DE102018006173A1

DE102018006173A1 - Heterostruktur einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102018006173A1
Application number: DE102018006173.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan SCHMULT; Andre Wachowiak; Alexander Ruf
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Namlab GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Namlab GmbH
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: DE102018006173B4

Abstract

Gemäß der gestellten Aufgabe besteht die Erfindung aus einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine Heterostruktur enthält und die Heterostruktur enthält eine erste Schicht eines Verbindungshalbleiters und an die eine zweite Schicht eines Verbindungshalbleiters grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist. Die Erfindung betrifft also insbesondere eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine III-V Heterostruktur enthält und die III-V Heterostruktur enthält eine erste Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, und die eine Reinheit aufweist, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist. Für die vorliegende elektronische Schaltung ist es daher vorteilhaft, wenn diese so verschlossen wird, dass im Betrieb kein Licht mit Wellenlängen kleiner 400 nm die III-V Heterostruktur erreichen kann und diese Wellenlängen freie Ladungsträger generieren können.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Transistor nach den Merkmalen des Anspruchs 19.
Verbindungshalbleiter z.B. Galliumnitrid (GaN) oder auch Zinkoxid (ZnO) mit einer großen Bandlücke und daraus resultierend einer hohen elektrischen Durchbruchfestigkeit sind vielversprechende Materialien für Anwendungen in der Leistungselektronik. Kombiniert mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit lassen sich kompaktere Bauelemente für hohe Spannungen mit gesteigerten Kennzahlen gegenüber dem derzeit überwiegend genutzten Halbleiter Silizium aufbauen. Eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit ist ebenfalls ein notwendiger Kernparameter für eine hohe Transkonduktanz und Grenzfrequenz von Transistoren in Hochfrequenz-Anwendungen. Entgegen der Silizium-Technologie von Feld-Effekt-Transistoren, in der hauptsächlich invertierte lokale Dotierungen zwischen schaltenden Kanalbereich z.B. p-Dotierung und Anschlussgebieten n-Dotierung eingesetzt werden, kann bei III-V Halbleiterverbindungen wie Galliumnitrid vorteilhaft die Leitfähigkeit eines vergrabenen zweidimensionales Elektronengas (2DEG) hoher Ladungsträgerbeweglichkeit an einem Heterostruktur-Übergang über einen Feldeffekt einer Steuerelektrode moduliert bzw. geschaltet werden.
Gängig ist dabei für GaN ein Heteroübergang aus Aluminium-Galliumnitrid 102 und Gallumnitrid 101(AlGaN/GaN)(1), wobei sich das Einschlusspotential für Ladungsträger insbesondere Elektronen und somit das 2DEG auf der GaN Seite nahe der GaN / AlGaN Grenzfläche befindet. Diese Heterostruktur wird üblicherweise auf einer Pufferschicht 103 aufgewachsen, die sich auf einem Substrat 100, beispielsweise aus GaN, AlGaN, Siliziumkarbid (SiC), Saphir oder Silizium befindet.
Allerdings hat sich dadurch nachteilig ergeben, dass dieses 2DEG großflächig ausgebildet ist und soweit bisher berichtet inherent mit Elektronen befüllt ist.
C. G. Van de Walle beschreibt Oberflächenzustände als Quelle überschüssiger Ladungsträger (C.G. Van de Walle et al., Journal of Applied Physics 101, 081704, 2007.), welche das Einschlusspotential an der GaN/AlGaN-Grenzfläche (GaN/AlGaN-Heteroübergang) bevölkern und somit inherent ein 2DEG als leitfähigen Kanal ausbilden können. Speziell zu erwähnen ist an dieser Stelle die Rolle des Einschlusspotentials. Durch Polarisationsdiskontinuitäten an Heteroübergängen in Materialien entlang polarer Kristallrichtungen bildet sich dieses Einschlusspotential aus, was per Definition jedoch nicht mit Ladungsträgern bevölkert sein muß und damit nicht inherent einen leitenden Kanal darstellt. Ähnliches Verhalten ist von Zinkoxid/Magnesiumzinkoxid- (ZnO/MgZnO) (J. Falson et al., REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS 81 (5), 056501, 2018) oder Strontiumtitanat/Lanthanaluminat- (SrTiO/LaAlO) (A. Ohtomo et al., NATURE 427 (6973) 423-426, 2004) Heterostrukturen bekannt.
