Schicht. Eine Hauptoberfläche, zum Beispiel ein Hauptoberflächenbereich, der ersten Schicht ist einer Hauptoberfläche, zum Beispiel einem Hauptoberflächenbereich, der zweiten Schicht gegenüberliegend angeordnet. Die erste Schicht beinhaltet ein polarisiertes erstes Material und die zweite Schicht beinhaltet ein polarisiertes zweites Material, welches sich von dem ersten Material unterscheiden kann, beispielsweise eine von einer Bandlücke des ersten Materials verschiedene Bandlücke hat. Unter einem polarisierten Material wird beispielsweise ein elektrisch polarisiertes Material verstanden, zum Beispiel ein Material mit einer polaren Kristallstruktur. Beispiele polarisierter Materialien beinhalten pyroelektrische Materialien, welche ferroelektrische Materialien beinhalten. Eine Polarisation des ersten Materials zeigt in eine erste Richtung. Das zweite Material hat zumindest einen Polarisationszustand, d.h. einen polarisierten Zustand, d.h. das zweite Material kann sich in zumindest einem polarisierten Zustand befinden, der beispielsweise durch eine Polarisationsrichtung der Polarisierung des zweiten Materials gekennzeichnet ist. Der eine Polarisationszustand kann der einzige (z.B. ein permanenter Zustand des zweiten Materials) oder einer mehrerer Polarisationszustände des zweiten Materials sein. Eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials ist, zumindest in dem einem Polarisationszustand des zweiten Materials, der zum Beispiel einem ersten mehrerer möglicher Polarisationszustände entspricht, der ersten Richtung zumindest teilweise entgegengesetzt oder zumindest teilweise antiparallel zu der ersten Richtung. Die zweite Schicht ist zumindest in dem Polarisationszustand so ausgebildet, dass sich entlang der Hauptoberfläche der ersten und/oder der zweiten Schicht eine Ladungszone bildet, welche zumindest dann leitfähig ist, wenn sich das zweite Material in dem Polarisationszustand befindet. Die Ladungszone ist beispielsweise eine zweidimensionale Raumladungszone, beispielsweise ein 2DEG, die sich beispielsweise in der ersten Schicht, in der zweiten Schicht, oder zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht befinden kann.
Dadurch, dass sowohl das erste Material als auch das zweite Material polarisiert sind, kann sich entlang der Hauptoberfläche der ersten und/oder der zweiten Schicht eine Ladungszone ausbilden, welche in einer Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche begrenzt ist, bei Beispielen auf wenige Nanometer. In solchen, in einer Dimension begrenzten Ladungszonen, auch 2DEG genannt, kann die Beweglichkeit von Ladungsträgern sehr groß sein, wodurch eine hohe Leitfähigkeit erreicht wird. Aufgrund der geringen Dimension der Ladungszone in der Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche der ersten oder zweiten Schicht, kann die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone außerdem sehr effizient beeinflusst werden, beispielsweise mittels elektrischer Felder. Das bietet die Möglichkeit Transistoren, beispielsweise für Stromrichter, zu implementieren in denen mit relativ kleinen elektrischen Feldern sehr große Ströme geschaltet werden können.
Zur Erzeugung von 2DEGs wurden bisher Schichten so abschieden, dass die Polarisation beider Schichten in die gleiche Richtung zeigt. Aufgrund von theoretischen Berechnungen konnte davon ausgegangen werden, dass dies die optimale Konfiguration für diese Strukturen ist und zudem auch einfacher herzustellen ist, als Strukturen, in denen die Polarisation in entgegengesetzt Richtungen zeigt [1] Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass höhere Ladungsträgerdichten erreicht werden können, wenn die Polarisation der zwei Materialien in den zwei Schichten entgegengesetzt ist. Bei Beispielen der Erfindung kann so eine gegenüber dem Stand der Technik 25-fach vergrößerte Ladungsträgerdichte in der Ladungszone erzeugt werden. Dadurch kann beispielsweise die Verlustleistung eines auf einer solchen Heterostruktur aufbauenden HEMTs wesentlich verringert werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass dieser Effekt bei einer Vielzahl polarisierter Materialien erreicht werden kann, wobei die Größe des Effekts von der Größe der Polarisation der verwendeten Materialien abhängen kann. In anderen Worten, kann der Effekt der erhöhten Ladungsträgerdichte für alle Heterostruktur zweier Schichten mit polaren Materialien, beispielsweise Materialien mit Wurtzit-Struktur, erwartet werden, solange ein Zustand der zwei Strukturen geschaffen werden kann, in welchem die Polarisationen der beiden Schichten entgegengesetzt ausgerichtet sind. Dieser Zustand kann bei Beispielen durch einen geeigneten Abscheideprozess erreicht werden. Bei weiteren Beispielen kann dieser Zustand dadurch erreicht werden, dass die Polarisation einer der zwei Schichten durch das Anlegen eines elektrischen Feldes invertiert wird, oder zumindest so verändert wird, dass die Polarisation dieser Schicht der Polarisation der anderen dieser Schichten zumindest teilweise entgegengesetzt ist.
Bei Ausführungsbeispielen weist das erste Material eine Wurtzit-Kristallstruktur auf, und weist das zweite Material eine Wurtzit-Kristallstruktur auf. Materialien mit Wurtzit- Kristallstruktur sind polar und eignen sich somit besonders gut zur Erzeugung einer Polarisations-Diskontinuität zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, wodurch die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases mit einer hohen Ladungsträgerdichte erreicht werden kann. Ferner weisen diese Materialien tendenziell hohe Bandlücken auf, wodurch sie besonders gut für leistungselektronische Bauelemente geeignet sind. Dadurch, dass sowohl das erste Material als auch das zweite Material eine Wurtzit-Kristallstruktur aufweisen, lässt sich eine Schichtstruktur, welche die erste und die zweite Schicht beinhaltet, besonders Defekt-arm hersteilen, was die Leitfähigkeit positiv beeinflusst.
Bei Ausführungsbeispielen beträgt die Ladungsträgerdichte der Ladungszone mehr als 1012 cm·2 oder mehr als 1013 cm·2 oder mehr als 6x1013 cm·2, wenn sich das erste Material in dem einen Polarisationszustand befindet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft ein elektronisches Bauelement, welches beispielsweise eine Halbleiter-Heterostruktur, beispielsweise eine Hetero-Schichtstruktur aufweist. Das elektronische Bauelement weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf. Eine Hautoberfläche, zum Beispiel ein Hauptoberflächenbereich, der ersten Schicht ist einer Hauptoberfläche, Beispiel einem Hauptoberflächenbereich, der zweiten Schicht gegenüberliegend angeordnet. Die erste Schicht weist ein erstes Material mit einer Wurtzit-Kristallstruktur auf. Eine Polarisation des ersten Materials zeigt in eine erste Richtung. Beispielsweise ist die erste Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche der ersten und/oder der zweiten Schicht. Die zweite Schicht weist ein zweites Material mit einer Wurtzit-Kristallstruktur auf. Beispielsweise ist das zweite Material unterschiedlich zu den ersten Material, zum Beispiel hat das zweite Material eine von einer Bandlücke des ersten Materials verschiedene Bandlücke. Das zweite Material ist ferroelektrisch. Die Richtung der Polarisation des zweiten Materials ist zumindest in einem Polarisationszustand, beispielsweise einem ersten Polarisationszustand von mehreren möglichen Polarisationszuständen, beispielsweise einem vorbestimmten Polarisationszustand, der ersten Richtung zumindest teilweise entgegengesetzt. Bei Beispielen befindet sich das zweite Material in dem Polarisationszustand oder lässt sich auf diesen einstellen, beispielsweise mittels eines elektrischen Feldes. Das zweite Material weist ein Übergangsmetall auf. Beispielsweise besteht das zweite Material aus einer Verbindung mehrerer Materialien, von denen zumindest eines ein Übergangsmetall ist. Beispiele des elektronischen Bauelements weisen die in Bezug auf die vorherigen Ausführungsbeispiele beschriebenen Funktionen und Vorteile auf.
Da Materialien mit einer Wurtzit-Kristallstruktur polar sind, kann sich entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht, eine Ladungszone ausbilden. Durch die zumindest teilweise entgegengesetzte Polarisation des ersten Materials in Bezug auf das zweite Material, ist eine Diskontinuität der Polarisation zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht besonders stark ausgeprägt, wodurch sich in dieser Ladungszone eine besonders hohe Ladungsträgerdichte ausbilden kann. Ferroelektrische Materialien besitzen die Eigenschaft, dass sich die Orientierung ihrer Polarisation durch Anlegen eines elektrischen Feldes ändern lässt und die Orientierung der Polarisation erhalten bleibt, auch wenn sie dem elektrischen Feld nicht mehr ausgesetzt sind. Durch einen Wechsel der Orientierung der Polarisation des zweiten Materials wird die Ausprägung der Diskontinuität der Polarisation zwischen der ersten und der zweiten Schicht beeinflusst. Somit kann auf diesem Weg die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone eingestellt werden. Die Verwendung eines ferroelektrischen Materials kann also zum einen ermöglichen, die Leitfähigkeit der Ladungszone durch ein Einstellen eines Polarisationszustands zu steuern. Zum anderen kann die Wechsel barkeit der Polarisationsrichtung des zweiten Materials einen einfachen Herstellungsprozess für ein elektronisches Bauelement, bei welchem die Polarisationsrichtungen der ersten und zweiten Schicht zumindest teilweise entgegengesetzt sind, ermöglichen. Beispielsweise können die erste und die zweite Schicht mittels einem Verfahren hergestellt werden, welches in einer Gleichrichtung der Polarisationen der ersten und zweiten Schicht resultiert. Durch einen nachträglichen Wechsel der Polarisationsrichtung der zweiten Schicht, beispielsweise mittels einem elektrischen Feld, kann auf diesem Wege eine hohe Leitfähigkeit in der Ladungszone erreicht werden.
Eine zum Wechseln der Polarisationsrichtung benötigte Feldstärke eines ferroelektrischen Materials wird auch Koerzitivfeldstärke genannt. Die Erfinder haben erkannt, dass ein Material, welches ein Übergangsmetall aufweist, tendenziell eine geringere Koerzitivfeldstärke aufweist als das entsprechende Material ohne Übergangsmetall. Insbesondere kann die Koerzitivfeldstärke bei Materialien mit einem Übergangsmetall unterhalb der Durchbruchsfeldstärke liegen, so dass diese Materialen ferroelektrisch sein können. Beispielsweise können Gruppe-Ill-Nitridverbindungen, welche ein Übergangsmetall beinhalten, im Gegensatz zu den ihnen entsprechenden reinen Gruppe- Ill-Nitridverbindungen ferroelektrisch sein.
Im Folgenden werden vorteilhafte Beispiele der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben.
Bei Beispielen beträgt die Ladungsträgerdichte einer Ladungszone entlang der ersten Schicht und oder der zweiten Schicht, beispielsweise der Ladungszone der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, mehr als 1012 cnr2 oder mehr als 1013 cnr2 oder mehr als 6x1013 cm·2, wenn sich das erste Material in dem einen Polarisationszustand befindet. Beträgt die Ladungsträgerdichte mehr als 1012 cm·2, so ist die Ladungszone elektrisch leitfähig. Beträgt die Ladungsträgerdichte mehr als 6x1013 cm·2, weist sie eine besonders hohe Leitfähigkeit auf, die beispielsweise höher als bei den aus Stand der Technik bekannten Lösungen ist.