Damit ist eine Entleerung des Kanals nur durch zusätzliche elektrische Felder möglich. Ohne elektrisches Feld oder andere strukturelle Eingriffe in die ausgebildete Heterostruktur ist der Kanal immer elektrisch leitend, was für Ausfallsicherungsanwendungen (fail-safe operation) erhebliche Nachteile mit sich bringt. Das ist in 1 durch zwei elektrische Kontakte 105 sowie eine Schaltung die eine Spannungsquelle 130 und eine Strommesseinheit 120 dargestellt. Es fließt ein Strom durch das 2DEG unabhängig von der Polung der Spannungsquelle und deren Wert und unabhängig davon, ob die Schaltung Lichtstrahlung ausgesetzt ist oder sich in einem Licht abschirmenden Gehäuse 180 befindet.
Sofern das 2DEG am AlGaN/GaN-Heteroübergang ausgebildet ist, besitzen HEMT (High Electron Mobility Transistor) Bauelemente mit einer Schottky-Konfiguration als Steuerelektrode oder mit einer zusätzlichen dielektrischen Schicht zwischen Steuerelektrode und AlGaN Barriere damit eine negative Einsatzspannung d.h. kleiner 0V und haben normally-on Verhalten, d.h. der Transistor ist bei 0V Steuerelektrodenspannung eingeschaltet. Normally-off Bauelemente lassen sich aber einfacher schaltungstechnisch ansteuern und erfüllen einen fehlersicheren Betrieb beim Ausfall der Steuerelektronik in der Leistungselektronik, weshalb ein normally-off Verhalten von Bauelementen angestrebt wird.
Zur Realisiserung von „normally-off“ HEMT Bauelementen auf Basis von GaN mit positiver Einsatzspannung, d.h. > 0V, wurden bisher verschiedene Lösungen realisiert. Alle nachfolgend beschriebenen Lösungen sind mit zusätzlichem Aufwand und unter Umständen erheblichen Kosten verbunden.
Durch Aufwachsen einer p-dotierten (Al)GaN Schicht auf die AlGaN Barriere entsteht ein Bandverlauf in dem das Einschlusspotential des 2DEGs über das Fermi-Niveau angehoben wird und somit das 2DEG vollständig entvölkert wird (Y. Uemoto et al. in IEEE Trans. El. Dev., vol. 54, no 12, p. 3393 (2007)). Die zusätzliche p-(Al)GaN Schicht befindet sich nur unter der Steuerelektrode und ist auf den Zuleitungsbereichen zwischen den ohmschen Kontakten und Steuerelektrode entfernt, so dass das 2DEG in diesen Bereichen noch vorliegt. Es gibt hierzu verschiedene Ausführungsformen z.B. auch mit teilweiser Entfernung der AlGaN Barriere durch Rückätzung um die Einsatzspannung noch weiter zu erhöhen.
Ein weiterer Ansatz für normally-off Bauelemente basiert auf einer vollständigen oder fast vollständigen Entfernung der AlGaN Barriere unter der Steuerelektrode durch eine Ätzung und Einfügen einer Isolator-Schicht bzw. eines Dielektrikums zur Reduktion von Leckströmen der Steuerelektrode. Der Kanalbereich unter der Steuerelektrode zeigt dann aber nicht mehr die extrem hohe Ladungsträgerbeweglichkeit eines vergrabenen Halbleiter-Heteroübergangs. Da sich der Kanal im GaN an der Grenzfläche zum Dielektrikum ausbildet, tritt vermehrt Grenzflächenstreuung und Streuung an geladenen Störstellen auf, wodurch die Beweglichkeit der Ladungsträger abgesenkt wird. Dies wiederum senkt nachteilig die Transkonduktanz und die maximale Stromtragfähigkeit der Bauelemente bzw. erhöht den Anlaufwiderstand.
Durch Einbringen von festen negativen Ladungen in die Heterostruktur unter der Steuerelektrode z.B. in Form von Implantation von Fluor-Ionen oder eines Fluor-Plasma Prozesses kann das 2DEG ebenso entvölkert werden. Die erreichten Einsatzspannungen haben aber nicht zu hohe Werte (< IV) und für höhere Dichten an eingebrachten Fluor-Ionen sinkt die Ladungsträgerbeweglichkeit und es treten Instabilitäten der Einsatzspannung auf. Dieser Ansatz wird auch in Kombination mit einer Rückätzung der AlGaN Barriere verwendet.