Bei Beispielen ist das erste Material eine Stickstoffverbindung, welche zumindest ein Gruppe-Ill-Element aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist bei diesem Beispiel das zweite Material eine Stickstoffverbindung, welche zumindest ein Gruppe-Ill-Element aufweist. Gruppe-Ill-Nitrid-Verbindungen weisen tendenziell hohe Bandlücken auf. Somit können Halbleiterbauelemente, beispielsweise HEMTs, durch die Nutzung von Gruppe-Ill-Nitrid- Verbindungen besonders verlustarm gestaltet werden.
Bei Beispielen ist das zweite Material eine Stickstoffverbindung, welche ein oder mehrere Gruppe-Ill-Elemente aufweist und ferner ein Übergangsmetall aufweist. Die Erfinder haben erkannt, dass viele Materialien der Gruppe-Ill-Stickstoffverbindungen, welche ferner ein Übergangsmetall aufweisen, ferroelektrisch sind. Somit können die Vorteile der Verwendung eines ferroelektrischen Materials mit den Vorteilen einer großen Bandlücke kombiniert werden.
Bei Beispielen liegt ein stöchiometrischer Anteil des Übergangsmetalls in der Stickstoffverbindung zwischen 10 % und 50 % eines gesamten stöchiometrischen Anteils der ein oder mehrere Gruppe-Ill-Elemente in der Stickstoffverbindung des zweiten Materials. Die Erfinder haben erkannt, dass durch einen solchen Anteil des Übergangsmetalls eine besonders hohe Polarisation des zweiten Materials gewährleisten kann. Somit kann eine hohe Ladungsträgerdichte in einer Ladungszone entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht erzeugt werden kann. Durch einen Anteil von über 10% kann gewährleistet werden, dass das zweite Material ferrroelektrisch ist.
Bei Beispielen ist das erste Material eines aus GaN, GaScN, AIScN, AIN, InGaN, InGaScN, AIGaN, AIGaScN. Alternativ oder zusätzlich ist bei diesem Beispiel das zweite Material eines aus AIScN, AIGaScN, GaScN, AIN, AIGaN, AlMgNbN, AIGaN, AIGaScN. Diese Materialien bieten eine besonders gute Kombination aus einer hohen Bandlücke und einer großen Polarisation.
Bei Beispielen ist die Kombination aus dem zweiten Material und dem ersten Material (zweites Material/erstes Material) eine der folgenden: AIScN / GaN, AIScN / GaScN, AIGaScN / GaN, GaScN / AIScN, GaScN / AIN, AIScN / InGaN, AIScN / InGaScN, AlMgNbN / GaN. Diese Kombinationen eignen sich aufgrund ihrem Verhältnis der Bandlücken des ersten Materials und des zweiten Materials, sowie den Polarisationen des ersten Materials und des zweiten Materials (welche von der Kombination abhängig sein können) besonders gut zur Ausbildung einer hohen Ladungsträgerdichte in der Ladungszone. Ferner lassen sich diese Materialkombinationen mit etablierten Herstellungsverfahren zuverlässig hersteilen, zumindest so dass die Polarisationsrichtungen des ersten und des zweiten Materials gleich sind. Optional können das erste Material und das zweite Material so gewählt werden, dass sie ähnliche Gitterkonstanten haben. So kann der Herstellungsprozess für das elektronische Bauelement besonders einfach sein und es können besonders Defekt-arme Hauptoberflächen des ersten Materials und des zweiten Materials erreicht werden, was sich zusätzlich positiv auf die Leitfähigkeit in der Ladungszone auswirken kann.
Bei Beispielen ist das zweite Material ferroelektrisch, so dass eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials wechselbar ist. Der eine Polarisationszustand, d.h. der vorher beschriebene Polarisationszustand, in welchem die Richtung der Polarisation des zweiten Materials der ersten Richtung zumindest teilweise entgegengesetzt ist, ist ein erster Polarisationszustand. In einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials ist die Richtung der Polarisation des zweiten Materials zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung, d.h., beispielsweise zumindest teilweise parallel zu der ersten Richtung. Unter zumindest teilweise gleichgerichtet ist zu verstehen, dass die Polarisation eine Richtungskomponente aufweist, welche in die erste Richtung zeigt. Dadurch, dass die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht höher ist, wenn die Polarisationen der ersten und der zweiten Schicht zumindest teilweise entgegengesetzt sind, als wenn die Polarisationen der ersten und der zweiten Schicht zumindest teilweise gleichgerichtet sind, lässt sich durch einen Wechsel zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand die Leitfähigkeit der Ladungszone zwischen einem höheren Wert und einen niedrigeren Wert wechseln. Dies ermöglicht eine Implementierung eines schaltbaren elektronischen Bauelements. Dadurch, dass die die Richtung der Polarisation zweiten Materials wechselbar ist, kann das elektronische Bauelemente ferner so implementiert werden, dass die Polarisation des zweiten Materials in einem ersten Bereich in die erste Richtung zeigt, und in einem zweiten Bereich in die zweite Richtung zeigt, so dass Bereiche mit unterschiedlicher Leitfähigkeit implementiert werden können. Dadurch können beispielsweise Leitungskanäle definiert werden. Ferner weist dieses Beispiel die oben im Hinblick auf ein ferroelektrisches zweites Material beschriebenen Vorteile auf.
Bei Beispielen ist eine Ladungsträgerdichte in einer (der) Ladungszone entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht größer, wenn sich das zweite Material in dem ersten Polarisationszustand befindet, als wenn sich das zweite Material in dem zweiten Polarisationszustand befindet. D.h. beispielsweise, dass das zweite Material und/oder das erste Material so ausgebildet sind, dass dieser Effekt eintritt. Dies kann beispielsweise mit den oben genannten Materialien erreicht werden.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelemente ferner eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete dritte Schicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur auf. Die dritte Schicht kann die Position der Ladungszone so verändern, dass diese von der zweiten Schicht beabstandet angeordnet ist, beispielsweise in der ersten Schicht oder an der Hauptoberfläche der ersten Schicht (wobei die Ladungszone sich auch in die dritte Schicht erstrecken kann). Die erste Schicht kann besonders defektarm sein, da sie bei Beispielen epitaktisch hergestellt worden sein kann. Bei manchen Beispielen kann die dritte Schicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht die Anzahl der Oberflächendefekte an der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht im Vergleich zu einer Anordnung, in welcher die erste Schicht und die zweite Schicht direkt aneinander Grenzen, reduzieren. Dadurch wird eine höhere Leitfähigkeit erreicht. Ferner ermöglicht die zweite Schicht, einen unterschied der Gitterkonstanten der ersten Schicht und der zweiten Schicht auszugleichen. Bei Beispielen kann die Polarisation der ersten und/oder der zweiten Schicht damit vergrößert werden.
Bei Beispielen weist die zweite Schicht eine Dicke von weniger als 50 nm, oder weniger als 30 nm, oder weniger als 10 nm auf. Durch eine Schichtdicke von weniger als 50 nm ist es möglich, einen Wechsel zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand mit einem elektrischen Feld einer moderaten Stärke zu erreichen. Ferner ermöglicht eine Schichtdicke von weniger als 50 nm, die Ladungszone mittels Kontakten, z.B. Source und Drain, zu kontaktieren, welche auf einer der Hauptoberfläche der zweiten Schicht gegenüberliegenden weiteren Hauptoberfläche der zweiten Schicht angeordnet sind. Dadurch ist eine einfache Implementierung der Kontakte möglich. Eine Schichtdicke von weniger als 50 nm ermöglicht es ferner, die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone mit relativ geringen Gatterspannungen der weiteren Hauptoberfläche der zweiten Schicht gegenüberliegenden Gatterelektrode zu steuern.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelemente ferner einen Source-Kontakt und einen Drain-Kontakt auf, wobei die Ladungszone seriell, d.h. z.B. elektrisch seriell, zwischen dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt angeordnet ist. Dies ermöglichte die Nutzung der Ladungszone als Leitungskanal. Bei Beispielen weist das elektronische Bauelemente ferner eine Gatterelektrode auf. Die Gatterelektrode ist so angeordnet, dass die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Gatterelektrode angeordnet ist. Durch ein Anliegen einer elektrischen Spannung an die Gatterelektrode kann eine Steuerung der Ladungsträgerdichte, und somit der Leitfähigkeit, der Ladungszone ermöglicht werden.
Bei Beispielen ist die Gatterelektrode nur bereichsweise, beispielsweise bereichsweise bezüglich der lateralen Ausbreitung der Gatterelektrode, der zweiten Schicht gegenüberliegend angeordnet. Unter einer lateralen Richtung kann dabei eine Richtung entlang, z.B. parallel zu, der zweiten Schicht verstanden werden. Somit wird ermöglicht, bereichsweise oder lokal unterschiedliche Ladungsträger dichten in der Ladungszone zu erzeugen.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelemente ferner eine zwischen der Gatterelektrode und der zweiten Schicht angeordnete elektrisch isolierende Schicht auf. Somit kann ein Eintrag von Ladungsträger von der Gatterelektrode in die zweite Schicht verhindert werden, wodurch Leckströme zwischen der Gatterelektrode und der Ladungszone vermieden werden können. Zusätzlich oder alternativ kann durch diese Schicht eine Oxidation der zweiten Schicht vermieden werden.
Bei Beispielen ist das zweite Material ferroelektrische, so dass eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials ein erster Polarisationszustand ist. In einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials ist die Richtung der Polarisation des zweiten Materials zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung. Die Gatterelektrode ist ausgelegt, um das zweite Material zumindest in einem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich der zweiten Schicht durch Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität an die Gatterelektrode auf den ersten Polarisationszustand einzustellen. Ferner ist die Gatterelektrode ausgelegt, um das zweite Material zumindest in dem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich der zweiten Schicht durch Anlegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Polarität an der Gatterelektrode auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen. Unter Einstellen kann Beispielsweise verstanden werden, dass der eingestellte Polarisationszustand, zum Beispiel der erste oder zweite Polarisationszustand, erhalten bleibt, wenn nach dem Einstellen des Polarisationszustands keine Spannung mehr an der Gatterelektrode anliegt. Das Anlegen der Spannung an der Gatterelektrode kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung zwischen der Gatterelektrode und der ersten Schicht erfolgen, oder durch ein Anlegen einer Spannung zwischen der Gatterelektrode und der Ladungszone, beispielsweise über einen Source-Kontakt oder einen Drain-Kontakt. Die Gatterelektrode ermöglicht also den Polarisationszustand des zweiten Materials zu wechseln und somit die Ladungsträgerdichte in dem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich der Ladungszone einzustellen. Beispielsweise kann mittels der Gatterelektrode die Leitfähigkeit eines Leitungskanals zwischen dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt eingestellt werden.
Bei Beispielen ist das zweite Material ausgebildet, um in einem Zustand des elektronischen Bauelements, in welchem keine Spannung an der Gatterelektrode anliegt, einen zuletzt eingestellten Polarisationszustand, zum Beispiel den ersten Polarisationszustand oder dem zweiten Polarisationszustand, zu halten, d.h. beispielsweise zumindest im Wesentlichen zu halten. Den Polarisationszustand zu halten heißt beispielsweise, dass eine der ersten Richtung zumindest teilweise entgegengesetzte Polarisationsrichtung der ersten Richtung zumindest teilweise entgegengesetzt bleibt und eine mit der ersten Richtung zumindest teilweise gleichgerichtete Polarisationsrichtung zumindest teilweise gleichgerichtet bleibt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das zweite Material ferroelektrisch ist. Durch das Halten des Polarisationszustands ohne Anliegen einer Gatterspannung ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb, in welchem beispielsweise Leckströme vermieden werden.
Bei Beispielen ist die Richtung der Polarisation des ersten Materials so ausgerichtet, dass die zweite Polarität der zweiten Spannung eine negative Polarität ist. Somit kann ein Anlegen einer Spannung der zweiten Polarität einen Feldeffekt bewirken, welcher zu einer Verringerung einer Elektronendichte in der Ladungszone führt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern des elektronischen Bauelements, wobei das Verfahren ein Einstellen des zweiten Materials (121) in zumindest einem Bereich der zweiten Schicht (120) auf den einen Polarisationszustand aufweist. Dadurch kann in der Ladungszone eine hohe Leitfähigkeit erreicht werden, wie im Hinblick auf das elektronische Bauelement beschrieben. Insbesondere bietet dies Vorteilen in Fällen, in denen die Polarisationen des ersten und zweiten Materials nach der Herstellung gleichgerichtet sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, beispielsweise des Bauelements gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Das Verfahren beinhaltet ein Anordnen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, so dass eine Hauptoberfläche der zweiten Schicht eine Hauptoberfläche der ersten Schicht gegenüberliegend angeordnet ist. Die erste Schicht weist ein erstes Material auf und die zweite Schicht weist ein zweites Material auf. Das zweite Material hat zumindest einen Polarisationszustand. Das Anordnen erfolgt so, dass eine Polarisation des ersten Materials in eine erste Richtung zeigt. Ferner erfolgt das Anordnen so, dass eine Richtung der Polarisation des zweiten Materials zumindest in einem Polarisationszustand, beispielsweise einem vorbestimmten Polarisationszustand, des zweiten Materials zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, so dass sich entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht eine Ladungszone bildet, welche zumindest dann elektrisch leitfähig ist, wenn sich das zweite Material in dem Polarisationszustand befindet.
Bei Beispielen erfolgt das Anordnen der ersten Schicht und der zweiten Schicht so, dass sich das zweite Material nach dem Anordnen der ersten Schicht und der zweiten Schicht in dem einen Polarisationszustand befindet.
Bei Beispielen ist das zweite Material ferroelektrisch, so dass eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials ein erster Polarisationszustand ist. In einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials ist die Richtung der Polarisation zweiten Materials zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung. Ferner weist das Verfahren einen Schritt eines Anlegens eines elektrischen Feldes an das zweite Material in einer zu der Hauptoberfläche der ersten oder zweiten Schicht zumindest teilweise senkrechten Richtung um das zweite Material zumindest bereichsweise auf dem ersten Polarisationszustand einzustellen. Dieses Beispiel bietet den Vorteil, dass zum Anordnen der ersten Schicht und der zweiten Schicht bekannten Verfahren genutzt werden können, welche relativ einfach zu implementieren sind, und mit welchen die erste Schicht und die zweite Schicht so angeordnet werden können das die Hauptoberflächen der ersten der zweiten Schichten eine geringe Anzahl an Oberflächendefekten aufweisen.
Bei Beispielen beinhaltet das Verfahren ferner ein zumindest bereichsweises Anordnen einer Gatterelektrode, so dass die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Gatterelektrode angeordnet ist. Ferner erfolgt das Anlegen des elektrischen Feldes an das zweite Material durch Anlegen einer Spannung an die Gatterelektrode. Bei Beispielen beinhaltet das Verfahren ferner ein zumindest teilweises Entfernen der Gatterelektrode nach dem zumindest bereichsweisen Einstellen des zweiten Materials auf den ersten Polarisationszustand. Durch ein teilweises Entfernen der Gatterelektrode, kann die Gatterelektrode zum Anlegen einer Spannung genutzt werden, um den Polarisationszustand des zweiten Materials in einem einem verbliebenen Teil der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich einzustellen, während ein dem entfernten Teil der Gatterelektrode gegenüberliegender Bereich des zweiten Materials in dem ersten Polarisationszustand verbleibt. Somit kann bereichsweise die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone eingestellt werden. Ferner kann somit gewährleistet werden, dass die Gatterelektrode von dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt elektrisch isoliert angeordnet ist. Ebenso kann eine geringe Kapazität der Gatterelektrode erreicht werden.
Bei Beispielen erfolgt das Entfernen der Gatterelektrode nur teilweise, und die Spannung zum Einstellen des ersten Polarisationszustands ist eine erste Spannung. Ferner beinhaltet das Verfahren ein Anlegen einer zweiten Spannung an die Gatterelektrode nach dem teilweisen entfernen der Gatterelektrode, um das zweite Material zumindest bereichsweise, beispielsweise in einem einem nach dem teilweisen entfernen der Gatterelektrode verbliebenen Teil der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich, auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen. Somit können lokal unterschiedliche Ladungsträgerdichten in der Ladungszone erzeugt werden.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Beispiele der Offenbarung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelements als Transistor, Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelements als Transistor,
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines HEMTs gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines elektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Beschreibungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können oder gleich bezeichnet werden, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind oder gleich bezeichnet werden, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen oder gleich bezeichnet werden, sind gegeneinander austauschbar.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das elektronische Bauelement 100 weist eine erste Schicht 110 mit einer Hauptoberfläche 112 auf. Ferner beinhaltet das elektronische Bauelement 100 eine zweite Schicht 120 mit einer Hauptoberfläche 122. Die Hauptoberfläche 120 der zweiten Schicht 120 ist der Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 gegenüberliegend angeordnet. In Beispielen, so wie in Fig. 1 exemplarisch gezeigt, ist die Hauptoberfläche 122 an die Hauptoberfläche 112 angrenzend angeordnet. In anderen Beispielen ist die Hauptoberfläche 122 von der Hauptoberfläche 112 beabstandet angeordnet. Die erste Schicht 110 weist ein polarisiertes erstes Material 111 auf. Eine Polarisation 115 des ersten Materials 111 , in Fig. 1 mittels eines Pfeils 115 illustriert, zeigt in eine erste Richtung. In Fig. 1 ist die erste Richtung beispielhaft so gewählt, dass sie in Richtung der zweiten Schicht 120 zeigt, bei anderen Beispielen zeigt die Polarisation 115 des ersten Materials 111 in eine andere Richtung, beispielsweise entgegengesetzt zu der in Fig. 1 gezeigten Richtung. Die zweite Schicht weist ein polarisiertes zweites Material 121 auf. Das zweite Material 121 hat zumindest einen Polarisationszustand. Ein Beispiel dieses einen Polarisationszustands ist in Fig. 1 gezeigt. Zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials 121 ist eine Richtung einer Polarisation 125 des zweiten Materials 121, im Folgenden auch Polarisationsrichtung 125, der Polarisation 115 des ersten Materials 121 zumindest teilweise entgegengesetzt. Die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 sind so ausgebildet, dass sich entlang der Hauptoberfläche 112 und/oder entlang der Hauptoberfläche 122 eine Ladungszone 180 bildet. Die Ladungszone 180 ist zumindest dann leitfähig, wenn sich das zweite Material 121 in dem einen Polarisationszustand befindet.
Bei Beispielen hat das zweite Material 121 nur einen Polarisationszustand, in welchem sich das zweite Material 121 befindet. Bei anderen Beispielen, z.B. falls das zweite Material ferroelektrisch ist, hat das zweite Material 121 zumindest einen ersten Polarisationszustand und einen zweiten Polarisationszustand, wobei der eine Polarisationszustand, welcher in Fig. 1 gezeigt ist, dem ersten Polarisationszustand entsprechen kann.
Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt ist, kann die Polarisation 115 und die Polarisation 125 senkrecht zu der ersten Hauptoberfläche 112 und/oder der zweiten Hauptoberfläche 122 stehen. Bei anderen Beispielen ist die Polarisation 115 und/oder die Polarisation 125 nicht senkrecht zu der ersten Hauptoberfläche 112 bzw. der zweiten Hauptoberfläche 122. Die Richtung der Polarisation 115 kann zum Beispiel einer polaren Richtung des ersten Materials 111 entsprechen, und die Richtung der Polarisation 125 kann entsprechend einer polaren Richtung des zweiten Materials 121 entsprechen. Vorteilhafterweise ist das erste Material 111 so angeordnet, dass die Richtung der Polarisation 115, im Folgenden auch Polarisationsrichtung 115 genannt, zumindest eine nicht verschwindende Komponente senkrecht zu der Hauptoberfläche 112 hat. Ebenso ist vorteilhafterweise das Material 121 so angeordnet, dass die Polarisationsrichtung 125, zumindest eine nicht verschwindende Komponente senkrecht zu der Hauptoberfläche 122 hat.
Bei Beispielen sind die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 Teil einer Schichtstruktur. Jede der Schichten der Schichtstruktur kann eine Hauptoberfläche und eine der Hauptoberfläche gegenüberliegende weitere Hauptoberfläche aufweisen. Die Hauptoberflächen der Schichten können parallel zueinander entlang einer Hauptrichtung der Schichtstruktur angeordnet sein. In Fig. 1 ist ein exemplarisch gewähltes kartesisches Koordinatensystem dargestellt, gemäß welchem die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 entlang der z-Richtung angeordnet sind. Die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 können parallel zu der x-y-Ebene angeordnet sein.
Die Ladungszone 180 ist in Fig. 1 exemplarisch innerhalb der ersten Schicht 110 dargestellt. Bei anderen Beispielen ist die Ladungszone 180 entlang der Hauptoberfläche 122 in der zweiten Schicht 120 ausgebildet. Bei weiteren Beispielen, bei welchen die Hauptoberfläche 112 von der Hauptoberfläche 142 beabstandet ist, kann die Ladungszone 180 zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 angeordnet sein. Die Ausdehnung der Ladungszone 180 in z-Richtung kann bei Beispielen sehr gering sein, beispielsweise geringer als 10 nm oder geringer als wenige Nanometer.
Bei Beispielen hat sowohl das erste Material 111 eine Wurtzit-Kristallstruktur, als auch das zweite Material 121 eine Wurtzit-Kristallstruktur. Die Wurtzit-Kristallstruktur kann polar sein. Eine polare Achse des ersten Materials 111 kann bei Beispielen parallel zu einer polaren Achse des zweiten Materials 121 angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauelements 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das elektronische Bauelement 200 weist eine erste Schicht 110 mit einer Hauptoberfläche 112 (auch erste Hauptoberfläche 112 genannt) auf und weist ferner eine zweite Schicht 120 mit einer Hauptoberfläche 122 (auch zweite Hauptoberfläche 122 genannt) auf. Die Hauptoberfläche 122 ist der Hauptoberfläche 112 gegenüberliegend angeordnet. Die erste Schicht 110 beinhaltet ein erstes Material 111 mit einer Wurtzit-Kristallstruktur. Eine Polarisation 115 des ersten Materials 111 zeigt in eine erste Richtung, die Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials 111. Die zweite Schicht 120 beinhaltet ein zweites Material 121 mit einer Wurtzit-Kristallstruktur. Das zweite Materials 121 ist ferroelektrisch und hat zumindest einen Polarisationszustand, welcher in Fig. 2 gezeigt ist. Bei Beispielen hat das zweite Material 121 zumindest zwei Polarisationszustände. Zumindest in dem einen in Fig. 2 gezeigten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 ist eine Richtung einer Polarisation 125 des zweiten Materials
121 , die Polarisationsrichtung 125 des zweiten Materials 121, der Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials 111 zumindest teilweise entgegengesetzt. In dem elektronischen Bauelement 200 beinhaltet das zweite Material 121 ein Übergangsmetall.
Bei Beispielen bildet sich entlang der ersten Hauptoberfläche 112 und/oder der zweiten Hauptoberfläche 122 zumindest in dem einen Polarisationszustand eine Ladungszone aus, beispielsweise eine Ladungszone gemäß der Ladungszone 180 aus Fig. 1.