In der Leistungselektronik wird für hohe Spannungen eine schaltungstechnische Kompromiss-Lösung eingesetzt. Durch die Kombination eines normally-off Transistor Bauelements z.B. in einer Silizium Technologie und eines normally-on AlGaN/GaN HEMTs in einer Kaskodenschaltung, wird ein zusammengesetztes Bauelement mit normally-off Verhalten aufgebaut. Der Source Anschluss des normally-on Bauelements ist mit der Steuerelektrode des normally-on Bauelements verbunden. Die Einsatzspannung der Kaskodenschaltung wird durch die Einsatzspannung des normally-off Silizium-Transistors bestimmt und kann somit ausreichend hoch (> 3V) eingestellt werden, wohingegen die Hochspannungs-Festigkeit das GaN normally-on Bauelement gewährleistet. Der Anlaufwiderstand der Kaskodenschaltung ist durch die Reihenschaltung von Nieder-Spannung Si-Transistor und Hoch-Spannung GaN Transistor gegeben und liegt über dem des reinen GaN Transistors. Dieser Ansatz mit höherer Komplexität wird deshalb vorwiegend im Bereich hoher Spannungsklassen der Bauelemente eingesetzt. Es gibt derzeit auch Bestrebungen die Kaskodenschaltung in einer monolithischen GaN-Technologie umzusetzen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement und einer verbesserten Heterostruktur anzugeben, die ein normally-off Verhalten aufweist und die eingangs beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
Die Erfindung betrifft daher eine Heterostruktur, die ein Einschlusspotential ausbildet, das nicht inherent mit Ladungsträgern bevölkert ist (normally-off). Gemäß der gestellten Aufgabe besteht die Erfindung aus einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine Heterostruktur enthält und die Heterostruktur enthält eine Schicht eines Verbindungshalbleiters und an die eine zweite Schicht grenzt, die vorteilshafterweise ebenfalls als ein Verbindungshalbleiter ausgeführt ist, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist 2a. Einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist, meint, dass ohne ein äußeres Feld das Einschlusspotential an der Grenzfläche der Schicht an die eine zweite Schicht grenzt über der Fermi-Energie E_F (chemisches Potential) liegt und nicht mit Elektronen bevölkert ist, so dass kein 2DEG vorliegt. Damit ist der Kanal nicht leitend, da keine freien Ladungsträger vorliegen. Erst wenn das Einschlusspotential mit Ladungsträgern bevölkert ist liegt ein elektrisch leitender Kanal vor.
Gemäß der gestellten Aufgabe besteht die Erfindung aus einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine III-V Heterostruktur enthält und die III-V Heterostruktur enthält eine erste Schicht 201 die GaN enthält und an die eine zweite Schicht 202 grenzt, um einen Kanal 208 für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist 2a.
Die Erfindung betrifft also insbesondere eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine III-V Heterostruktur enthält und die III-V Heterostruktur enthält eine Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist, meint, dass ohne ein äußeres Feld das Einschlusspotential an der Grenzfläche der GaN Schicht an die eine zweite Schicht grenzt über der Fermi-Energie E_F liegt und nicht durch Elektronen bevölkert ist, so dass kein 2DEG vorliegt. Dazu ist die III-V Heterostruktur insbesondere so ausgebildet, dass die Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, eine Reinheit aufweist, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Die Reinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Maß dafür, wie viele freie Elektronen vorliegen, die zur Leitfähigkeit beitragen, indem sie in dem durch die Polarisationsdiskontinuitäten an Heteroübergängen der GaN Grenzfläche entlang der polaren Kristallrichtungen im gebildeten Einschlusspotential eingeschlossen sind. Gemäß der Erfindung kann die Anzahl pro Volumen der freien Elektronen in der ersten Schicht, die in das Einschlusspotential eingeschlossen werden, weniger als 10¹⁷ cm^-3 betragen.
Die Reinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Maß dafür, wie viele Fremdatome, also Atome die nicht die erste bzw. die zweite Schicht der Heterostruktur ausbilden sollen, in den Schichten enthalten sind. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in der ersten Schicht weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 Sauerstoffatome enthalten sind. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in der ersten Schicht weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 Fremdatome enthalten sind.
Die Realisierung einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine III-V Heterostruktur enthält und die III-V Heterostruktur enthält eine Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist. Diese Realisierung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil so ohne ein elektrisches Feld oder andere strukturelle Eingriffe in die ausgebildete Heterostruktur der Kanal immer elektrisch nicht leitend ist, was für Ausfallsicherungsanwendungen (fail-safe operation) erhebliche Vorteile mit sich bringt.