Die Beschreibung des elektronischen Bauelements 100 sowie die Beschreibung der Anordnung der ersten Schicht 110, der zweiten Schicht 120, der Polarisationsrichtung 115, der Polarisationsrichtung 125, sowie den x, y, z-Richtungen, dem ersten Material 111 , den zweite Material 121 sowie den Hauptoberflächen 112, 122 in Bezug auf das elektronische Bauelement 100 können in äquivalenter Weise auf das elektronische Bauelement 200 zutreffen. In anderen Worten, die im Folgenden in Bezug auf die Merkmale des elektronischen Bauelement 100 der Fig. 1 beschriebenen Merkmale können optional sowohl auf das elektronische Bauelement 100 aus Fig. 1 als auch auf das elektronische Bauelement 200 aus Fig. 2 zutreffen.
Aufgrund der Polarisation des ersten Materials 111 und des zweiten Materials 121 kann das elektrische Potenzial an der ersten Hauptoberfläche 112 von dem elektrischen Potenzial im Inneren der ersten Schicht 110 abweichen und/oder das elektrische Potenzial an der zweiten Hauptoberfläche 122 von dem elektrischen Potenzial im Inneren der zweiten Schicht 120 abweichen. Dadurch kann sich die Ladungszone 180 ausbilden, welche beispielsweise ein 2DEG darstellt. Bei anderen Beispielen kann die Ladungszone 180 ein zweidimensionales Lochgas darstellen.
Beispielsweise ergibt sich die Ladungsträgerdichte o eines 2DEGs, oder allgemein der Ladungszone 180, welches sich an einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120, beispielsweise der Hauptoberfläche 112 oder der Hauptoberfläche
122, bildet, in dem einen Polarisationszustand in welchem die erste Polarisationsrichtung 115 zumindest teilweise entgegengesetzt zu der zweiten Polarisationsrichtung 125 ist, basierend auf der Summe der Polarisationen des ersten Materials 111 und des zweiten Materials 121. Die Polarisation eines der Materialien kann sich dabei die spontane Polarisation, und/oder die piezoelektrische Polarisation, und/oder die formale Polarisation beinhalten.
Aufgrund der durch die zumindest teilweise entgegengesetzten Polarisationsrichtungen um ein Vielfaches erhöhten Ladungsträgerdichte in der Ladungszone, z.B. im 2DEG, lassen sich mit dem elektronischen Bauelement 100, 200 um mehr als den Faktor 10 kleinere Bauelementflächen realisieren, oder wahlweise eine mehr als 10-fach geringere Verlustleistung. Ferner werden geringere Bauelementkapazitäten und höhere Grenzfrequenzen aufgrund kleinerer Bauelementflächen und höherer Steilheiten ermöglicht. Damit eignet sich das elektronische Bauelement 100, 200 besonders gut für Transistoren, z.B. HEMTs, wie z.B. für 6G+ Anwendungen, sowie für Anwendungen als kompakte Stromrichter für SMPS & IT (telecom, computing, storage), Militär (base stations, RF energy), Konsumgüter, EV/HEV.
Beispielsweise beträgt eine Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180 mehr als 1012 cm·2 oder mehr als 1013 cm·2 oder mehr als 6x1013 cm·2, wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet. Zusätzlich kann bei Beispielen die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180 weniger als 800x1012 cm-2 oder weniger als 400x1013 cm-2 betragen, wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet. Bei einem Beispiel beträgt die Ladungsträgerdichte 134x1013 cm·2.
Bei Ausführungsbeispielen beträgt die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180, wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet, zwischen 1013 cm·2 und 800x1013 cm·2, oder zwischen 6x1013 cm·2 und 800x1013 cm·2, oder zwischen 10x1013 cm·2 und 800x1013 cm·2, oder zwischen 50x1013 cm·2 und 400x1013 cm·2.
Einer hohe Ladungsträgerdichte kann eine hohe Leitfähigkeit der Ladungszone 180 bewirken. Bei Beispielen mit GaN als erstes Material 121 kann das theoretische Limit für die Leitfähigkeit eines 2DEG in dem GaN unterhalb 0,1 mOhm*cm2, bzw. bei einer Spannung von 600V unterhalb von 0,03 mOhm*cm2, liegen.
Bei Beispielen ist das erste Material 111 eine Stickstoffverbindung, welche zumindest ein Gruppe-Ill-Element aufweist. Eine solche Stickstoffverbindung wird im Folgenden auch als Gruppe-Ill-Nitrid-Verbindung bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich ist das zweite Material 121 eine Gruppe-Ill-Nitrid-Verbindung. Bei Beispielen ist das zweite Material 121 eine Stickstoffverbindung, welche ein oder mehrere Gruppe-Ill-Elemente auf weist und ferner ein Übergangsmetall aufweist.
Bei Beispielen liegt ein stöchiometrischer Anteil des Übergangsmetalls in der Stickstoffverbindung des zweiten Materials 121 zwischen 10% und 50% eines gesamten stöchiometrischen Anteils der ein oder mehreren Gruppe-111 Elemente und des Übergangsmetalls in der Stickstoffverbindung. Beispielsweise weist das zweite Material die chemische Formel A(1-X)TXN auf, wobei A ein Gruppe-Ill-Element oder mehrere verschiedene Gruppe-Ill-Elemente repräsentiert, T ein Übergangsmetall repräsentiert, N Stickstoff ist, und x zwischen 0,1 und 0,5 liegt.
Beispielsweise ist das zweite Material 121 eines aus AIScN, AIGaScN, GaScN, AIN, AIGaN, AlMgNbN, AIGaN, AIGaScN. Zusätzlich oder alternativ ist bei Beispielen das erste Material 111 eines aus GaN, GaScN, AIScN, AIN, InGaN, InGaScN, AIGaN, AIGaScN.
Bei Beispielen ist die Kombination aus dem zweiten Material 121 und dem ersten Material 111 eine aus AIScN / GaN, AIScN / GaScN, AIGaScN / GaN, GaScN / AIScN, GaScN / AIN, AIScN / InGaN, AIScN / InGaScN, AlMgNbN / GaN.
Bei Beispielen ist das erste Material 111 GaN und das zweite Material 121 AIScN. Aluminium-Scandium-Nitrid und Galium-Nitrid weisen eine hohe spontane Polarisation auf. Ferner kann die Gitterkonstante von AIScN ähnlich zu der von GaN oder GaScN sein, so dass die piezoelektrische Polarisation in Beispielen vernachlässigt werden kann, so dass diese die gesamte Polarisation von AIScN, wenn dieses an GaN angrenzend (oder durch eine dritte Schicht von diesem getrennt) angeordnet ist, zumindest nicht verringert. Somit ergibt sich für diese Material Kombination eine hohe Ladungsträgerdichte und geringe Defektdichte.
Bei Beispielen ist das erste Material 111 GaN und das zweite Material 121 AI(1-x)ScxN mit x = 0,18. Bei diesem Scandium-Anteil ist die Gitterkonstante des zweiten Materials 121 zumindest annähernd gleich groß wie die Gitterkonstante des ersten Materials 111. Aufgrund der hohen spontanen Polarisation von AIScN und GaN ergibt sie somit eine hohe Ladungsträgerdichte für ein 2DEG in der Ladungszone 180. In anderen Worten, ohne Kenntnis der piezoelektrischen Polarisation lässt sich allein von der spontanen Polarisation im Allgemein nicht auf die Ladungsdichte eines sich an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Schichten mit Wurtzitstruktur bildenden 2DEGs schließen. Die Erfinder haben allerdings erkannt, dass die Kombination aus einer Schicht aus dem Material AlScN mit 18% ScN auf einer GaN Schicht eine Ausnahme bildet. Da die Gitterkonstante a beider Materialien identisch ist [7], fällt an einer Grenzfläche zwischen beiden Schichten keine piezoelektrische Polarisation an. Des Weiteren ist die spontane Polarisation beider Materialien entweder näherungsweise aus experimentellen Daten oder aus korrekten theoretischen Rechnungen bekannt [3], [4] Für die Ladungsträgerdichte s eines 2DEGs, dass sich an der Grenzfläche zwischen einer 18%igen AlScN Schicht auf einer GaN Schicht bildet gilt, wenn beide, gemäß konventionellen Anordnungen, mit positiver Polarisation, also zum Beispiel mit gleichgerichteten Polarisationsrichtungen , auf dem Substrat abgeschieden werden gilt somit näherungsweise: s = Ps GpaN - P As.plS°cnNN t = 131 Gl. 1
Figure imgf000022_0001
Die so erreichte Größenordnung der Ladungsträgerdichte entspricht dem Stand der Technik. Für die erfindungsgemäße Ausrichtung der ersten Polarisationsrichtung 115 und der zweiten Polarisationsrichtung 125 in dem einen Polarisationszustand, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, ergibt sich hingegen der folgende Wert:
Figure imgf000022_0002
Die Ladungsträgerdichte des so erzeugten 2DEGs ist damit 25-Fach gegenüber dem Stand der Technik vergrößert.
Eine solche Betrachtung trifft nicht nur auf 18%iges AlScN auf GaN zu. Bei anderen Beispielen ist die Materialkombinationen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 eine aus einer Vielzahl anderer möglicher Materialkombinationen, beispielsweise eine der oben genannten. Die Ladungsträgerdichte kann dabei größer oder kleiner als der in Gleichung 2 berechnete Wert sein. Beispielsweise wird die Polarisation in Verbindungen wie GaScN und AlScN mit zunehmenden Sc Gehalt kleiner, sodass auch die Summe in Gleichung zwei kleiner werden würde - jedoch stets größer als die Polarisation der ersten Schicht, z.B. GaN, wenn die Polarisation vollständig invertiert wird. Bei Beispielen kann die Polarisationsinversion auch unvollständig erfolgen, sodass beliebige Ladungsträgerdichten zwischen dem Stand der Technik von etwa 10 pC/cm2 bis über den in Gleichung 2 gegebenen Wert realisiert werden können, z.B. durch die Verwendung von reinem AIN, das eine größere Polarisation als 18%iges AIScN besitzt. Bei Beispielen kann die Stetigkeit der Materialeigenschaften der Gruppe lll-N [4], [8] genutzt werden, um von 18%igem AIScN ausgehend weitere Materialkombinationen für das erste Material 111 und/oder das zweite Material 121 auszuwählen.
Bei Beispielen des Bauelements 100 aus Fig. 1 , ist das zweite Material 121 , wie bei dem Bauelement aus Fig. 2, ferroelektrisch, so dass die Richtung der Polarisation 125 des zweiten Materials 121 wechselbar ist. Der eine Polarisationszustand, bei dem die Polarisation des zweiten Materials 121 beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Polarisationsrichtung 125 hat, ist bei diesen Beispielen ein erster Polarisationszustand und in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 ist die Richtung der Polarisation des zweiten Materials 121 zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung. Bei manchen Beispielen kann die Polarisation des zweiten Materials 121 in dem zweiten Polarisationszustand parallel zu der ersten Polarisationsrichtung 125 sein.
Wie kürzlich durch die Erfinder entdeckt können auch Materialien mit Wurtzitstruktur ferroelektrisch sein. Ein ferroelektrische Material kann mehrere Polarisationszustände einnehmen, bei denen die Polarisation des Materials in verschiedene Richtungen zeigen kann. Ein ferroelektrische Material kann beispielsweise auf einen seiner Polarisationszustände eingestellt werden, indem das Material einem elektrischen Feld, welches zumindest teilweise in die Richtung der einzustellenden Polarisation zeigt, ausgesetzt wird. Dabei kann es zu einer Veränderung des Kristallgitters kommen. Beispielsweise kann ein Material aus einer Gruppe-Ill-Nitrid-Verbindung in einem Polarisationszustand eine Metall-polare Orientierung mit einer Polarisationsrichtung haben, und in einem weiteren Polarisationszustand eine Stickstoff-polare Orientierung mit einer anderen, zum Beispiel entgegengesetzten, Polarisationsrichtung haben.