Gemäß der gestellten Aufgabe besteht die Erfindung auch aus einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine II-VI Heterostruktur enthält und die II-VI Heterostruktur enthält eine erste Schicht die ZnO enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft also insbesondere auch eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine II-VI Heterostruktur enthält und die II-VI Heterostruktur enthält eine erste Schicht die ZnO enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, und die eine Reinheit aufweist, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft also insbesondere auch eine elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine II-VI Heterostruktur enthält und die II-VI Heterostruktur enthält eine erste Schicht die ZnO enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, und die so wenig Sauerstoff Fehlstellen aufweist, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1: Darstellung einer III-V Heterostruktur die eine erste Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei bei Stand der Technik das 2-dimensionale Elektronengas auch bei Abwesenheit von Licht vorhanden ist. Beim Anlegen einer Spannung U ungleich 0 V (130) an die zwei Kontakte (105) zeigt das Strommessgerät I (120) einen Stromfluss an.
2a: Darstellung einer III-V Heterostruktur die eine erste Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas insbesondere auch bei ausgeschalteter Lichtquelle (240) nicht vorhanden ist. Beim Anlegen einer Spannung U ungleich 0 V (230) an die zwei Kontakte (205) zeigt das Strommessgerät I (220) keinen Stromfluss an.
2b: Darstellung einer III-V Heterostruktur die eine erste Schicht die GaN enthält und an die eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) auszubilden, wobei das 2-dimensionale Elektronengas bei eingeschalteter Lichtquelle (240) vorhanden ist. Beim Anlegen einer Spannung U ungleich 0 V (230) an die zwei Kontakte (205) zeigt das Strommessgerät I (220) einen Stromfluss an.
3: Ausführungsform eines Transistors erfindungsgemäß mit normally-off Verhalten mit der beschriebenen Heterostruktur (302,301) und mit zwei elektrischen Kontakten (310). Auf der zweiten Schicht der Heterostruktur (302) befindet sich eine isolierende Schicht (306) die zumindest teilweise über die elektrischen Kontakte hinausreicht. Über der isolierenden Schicht befindet sich wiederum eine elektrisch leitende Schicht (307), die getrennt durch die isolierende Schicht teilweise über die beiden elektrischen Kontakte reicht.
4: Ausführungsform für einen erfindungsgemäß normally-off Transistor wobei die Steuerelektrode (407) nur über einen bestimmten Teilabschnitt zwischen den elektrischen Kontakten (410) konfiguriert ist. Unter der Steuerelektrode und der zweiten Schicht der Heterostruktur (402) befindet sich eine isolierende Schicht (406). Im Zuleitungsbereich zwischen den elektrischen Kontakten und der Steuerelektrode ist eine isolierende Schicht (409) angrenzend an den oberen Abschluss der Heterostruktur ausgeführt, welche positive Ladungen im Innern der Schicht oder an der Grenzfläche zur Heterostruktur enthält.
5: Ausführungsform für einen erfindungsgemäß normally-off Transistor wobei die Steuerelektrode (507) nur über einen bestimmten Teilabschnitt zwischen den elektrischen Kontakten (510) konfiguriert ist. Unter den Kontakten (510) und der isolierenden Schicht (509) befindet sich zwischen der Heterostruktur (501, 502) und der Substratlage (500, 503) eine isolierende Schicht (511), welche positive Ladungen im Innern der Schicht oder an der Grenzfläche zur Heterostruktur enthält.
6: Eine Ausführungsform entsprechend der in der Erfindung beschriebenen Heterostruktur (601, 602) in einem vertikalen Transistor mit einer Elektronenleitung von der Oberseite zur Unterseite eines leitfähigen Substrats (600).
7a: Gemessene Transferkennlinien bei Lichteinstrahlung (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten kreisrunden Messpunkten) und im Dunkeln (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten dreieckigen Messpunkten) eines Transistor in der Ausführung laut 3 dargestellt. Es ist die Drain-Stromdichte J_D in logarithmischer Skala bezogen auf die Gate-Weite des Transistors gegenüber der Gate-Source Spannung V_GS aufgetragen. Die Drain-Source Spannung V_DS beträgt 0,1 V.
7b: Gemessene Transferkennlinien bei Lichteinstrahlung (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten kreisrunden Messpunkten) und im Dunkeln (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten dreieckigen Messpunkten) eines Transistor in der Ausführung laut 3 dargestellt. Es ist die Drain-Stromdichte J_D in linearer Skala bezogen auf die Gate-Weite des Transistors gegenüber der Gate-Source Spannung V_GS aufgetragen. Die Drain-Source Spannung V_DS beträgt 0,1 V.