Der hier im Hinblick auf ferroelektrische Materialen beschrieben Effekt kann bei Beispielen auch durch Heterostrukturen aus anderen Materialien erzielt werden, welche eine andere Struktur als die Wurtzitstruktur aufweisen, im Allgemeinen durch polare oder polarisierte Materialien.
Bei Beispielen ist die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180 entlang der Hauptoberfläche der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht größer, wenn sich das zweite Material 121 in dem ersten Polarisationszustand befindet, als wenn sich das zweite Material 121 in dem zweiten Polarisationszustand befindet.
Bei Beispielen hat die zweite Schicht eine Dicke von weniger als 50 nm, oder weniger als 30 nm, oder weniger als 10 nm.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauelement 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das elektronische Bauelement 300 basiert auf einem der elektronische Bauelemente 100, 200. Zum Beispiel kann das elektronische Bauelement 300 einem der elektronischen Bauelemente 100, 200 entsprechen.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelement 300 eine dritte Schicht 330 auf. Die dritte Schicht 330 ist zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 angeordnet. Zum Beispiel kann die dritte Schicht 330 an die Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 angrenzend angeordnet sein und an die Hauptoberfläche 122 der zweiten Schicht 120 angrenzend angeordnet sein.
Bei Beispielen kann eine Gitterkonstante eines Materials der dritten Schicht 330 ähnlich zu der Gitterkonstante des ersten Materials 110 sein, so dass sich an der Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 besonders wenig Oberflächendefekte ausbilden. In Fig. 3 ist beispielhaft eine Anordnung der Ladungszone 180 in der ersten Schicht 110 und entlang der Hauptoberfläche 112 gezeigt. Durch die Anordnung der dritten Schicht 330 ist die Ladungszone 180 von der zweiten Schicht 120 beabstandet angeordnet. Aufgrund der dritten Schicht 330 kann demnach erreicht werden, dass die Ladungszone 180 auch in Fällen, in welchem sich die Gitterkonstanten des ersten Materials 111 und des zweiten Materials 121 unterscheiden an einer Defekt-armen Grenzfläche angeordnet ist. Dadurch kann eine hohe Leitfähigkeit in der Ladungszone 180 erreicht werden.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelement 300 ferner einen Source-Kontakt 372 und einen Drain-Kontakt 374 auf. Die Ladungszone 180 ist seriell zwischen dem Source- Kontakt 172 und dem Drain-Kontakt 374 angeordnet.
Somit kann die Ladungszone 180, in einem elektrisch leitfähigen Zustand der Ladungszone 180, wie beispielsweise in dem einen bzw. dem ersten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 , eine elektrische Verbindung zwischen dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 darstellen. Das elektronische Bauelement 100, 200 kann beispielsweise einen Transistor oder einen Teil eines Transistors bilden, z.B. einen HEMT. Der Source- Kontakt 372 kann bei Beispielen durch einen Source-Bereich des elektronischen Bauelements bereitgestellt sein. Der Drain-Kontakt 372 kann bei Beispielen durch einen Drain-Bereich des elektronischen Bauelements bereitgestellt sein.
Beispielsweise können der Source-Kontakt 372 und der Drain-Kontakt 174 an eine der Hauptoberfläche 142 der zweiten Schicht 120 gegenüberliegenden Hauptoberfläche der zweiten Schicht 120 angrenzend angeordnet sein, wie in Fig. 3 dargestellt. In anderen Worten, der Source-Kontakt 372 und der Drain-Kontakt 374 können in z-Richtung oberhalb der zweiten Schicht 120 angeordnet sein. Eine solche Anordnung des Source-Kontakts 372 und des Drain-Kontakts 374 kann insbesondere in Kombination damit, dass die zweite Schicht 120 eine Dicke von weniger als 50 nm oder 30 nm oder 10 nm hat vorteilhaft sein. Eine Anordnung des Source-Kontakts 372 und des Drain-Kontakts 374 oberhalb der zweiten Schicht 120 ermöglicht eine einfache Implementierung. Durch eine geringe Dicke kann dennoch ein elektrischer Kontakt zwischen dem Source-Kontakt 372 bzw. dem Drain- Kontakt 374 und der Ladungszone 180 gewährleistet werden. Beispielsweise kann die zweite Schichte 120 aber auch in an den Source-Kontakt 372 und/oder den Drain-Kontakt 374 angrenzenden Bereichen gezielt dünner ausgebildet sein (dünner als in einem Bereich zwischen dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt), um einen guten elektrischen Kontakt zur Ladungszone 180 zu ermöglichen. Bei Beispielen kann die dritte Schicht in den an den Source-Kontakt 372 und/oder den Drain-Kontakt 374 angrenzende Bereichen komplett entfernt sein.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelement 300 ferner eine Gatterelektrode 370 auf, wobei die zweite Schicht 120 zwischen der ersten Schicht 120 und der Gatterelektrode 370 angeordnet ist. Beispielsweise ist die Gatterelektrode 370 durch eine elektrisch leitfähige Schicht implementiert, welche elektrisch kontaktiert ist.
Durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Gatterelektrode 370 und der ersten Schicht 110 kann die zweite Schicht 120 einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Beispielsweise kann die Spannung zwischen der Gatterelektrode 370 und einem Kontakt an die erste Schicht 120 angelegt werden. Alternativ kann die Spannung zwischen der Gatterelektrode 370 und dem Source-Kontakt 372 oder dem Drain-Kontakt 374 angelegt werden, so dass sich das elektrische Feld zwischen der Gatterelektrode und der Ladungszone 180 ausbildet. Die Richtung des elektrischen Felds kann dabei von der Polarität der angelegten Spannung abhängen. Eine Polarität des Materials 121 der zweiten Schicht 120, insbesondere dann, wenn dieses ferroelektrisch ist, kann sich entsprechend dem angelegten elektrischen Feld ausrichten. Damit ermöglicht die Gatterelektrode 370, das Material 121 durch ein Anliegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität auf den ersten Polarisationszustand einzustellen und das Material 121 durch ein Anliegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Polarität auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen. In Fig. 3 ist ein Beispiel der Polarisationsrichtung 125 des einen bzw. des ersten Polarisationszustands des zweiten Materials 121 gezeigt. Ferner ist ein Beispiel einer Richtung der Polarisation 125‘, im Folgenden auch Polarisationsrichtung 125‘ genannt, in dem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 gezeigt. Gemäß dem in Fig. 3 beispielhaft gezeigten Koordinatensystems kann eine z-Komponente der Polarisationsrichtung einer z-Komponente der Polarisationsrichtung des zweiten Polarisationszustands 125‘ entgegengesetzt sein.
Die Gatterelektrode 370 kann einem Bereich 324 der ersten Schicht 121 gegenüberliegend angeordnet sein, so dass der Bereich 324 und die Gatterelektrode 370 die gleiche laterale Ausdehnung haben, z.B. kongruent sind.
Die Gatterelektrode 370 kann sowohl von dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 beabstandet angeordnet sein. Das heißt, die Gatterelektrode kann sich über einen Teilbereich eines zwischen dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 angeordneten Bereichs erstrecken.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Gatterelektrode 370 und der Ladungszone 180, welche beispielsweise über den Source-Kontakt 372 oder den Drain-Kontakt 374 kontaktierbar ist, kann ferner ein Feldeffekt auf die Ladungszone 180 erzeugt werden. Eine Spannung zwischen Gatterelektrode 370 und Ladungszone 180, bei welcher die Ladungszone aufgrund des Feldeffekts zwischen einem leitfähigen und einem isolierenden Zustand wechselt, kann dabei als Schwellspannung bezeichnet werden.
Bei Beispielen ist das zweite Material 121 ferroelektrisch, so dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials 121 wechselbar ist. Bei diesen Beispielen ist der eine Polarisationszustand, zum Beispiel der Polarisationszustand mit der Polarisationsrichtung 125, ein erster Polarisationszustand des zweiten Materials 121. In einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 ist die Richtung der Polarisation des zweiten Materials 121 zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung, das heißt zu der Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials 111. Die Gatterelektrode 370 kann ausgelegt sein, um das zweite Material 121 zumindest in einem der Gatterelektrode 370 gegenüberliegenden Bereich 324 der zweiten Schicht durch Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität an die Gatterelektrode 370 auf den ersten Polarisationszustand einzustellen. Ferner kann die Gatterelektrode 370 ausgelegt sein, um das zweite Material 121 zumindest in dem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich 324 der zweiten Schicht durch Anlegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Polarität an der Gatterelektrode 370 auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen.
Bei Beispielen sind die ersten und zweiten Spannungen (unter Berücksichtigung des Vorzeichens, d.h. der Polarität), welche benötigt werden um das zweite Material auf den ersten bzw. den zweiten Polarisationszustand einzustellen, größer als die Schwellspannung. Somit kann gewährleistet werden, dass der Polarisationszustand des zweiten Materials auf den ersten und den zweiten Polarisationszustand eingestellt werden kann, ohne die Ladungszone durch einen Feldeffekt zu verarmen und so ein Anlegen eines elektrischen Feldes an das zweite Material zu erschweren.
Durch das Einstellen des Polarisationszustands kann die Leitfähigkeit der Ladungszone 180 in einem Bereich 384 der Ladungszone 180, welche dem Bereich 324 der zweiten Schicht gegenüberliegt, verändert werden. Bei Beispielen, in denen der Bereich 324 nur einen Teil eines lateralen Bereichs zwischen dem Source-Kontakt 372 und dem Drain- Kontakt 374 abdeckt, kann die Leitfähigkeit der Ladungszone 180 somit lateral begrenzt, also lokal, verändert werden. Durch die Wahl der Größe des von der Gatterelektrode 370 abgedeckten Bereichs 324 kann also eingestellt werden, in welchem Ausmaß sich die Leitfähigkeit zwischen dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 über die Ladungszone 180 bei einem Wechsel zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand verändert.
Entsprechend ist bei Beispielen die Gatterelektrode 370 nur bereichsweise, zum Beispiel bezüglich der lateralen Ausbreitung, der zweiten Schicht 120 gegenüberliegend angeordnet.
Zum Beispiel kann sich das zweite Material 121 in einem Bereich 326 der zweiten Schicht 120, welcher außerhalb des Bereichs 324 liegt, in dem ersten Polarisationszustand oder in dem zweiten Polarisationszustand befinden. Das zweite Material 121 in dem Bereich 326 kann sich bei Beispielen in dem ersten Polarisationszustand befinden und bei weiteren Beispielen in dem zweiten Polarisationszustand befinden. Befindet sich das zweite Material 121 in dem Bereich 326 in dem ersten Polarisationszustand, kann eine Leitfähigkeit eines Bereichs 386 der Ladungszone 180, welcher dem weiteren Bereich 326 der zweiten Schicht 120 gegenüberliegt, höher sein, als wenn sich das zweite Material 121 in dem weiteren Bereich 326 in den zweiten Polarisationszustand befindet.
In anderen Worten, eine leitfähige Schicht, z.B. die Gatterelektrode 370, kann auch so gestaltet sein, dass sie nicht die gesamte Oberfläche der Halbleiterstruktur bedeckt, sondern nur Teile davon. Entsprechend kann damit die Ladungsträgerdichte lokal in einem weiten Intervall bestimmt werden und sich von der Ladungsträgerdichte in anderen Bereichen unterscheiden.
Bei anderen Beispielen kann sich der Bereich 324 sich in lateraler Richtung, also bezüglich derx- und/oder y-Richtung in Fig. 3, von dem Source-Kontakt 372 bis zu dem Drain-Kontakt 374 erstrecken, wobei die Gatterelektrode 370 von dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 elektrisch isoliert ist. Bei Beispielen ist der lateraler Bereich zwischen dem Source-Kontakt 372 und dem Drain-Kontakt 374 zu mindestens 80 % von der Gatterelektrode 370 abgedeckt.
Ist das zweite Material 121 ferroelektrisch, so kann das zweite Material 121 in dem eingestellten Polarisationszustand verbleiben, auch wenn keine Spannung an der Gatterelektrode 370 mehr anliegt. In anderen Worten, kann das Einstellen der Polarisationsrichtung 125, 125‘, durch ein vorübergehendes Anlegen einer Spannung erfolgen, welche abgestellt werden kann, wenn der Polarisationszustand eingestellt ist.
Entsprechend kann das zweite Material 121 ausgebildet sein, um in einem Zustand des elektronischen Bauelements, in welchem keine Spannung an der Gatterelektrode 370 anliegt, einen zuletzt eingestellten Polarisationszustand, zum Beispiel den ersten oder dem zweiten Polarisationszustand, zu halten.
Wenn keine Spannung an der Gatterelektrode 370 anliegt, kann die Ladungszone 180 also eine höhere Leitfähigkeit haben, wenn sich das zweite Material 121 in dem ersten Polarisationszustand befindet, als wenn sich das zweite Material 121 in dem zweiten Polarisationszustand befindet.
Die Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials 111 der Figuren 1-3 ist beispielhaft zu verstehen. Bei anderen Beispielen zeigt eine z-Komponente der Polarisationsrichtung 115 in die zu der dargestellten Richtung entgegengesetzte Richtung. Entsprechend zeigt bei diesen anderen Beispielen auch eine z-Komponente der Polarisationsrichtung 125, 125‘, in die zu der dargestellten Richtung entgegengesetzte Richtung.
Bei Beispielen ist das erste Material 111 und das zweite Material 121 so gewählt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Ladungszone 180 durch Elektronen gewährleistet wird. Bei anderen Beispielen ist das erste Material 111 und das zweite Material 121 so gewählt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Ladungszone 180 durch Löcher gewährleistet wird. Ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Gatterelektrode 370 und der ersten Schicht 110 oder zwischen der Gatterelektrode 370 und der Ladungszone 180 kann einen Feldeffekt bewirken, der die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180 vergrößern oder verringern kann, je nach Polarität der Spannung und nach Art der Ladungsträger in der Ladungszone.
Bei Beispielen ist die Richtung der Polarisation des ersten Materials so ausgerichtet, dass die zweite Polarität der zweiten Spannung, durch welche das zweite Material 121 auf den zweiten Polarisationszustand eingestellt werden kann, eine negative Polarität ist. Dies ist vorteilhaft, wenn die Mehrheitsladungsträger in der Ladungszone 180 Elektronen sind. Somit wird durch ein Anlegen der zweiten Spannung ein Effekt bewirkt, welcher zu einer Verringerung der Elektronendichte, und somit der Leitfähigkeit der Ladungszone, beiträgt. Bei diesen Beispielen kann die Schwellspannung negativ sein, zumindest dann, wenn sich das zweite Material in dem ersten Polarisationszustand befindet. Bei weiteren dieser Beispiele ist die Schwellspannung negativ, wenn sich das zweite Material in dem ersten oder zweiten Polarisationszustand befindet.
Obwohl die Merkmale der Gatterelektrode 370, des Sou ree- Kontakts 372 und des Drain- Kontakts 374, sowie der dritten Schicht 330 in Fig. 3 zusammenfassend anhand eines Ausführungsbeispiels erklärt sind, können diese Merkmale unabhängig voneinander implementiert werden. Insbesondere kann die dritte Schicht 330 auch ohne die Gatterelektrode 370, den Source-Kontakt 372 und den Drain-Kontakt 374, beispielsweise in dem elektronischen Bauelement 100, 200, implementiert werden. Eine alternative Ausführungsform des Source-Kontakts 372 und des Drain-Kontakts 374, welche auch mit dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, wird in Fig. 4 gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelement 300. Bei diesem Beispiel sind der Source-Kontakt 372 und der Drain-Kontakt 374 an die Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 angrenzend angeordnet. Dies kann den Vorteil haben, dass der Source-Kontakt 372 und der Drain- Kontakt 374 bei Beispielen wie dem in Fig. 4 gezeigten, in denen die Ladungszone 180 in der ersten Schicht 110 angeordnet ist, besonders nah an der Ladungszone 180 ist, und somit ein guter elektrischer Kontakt gewährleistet ist.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelement 300 ferner eine isolierende Schicht 478 auf, welche zwischen der Gatterelektrode 370 und der zweiten Schicht 120 angeordnet ist. Die isolierende Schicht 478 isoliert die Gatterelektrode 370 elektrisch von der zweiten Schicht 120. Dies kann Leckströme zwischen der Gatterelektrode 370 und der Ladungszone 180 verhindern. Die isolierende Schicht 478 kann in analoger Weise auch in dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel des elektronischen Bauelement 300 implementiert werden.
In anderen Worten, für eine Ausgestaltung des in den elektronischen Bauelements 300 als Transistor, können Source und Drain Elektrode entweder auf die erste (Fig. 4) oder die zweite Schicht (Fig. 3) aufgebracht werden, sodass das 2DEG entweder direkt oder über eine der Schichten kontaktiert wird. Diese Elektroden können aus Leitern wie Pt, Mo, AI, Ti, TiN, NbN, W, Ni, Au oder dotiertem Si bestehen. Um eine Verschiebung des 2DEGs weg von der typischerweise defektbehafteten Grenzfläche zwischen den zwei Schichten 110, 120 der Heterostruktur zu bewirken kann zusätzliche zwischen den zwei Schichten 110, 120 der Heterostruktur eine weitere dünne kristalline Schicht, z.B. die dritte Schicht 330, eingebracht werden, welche ebenso die Wurtzitstruktur aufweist.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines HEMT 500 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Beispiele des HEMT 500 können einem der zuvor beschriebenen elektronischen Bauelemente 100, 200, 300 entsprechen. Der HEMT 500 weist ein Substrat 590 auf, welches der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass die erste Schicht 110 zwischen dem Substrat 590 und der zweiten Schicht 120 angeordnet ist. Ferner beinhaltet der HEMT 500 ein oder mehrere Anpassungsschichten 592, welche zwischen der ersten Schicht 110 und dem Substrat 590 angeordnet sind. Die Anpassungsschichten 590 können eine Anpassung der Gitterkonstanten des Substrat 590 und der ersten Schicht 110 bewirken, so dass Defekte und oder Spannung an einer der Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 gegenüberliegenden weiteren Hauptoberfläche der ersten Schicht 110 verringert oder vermieden werden können. Der HEMT 500 weist die dritte Schicht 330 auf, welche zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 angeordnet ist. Zwischen der Gatterelektrode 370 und der zweiten Schicht 120 ist eine Abschlussschicht 578 angeordnet, welche elektrisch isolierend sein kann. Ein Source-Kontakt 372 und ein Drain-Kontakt 374 ist an die Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 angrenzend angeordnet. Befindet sich die Ladungszone 180, welche sich in dem gezeigten Beispiel entlang der Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 befindet, in einem leitfähigen Zustand, sind der Source-Kontakt 372 und der Drain-Kontakt 374 über die Ladungszone 180 elektrisch verbunden.
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 80 zum Steuern des elektronischen Bauelements 100, 200, 300, 500 gemäß der Fig. 1 bis Fig. 5. Das Verfahren 80 beinhaltet einen Schritt 81 eines Einstellens des zweiten Materials 121 in zumindest einem Bereich der zweiten Schicht 120 auf den einen Polarisationszustand.
Bei Beispielen kann der Schritt 81 einen Schritt 82 beinhalten, oder mittels diesem durchgeführt werden. Der Schritt 82 beinhaltet ein Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität an die Gatterelektrode, um das zweite Material 121 zumindest in einem der Gatterelektrode 370 gegenüberliegenden Bereich 324 der zweiten Schicht 120 auf den ersten Polarisationszustand einzustellen.
Bei Beispielen weist das Verfahren 80 ferner einen Schritt eines Anlegens einer zweiten Spannung mit einer zweiten Polarität an der Gatterelektrode 370, um das zweite Material 121 zumindest in dem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich 324 der zweiten Schicht 120 auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen.
Bei Beispielen weist das elektronische Bauelement 100, 200, 300, 500 gemäß der Fig. 1 bis Fig. 5 eine Steuereinheit auf, welche das Verfahren 80 ausführen kann, beispielsweise durch Steuerung einer an der Gatterelektrode 370 anliegenden Spannung.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 60 zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, beispielsweise des elektronischen Bauelements 100, 200, 300, 500. Das Verfahren 60 beinhaltet einen Schritt 61 des Anordnens einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht. Das Anordnen 61 erfolgt so, dass eine Hauptoberfläche 122 zweiten Schicht 120 einer Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 gegenüberliegend angeordnet ist. Ferner erfolgt das Anordnen 61 so, dass die erste Schicht 110 ein erstes Material 111 aufweist, und die zweite Schicht 120 ein zweites Material 121 aufweist. Das zweite Material 121 hat zumindest einen Polarisationszustand. Das Anordnen 61 erfolgt so, dass eine Polarisation des ersten Materials 111 in eine erste Richtung zeigt, und so, dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials 121 zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials 121 zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, so dass sich entlang der Hauptoberfläche 112, 122 der ersten Schicht 110 und/oder der zweiten Schicht 120 eine Ladungszone 180 bildet, welche zumindest dann elektrisch leitfähig ist, wenn sich das zweite Material 121 in dem einen Polarisationszustand befindet.
Bei Beispielen beinhaltet das Anordnen 61 der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 einen Schritt des Abscheidens der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Bei Beispielen wird zuerst die erste Schicht 110 abgeschieden und die zweite Schicht 120 auf der ersten Schicht 110 abgeschieden, wobei vor dem Abscheiden der zweiten Schicht 120 ein oder mehrere weitere Schichten auf der ersten Schicht 110 abgeschieden werden können, beispielsweise die dritte Schicht 330. Bei anderen Beispielen wird zuerst die zweite Schicht 120 abgeschieden und die erste Schicht 110 auf der zweiten Schicht 120 abgeschieden, wobei vor dem Abscheiden der ersten Schicht 110 ein oder mehrere weitere Schichten, beispielsweise dritte Schicht 330, abgeschieden werden können.
Bei Beispielen kann das Abscheiden so erfolgen, dass sich das zweite Material 121 nach dem Abscheiden der ersten Schicht und der zweiten Schicht in dem einen Polarisationszustand befindet.
Bei diesen Beispielen kann also durch den Abscheideprozess erreicht werden, dass die Polarisationsrichtung 125 des zweiten Materials 121 zumindest teilweise entgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials ist.
In anderen Worten, eine Inversion der Polarisationsrichtungen kann im Rahmen des Abscheideprozesses erfolgen, indem ein Defekt an der Grenze der beiden Schichten mit Wurtzitstruktur induziert wird (z.B. durch die kurzzeitige Bereitstellung von Sauerstoff, Magnesium, Silizium oder Germanium).
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 70 kann ein Beispiel des Verfahrens 60 sein. Bei diesem Beispiel ist das zweite Material 121 ferroelektrisch, so dass eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials wechselbar ist. In diesen Beispielen ist der zumindest eine Polarisationszustand des zweiten Materials ein erster Polarisationszustand. In einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials 121 ist die Richtung der Polarisation des zweiten Materials 121 zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung. Bei diesen Beispielen beinhaltet das Anordnen 61 ferner einen Schritt 73 eines Anlegens eines elektrischen Feldes an das zweite Material 121 in einer zu der Hauptoberfläche 112 der ersten Schicht 110 oder der zweiten Schicht 120 zumindest teilweise senkrechten Richtung, um das zweite Material 121 zumindest bereichsweise auf den ersten Polarisationszustand einzustellen.
Zum Beispiel beinhaltet das Anordnen 61 einen Schritt des Abscheidens der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120, wie in Bezug auf Fig. 6 beschrieben, wobei das Abscheiden so erfolgt, dass die Polarisationsrichtung 115 des ersten Materials 111 und die Polarisationsrichtung 125, 125‘ des zweiten Materials zumindest teilweise gleichgerichtet sind, also so, dass sich das zweite Material in dem zweiten Polarisationszustand befindet. Der Schritt 73 kann beispielsweise mittels einer Gatterelektrode ausgeführt werden, welche zum Beispiel nach dem Abscheiden der ersten und der zweiten Schicht angeordnet werden kann.
Dementsprechend kann das Anordnen 61 des Verfahrens 70 bei Beispielen ferner einen Schritt 72 eines zumindest bereichsweisen Anordnens einer Gatterelektrode 370 beinhalten. Schritt 72 erfolgt so, dass die zweite Schicht 120 zwischen der ersten Schicht 110 und der Gatterelektrode 370 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise kann der Schritt 72 vor dem Schritt 73 erfolgen.
Weist das Verfahren den Schritt 74 auf, kann Schritt 72 des Anordnens der Gatterelektrode so ausgeführt werden, dass die Gatterelektrode sich über einen Bereich von dem Source- Kontakt bis zum Drain-Kontakt erstreckt. Somit kann in Schritt 73 gewährleistet werden, dass das zweite Material über den gesamten Bereich vom Source-Kontakt bis zum Drain- Kontakt auf den ersten Polarisationszustand eingestellt wird und somit eine hohe Leitfähigkeit erreicht werden. Wird in Schritt 73 zum Anlegen des elektrischen Feldes die Ladungszone genutzt, kann die Gatterelektrode 370 in Schritt 72 so angeordnet werden, dass sie elektrisch isoliert von dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt ist.
Optional beinhaltet der Schritt 61 des Verfahrens 70 ferner einen Schritt 74 eines zumindest teilweisen Entfernens der in Schritt 72 angeordneten Gatterelektrode. Zum Beispiel kann das Entfernen so erfolgen, dass die Gatterelektrode elektrisch isoliert von dem Source- Kontakt und dem Drain-Kontakt ist Mit Bezug auf Fig. 3 kann somit erreicht werden, dass sich das zweite Material 121 in dem Bereich 326, welcher außerhalb des der Gitterelektrode 370 gegenüberliegenden Bereichs 324 liegt, in dem ersten Polarisationszustand befindet. Das zweite Material 121 in dem Bereich 324 kann durch Anlegen eines Feldes an einen verbliebenen Teil der Gatterelektrode nach Schritt 74, in Fig. 3 durch die Gatterelektrode 370 repräsentiert, auf den ersten oder den zweiten Polarisationszustand eingestellte werden, und somit die Leitfähigkeit der Ladungszone 180 vergrößert oder verringert werden. Durch teilweises Entfernen der Gatterelektrode kann gewähreistet werden, dass die Gatterelektrode elektrisch isoliert von dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt ist. Ferner kann dadurch eine Kapazität der Gatterelektrode verringert werden.
Bei Beispielen erfolgt der Schritt 74 so, dass die Gatterelektrode nur teilweise entfernt wird, beispielsweise so, dass nach Schritt 74 ein verbliebener Teil der Gatterelektrode, zum Beispiel die Gatterelektrode 370, der zweiten Schicht 120 gegenüberliegend angeordnet ist. Bei diesen Beispielen kann der Schritt 61 ferner einen Schritt 75 eines Anliegens einer zweiten Spannung an die Gatterelektrode 370 nach dem teilweisen entfernen der Gatterelektrode beinhalten, um das zweite Material 121 zumindest bereichsweise, beispielsweise in einem dem verbliebenen Teil der Gatterelektrode 73 gegenüberliegenden Bereich 324, auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen.
Somit kann sich das zweite Material in einem Bereich 324 der zweiten Schicht 120 in dem zweiten Polarisationszustand befinden, und in einem weiteren Bereich 326 der zweiten Schicht in dem ersten Polarisationszustand finden.
Das Verfahren 60 aus Fig. 6 und das Verfahren 70 aus Fig. 7 kann geeignet sein, um das elektronische Bauelement 100, 200, 300, 500 herzustellen. Das heißt, das Verfahren 60, 70 kann so ausgeführt werden, dass die in Bezug auf die Figuren 1 bis 5 beschriebenen Merkmale und Wirkungen geschaffen werden, z.B. im Hinblick auf Beschaffenheit und Anordnung.
In anderen Worten, eine Möglichkeit, die Invertierung der relativen Polarisationsrichtungen der ersten und zweiten Schicht zu bewerkstelligen ist der ferroelektrische Effekt. Ein solcher ferroelektrischer Effekt wird in AIScN beobachtet und kann auch für GaScN sowie für andere Mischkristalle wie AlMgNbN erwartet werden [9], [10] Dieser Effekt erlaubt es, eine Heterostruktur zweier Schichten mit Wurtzitstruktur mit z.B. Metall-Polarer (alternativ: Stickstoff- Polarer) Orientierung abzuscheiden. Die Polarisation der oberen Schicht (alternativ: der unteren) Schicht kann durch den ferroelektrischen Effekt invertiert werden. Gemäß Gleichung 2 hat die so erzeugte Heterostruktur eine deutlich erhöhte Leitfähigkeit. Das Anlegen einer Spannung kann z.B. realisiert werden, indem eine leitfähige Schicht, z.B.: Pt, Mo, AI, Ti, TiN, NbN, Ni, Au oder Si (oder ein leitfähiges Substrat, z.B. dotiertes Si oder GaN) in Kontakt mit der dem 2DEG abgewandten Oberfläche einer ferroelektrischen Schicht gebracht wird. Über diese leitfähige Schicht und das 2DEG auf der anderen Seite der ferroelektrischen Schicht kann daraufhin eine Spannung angelegt werden. Diese Spannung invertiert durch den ferroelektrischen Effekt die Polarisation und erhöht damit die Ladungsträgerdichte des 2DEGs. Daraufhin kann die leitfähige Schicht wieder entfernt werden oder verkleinert werden, um z.B. eine Gate-Elektrode zur Kontrolle des 2DEGs zu definieren.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben:
Ein Ausführungsbeispiel schafft eine Struktur, bestehend aus einem Substrat, einer darauf aufgebrachten kristallinen Schicht mit Wurtzitstruktur und einer weitere, auf der ersten Schicht aufgebrachten, kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur, deren Polarisation entgegen der Polarisation der ersten Schicht ausgerichtet ist.
Bei Beispielen der Struktur ist die Leitfähigkeit entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten größer ist als in einer Struktur, in welcher die Polarisation beider Schichten in die gleiche Richtung zeigt.
Bei Beispielen hat die Ladungsträgerdichte Werte zwischen 6x1013 cm·2 und 164x1013 cnr -2
Bei Beispielen ist mindestens eine der beiden Schichten ferroelektrisch.
Bei Beispielen ist mindestens eine der beiden Schichten ein Gruppe Ill-Nitirid.
Bei Beispielen enthält mindestens eine der beiden Schichten zusätzlich ein Übergangsmetall.
Bei Beispielen ist die zweite Schicht dünner als 50 nm. Bei Beispielen ist zwischen der ersten und der zweiten eine weitere Schicht mit Wurtzitstruktur angeordnet.
Bei Beispielen ist auf der zweiten Schicht eine Gate-, eine Source- und eine Drain- Elektrode aufgebracht.
Bei Beispielen sind die Source- und die Drain-Elektrode auf der ersten Schicht aufgebracht und die Gate Elektrode auf der zweiten Schicht aufgebracht.
Bei Beispielen ist zwischen Gate und zweiter Schicht eine weitere isolierende Schicht.
Bei Beispielen beträgt der Übergangsmetallanteil zwischen 10 und 50% der Gruppe III Elemente.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren, bei dem eine zweite kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur auf eine erste kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur aufgebracht wird, wobei die Polarisation beider Schichten in die gleiche Richtung zeigt und mindestens eine der beiden Schichten ferroelekrisch ist. Ferner wird bei dem Verfahren die Leitfähigkeit der Grenzfläche zwischen beiden Schichten durch Anlegen einer Spannung an einen Teil einer der ferroelektrischen Schichten und die Umkehr der dortigen Polarisation vergrößert.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren bei dem eine zweite kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur auf eine erste kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur aufgebracht wird, wobei die Polarisation beider Schichten in die gleiche Richtung zeigt und die zweite Schichten ferroelektrisch ist; bei dem eine leitfähige Schicht auf die ferroelektrische Schicht aufgebracht wird, welche mindestens 80% der Distanz zwischen der Position einer (auch nachträglich aufgebrachten) Source und einer Drain Elektrode bedeckt; bei dem die Leitfähigkeit der Grenzfläche zwischen beiden Schichten durch Anlegen einer Spannung an die leitfähige Schicht und die Umkehr der dortigen Polarisation vergrößert wird; und bei dem die leitfähige Schicht anschließend zumindest in Teilen entfernt wird.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren bei dem eine zweite kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur auf eine erste kristalline Schicht mit Wurtzitstruktur aufgebracht wird, wobei die Polarisation beider Schichten in die gleiche Richtung zeigt und die zweite Schichten ferroelektrisch ist; und bei dem die Polarisation einer ferroelektrischen Schicht nach einem der Ansprüche 2-3 invertiert wurde; und bei dem die Polarisation einer ferroelektrischen Schicht durch eine Gate Elektrode wieder invertiert wird, um einen Zustand mit geringerer Leitfähigkeit zu erreichen; und bei dem eine Spannung an die Gate Elektrode angelegt wird, um das 2DEG weiter zu verarmen.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn, es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Referenzen
[1] O. Ambacher et al. , “Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AIGaN/GaN heterostructures,” J. Appl. Phys., vol. 85, no. 6, pp. 3222-3233, 1999, doi: 10.1063/1.369664.
[2] K. Frei et al., “Investigation of growth Para eters for ScAIN-barrier HEMT structures by plasma-assisted MBE,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 58, p. SC1045, 2019, doi: 10.7567/1347-4065/ab124f.
[3] S. Fichtner, N. Wolff, F. Lofink, L. Kienle, and B. Wagner, “AIScN: A lll-V Semiconductor Based Ferroelectric,” https://arxiv.org/abs/1810.07968.
[4] C. E. Dreyer, A. Janotti, C. G. Van de Walle, and D. Vanderbilt, “Correct
Implementation of polarization constants in wurtzite materials and impact on III- nitrides,” Phys. Rev. X, vol. 6, no. 2, p. 021038, 2016, doi:
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[5] M. Caro et al., “Piezoelectric coefficients and spontaneous polarization of ScAIN.,” J. Phys. Condens. Matter, vol. 27, no. 24, p. 245901, 2015, doi: 10.1088/0953- 8984/27/24/245901.
[6] F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, “Spontaneous polarization and piezoelectric constants of lll-V nitrides,” Phys. Rev. B, vol. 56, no. 16, p. R10 024, 1997, doi: 10.1103/PhysRevB.56.R10024.
[7] I. Edward A. Beam and J. Xie, “High electron mobility transistor (HEMT) device,” US 10636881B2, 2016.
[8] L. Vegard, “Die Konstitution der Mischkristalle und die Raumfüllung der Atome,” Zeitschrift für Phys., vol. 5, p. 17, 1921, doi: 10.1007/BF00549722.
[9] M. Uehara, T. Mizuno, Y. Aida, H. Yamada, K. Umeda, and M. Akiyama, “Increase in the piezoelectric response of scandium-doped gallium nitride thin films sputtered using a metal interlayer for piezo MEMS,” Appl. Phys. Lett. , vol. 114, no. 012902, 2019, doi: 10.1063/1.5066613.
[10] M. Uehara et al., “Giant increase in piezoelectric coefficient of AIN by Mg-Nb simultaneous addition and multiple Chemical States of Nb,” Appl. Phys. Lett., vol. 111, no. 11, p. 112901, 2017.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement (100, 300, 500), aufweisend eine erste Schicht (110) und eine zweite Schicht (120), wobei eine Hauptoberfläche (112) der ersten Schicht (110) einer Hauptoberfläche (122) der zweiten Schicht (120) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die erste Schicht (110) ein polarisiertes erstes Material (111) aufweist, und wobei eine Polarisation (115) des ersten Materials in eine erste Richtung zeigt, und wobei die zweite Schicht (120) ein polarisiertes zweites Material (121) aufweist, welches zumindest einen Polarisationszustand hat, wobei eine Richtung einer Polarisation (125) des zweiten Materials (121) zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, so dass sich entlang der Hauptoberfläche (112, 122) der ersten und/oder der zweiten Schicht eine Ladungszone (180) bildet, welche zumindest dann elektrisch leitfähig ist, wenn sich das zweite Material (121) in dem einen Polarisationszustand befindet.
2. Elektronisches Bauelement (100, 300, 500) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Material (111) eine Wurtzit-Kristallstruktur aufweist, und wobei das zweite Material (121) eine Wurtzit-Kristallstruktur aufweist.
3. Elektronisches Bauelement (200, 300, 500), aufweisend eine erste Schicht (110) und eine zweite Schicht (120), wobei eine Hauptoberfläche (112) der ersten Schicht (110) einer Hauptoberfläche (122) der zweiten Schicht (120) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die erste Schicht (110) ein erstes Material (111) mit einer Wurtzit- Kristallstruktur aufweist, und wobei eine Polarisation (115) des ersten Materials in eine erste Richtung zeigt, und wobei die zweite Schicht (120) ein zweites Material (121) mit einer Wurtzit- Kristallstruktur aufweist, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist und zumindest einen Polarisationszustand hat, wobei eine Richtung einer Polarisation (125) des zweiten Materials (121) zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, und wobei das zweite Material (121) ein Übergangsmetall aufweist.
4. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ladungsträgerdichte einer Ladungszone (180) entlang der Hauptoberfläche (112, 122) der ersten Schicht (110) und/oder der zweiten Schicht (120) mehr als 1012 cm·2 oder mehr als 1013 cm·2 oder mehr als 6x1013 cm·2 beträgt, oder in einem Bereich zwischen 1013 cm·2 und 800x1013 cm·2, oder in einem Bereich zwischen 6x1013 cm·2 und 800x1013 cm·2, oder in einem Bereich zwischen 10x1013 cm·2 und 800x1013 cm·2 liegt, wenn sich das zweite Material (121) in dem einen Polarisationszustand befindet.
5. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (111) eine Stickstoffverbindung ist, welche zumindest ein Gruppe-Ill-Element aufweist und/oder das zweite Material (121) eine Stickstoffverbindung ist, welche zumindest ein Gruppe-Ill-Element aufweist.
6. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (121) eine Stickstoffverbindung ist, welche ein oder mehrere Gruppe-Ill-Elemente aufweist und ferner ein Übergangsmetall aufweist.
7. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß Anspruch 6, wobei ein stöchiometrischer Anteil des Übergangsmetalls in der Stickstoffverbindung des zweiten Materials (121) zwischen 10% und 50% eines gesamten stöchiometrischen Anteils der ein oder mehreren Gruppe-111 Elemente und des Übergangsmetalls in der Stickstoffverbindung liegt.
8. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (111) eines aus GaN, GaScN, AIScN, AIN, InGaN, InGaScN, AIGaN, AIGaScN ist, und/oder wobei das zweite Material (121) eines aus AIScN, AIGaScN, GaScN, AIN, AIGaN, AlMgNbN, AIGaN, AIGaScN ist.
9. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kombination zweites Material (121) / erstes Material (111) eine der folgenden ist: AIScN / GaN, AIScN / GaScN, AIGaScN / GaN, GaScN / AIScN, GaScN / AIN, AIScN / InGaN, AIScN / InGaScN, AlMgNbN / GaN.
10. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist, so dass die Richtung der Polarisation (125) des zweiten Materials (121) wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials (121) ein erster Polarisationszustand ist, und wobei die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung ist.
11. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß Anspruch 10, wobei eine Ladungsträgerdichte in einer Ladungszone (180) entlang der Hauptoberfläche (112, 122) der ersten Schicht (110) und/oder der zweiten Schicht (120) größer ist, wenn sich das zweite Material (121) in dem ersten Polarisationszustand befindet, als wenn sich das zweite Material (121) in dem zweiten Polarisationszustand befindet.
12. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 , das ferner eine zwischen der ersten Schicht (110) und der zweiten Schicht (120) angeordnete dritte Schicht (330) mit einer Wurtzit-Kristallstruktur aufweist.
13. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (120) eine Dicke von weniger als 50 nm aufweist.
14. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Source-Kontakt (372) und einen Drain-Kontakt (374) aufweist, wobei die Ladungszone (180) seriell zwischen dem Source-Kontakt (372) und dem Drain-Kontakt (374) angeordnet ist.
15. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Gatterelektrode (370) aufweist, wobei die zweite Schicht (120) zwischen der ersten Schicht (110) und der Gatterelektrode (370) angeordnet ist.
16. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß Anspruch 15, wobei die Gatterelektrode (370) nur bereichsweise der zweiten Schicht (120) gegenüberliegend angeordnet ist.
17. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, das ferner eine zwischen der Gatterelektrode (370) und der zweiten Schicht (120) angeordnete elektrisch isolierende Schicht (478) aufweist.
18. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist, so dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials (121) ein erster Polarisationszustand ist, und wobei die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung ist, und wobei die Gatterelektrode (370) ausgelegt ist, um das zweite Material (121) zumindest in einem der Gatterelektrode (370) gegenüberliegenden Bereich (324) der zweiten Schicht (120) durch Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität an die Gatterelektrode auf den ersten Polarisationszustand einzustellen, und um das zweite Material (121) zumindest in dem der Gatterelektrode gegenüberliegenden Bereich (324) der zweiten Schicht (120) durch Anlegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Polarität an der Gatterelektrode (370) auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen.
19. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß Anspruch 18, wobei das zweite Material (121) ausgebildet ist, um in einem Zustand des elektronischen Bauelements, in welchem keine Spannung an der Gatterelektrode (370) anliegt, einen zuletzt eingestellten Polarisationszustand zu halten.
20. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei die Richtung der Polarisation des ersten Materials so ausgerichtet ist, dass die zweite Polarität eine negative Polarität ist.
21. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das zweite Material der zweiten Schicht zumindest bereichsweise in dem einen Polarisationszustand befindet.
22. Elektronisches Bauelement (100, 200, 300, 500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist, so dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials (121) ein erster Polarisationszustand ist, und wobei die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung ist, und wobei das elektronische Bauelement ausgebildet ist, um das zweite Material (121) der zweiten Schicht zumindest bereichsweise auf den ersten Polarisationszustand einzustellen.
23. Verfahren zum Steuern des elektronischen Bauelements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Einstellen des zweiten Materials (121) in zumindest einem Bereich der zweiten Schicht (120) auf den einen Polarisationszustand.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist, so dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials (121) ein erster Polarisationszustand ist, und wobei die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung ist, wobei das elektronische Bauelement ferner eine Gatterelektrode (370) aufweist, wobei die zweite Schicht (120) zwischen der ersten Schicht (110) und der Gatterelektrode (370) angeordnet ist, und wobei der Schritt des Einstellens des zweiten Materials auf den ersten Polarisationszustand folgenden Schritt aufweist:
Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Polarität an die Gatterelektrode, um das zweite Material (121) zumindest in einem der Gatterelektrode (370) gegenüberliegenden Bereich (324) der zweiten Schicht (120) auf den ersten Polarisationszustand einzustellen.
25. Verfahren (60, 70) zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, folgende Schritte aufweisend:
Anordnen (61) einer ersten Schicht (110) und einer zweiten Schicht (120), so, dass eine Hauptoberfläche (122) der zweiten Schicht (120) einer Hauptoberfläche (112) der ersten Schicht (110) gegenüberliegend angeordnet ist, so, dass die erste Schicht (110) ein erstes Material (111) aufweist, und die zweite Schicht (120) ein zweites Material (121) aufweist, wobei das zweites Material (121) zumindest einen Polarisationszustand hat, und so, dass eine Polarisation des ersten Materials (111) in eine erste Richtung zeigt so, dass die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) zumindest in dem einen Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, so dass sich entlang der Hauptoberfläche (112, 122) der ersten Schicht (110) und/oder der zweiten Schicht (120) eine Ladungszone (180) bildet, welche zumindest dann elektrisch leitfähig ist, wenn sich das zweite Material (121) in dem einen Polarisationszustand befindet.
26. Verfahren (60) nach Anspruch 25, wobei das Anordnen (61) der ersten Schicht (110) und der zweiten Schicht (120) ein Abscheiden der ersten Schicht und der zweiten Schicht beinhaltet, wobei das Abscheiden so erfolgt, dass sich das zweite Material (121) nach dem Abscheiden der ersten Schicht und der zweiten Schicht in dem einen Polarisationszustand befindet.
27. Verfahren (70) nach Anspruch 25, wobei das zweite Material (121) ferroelektrisch ist, so dass eine Richtung einer Polarisation des zweiten Materials (121) wechselbar ist, wobei der eine Polarisationszustand des zweiten Materials (121) ein erster Polarisationszustand ist, und wobei die Richtung der Polarisation des zweiten Materials (121) in einem zweiten Polarisationszustand des zweiten Materials (121) zumindest teilweise gleichgerichtet zu der ersten Richtung ist, und wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist:
Anlegen (73) eines elektrischen Feldes an das zweite Material (121) in einer zu der Hauptoberfläche (112, 122) der ersten oder zweiten Schicht zumindest teilweise senkrechten Richtung, um das zweite Material (121) zumindest bereichsweise auf den ersten Polarisationszustand einzustellen.
28. Verfahren (70) nach Anspruch 27, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: zumindest bereichsweises Anordnen (72) einer Gatterelektrode, so dass die zweite Schicht (120) zwischen der ersten Schicht und der Gatterelektrode angeordnet ist, und wobei das Anlegen (73) des elektrischen Feldes an das zweite Material (121) durch Anlegen einer Spannung an die Gatterelektrode erfolgt.
29. Verfahren (70) nach Anspruch 28, ferner folgenden Schritt aufweisend: zumindest teilweises Entfernen (74) der Gatterelektrode nach dem zumindest bereichsweisen Einstellen des zweiten Materials auf den ersten Polarisationszustand.
30. Verfahren (70) nach Anspruch 29, wobei das Entfernen (74) der Gatterelektrode nur teilweise erfolgt, wobei die Spannung eine erste Spannung ist, und wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist:
Anlegen (75) einer zweiten Spannung an die Gatterelektrode nach dem teilweisen Entfernen der Gatterelektrode, um das zweite Material (121) zumindest bereichsweise auf den zweiten Polarisationszustand einzustellen.
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