8a: Darstellung des Verlaufes der Leitungsbandunterkante E_L (881) von der metallischen Steuerelektrode senkrecht in die Heterostruktur für die Gate-Source Spannung V_GS = 0 V schematisch für den Fall im Dunkeln, d.h. ohne Lichteinstrahlung. Die Ortskoordinate z stellt dabei die Richtung senkrecht zur 2DEG Fläche bzw. Fläche der Steuerelektrode dar.
8b: Darstellung des Verlaufes der Leitungsbandunterkante E_L (881) von der metallischen Steuerelektrode senkrecht in die Heterostruktur für die Gate-Source Spannung V_GS > 0 V (883) schematisch für den Fall im Dunkeln, d.h. ohne Lichteinstrahlung. Die Ortskoordinate z stellt dabei die Richtung senkrecht zur 2DEG Fläche bzw. Fläche der Steuerelektrode dar.
9a: Darstellung der gemessenen Kapazität C/A, d.h. der Flächenkapazität bezogen auf die Gate-Elektrodenfläche über der Heterostruktur, aufgetragen gegenüber der angelegten Spannung V_GS zwischen der Steuerelektrode und den elektrischen Kontakten (Source und Drain) bei einem Transistor mit der erfindungsgemäßen Heterostruktur im Dunkeln (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten kreisrunden Messpunkten) und bei Lichteinfall (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten dreieckigen Messpunkten).
9b: Darstellung der ermittelten freie Ladungsträgerdichte n als Funktion des Abstands von der Steuerelektrode aus den spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen (abzüglich der Offset-Kapazität) zwischen Steuerelektrode und Heterostruktur mit (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten runden Messpunkten) und ohne (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten quadratischen Messpunkten) Lichteinfall. Die Skala der x-Achse mit z als Ortskoordinate bezeichnet den Abstand senkrecht zur 2DEG Fläche bzgl. der Unterkante der Steuerelektrode.

Die nachfolgenden Ausführungen zu einer III-V Heterostruktur sind mit geeigneten technischen Größen auf II-VI Heterostrukturen übertragbar.
Aufgrund des Bänderdiagramms von bestimmten III-V Heterostrukturen und insbesondere von GaN und der bei GaN vorliegenden direkten Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband ist es mit optischer Anregung allerdings immer möglich, freie Elektronen zu erzeugen, die an Heteroübergängen der GaN Grenzfläche entlang der polaren Kristallrichtungen im gebildeten Einschlusspotential eingeschlossen werden. Dadurch kann sich bei Lichteinstrahlung ein 2DEG ausbilden (2b).
Für die vorliegende elektronische Schaltung ist es daher vorteilhaft, wenn diese so verschlossen wird, dass im Betrieb die III-V Heterostruktur kein Licht mit Wellenlängen erreichen kann, so dass mit diesen Wellenlängen freie Ladungsträger generiert werden können. Da die Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialen wie z.B. GaAs groß ist, ist es vorteilhaft, wenn insbesondere kein Licht mit einer Wellenläger kleiner als 400 nm die III-V Heterostruktur erreichen kann. Dafür kann das in der Mikroelektronik übliche lichtundurchlässige Package aus schwarzen Polymeren verwendet werden. Auch andere Ausführungsformen sind möglich, z.B. dass die elektronische Schaltung in separatem Gehäuse verschlossen wird. Es gibt aber auch elektronische Anwendungen, die gerade den Effekt, dass der Kanal bei Lichteinstrahlung ein 2DEG ausbildet und leitend wird, ausnutzen können. In dem Fall sehen die Ausführungsformen entweder ein transparentes Package oder aber ein transparentes Fenster zur Lichteinstrahlung vor.
Ausführungsformen der elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das die zuvor beschriebene vorteilhafte III-V Heterostruktur enthält, nutzen das Halbleiterbauelement als elektronischen Schalter (Transistor)(4). Dazu wird ein zusätzliches elektrisches Potential zwischen dem ausgebildeten Kanal und der nicht an die erste Schicht angrenzenden Grenzfläche der zweiten Schicht ausgebildet. Dieses zusätzliche elektrische Potential kann durch Anlegen und Variieren einer äußeren Spannung verändert werden, so dass im Kanal ein 2DEG ausgebildet und der Kanal auch wieder entvölkert werden kann. Vorteilhafte Ausführungsformen sehen vor, dass sich das 2DEG bei Anlegen eines elektrischen Potentials von über 1 V im Kanal ausbildet.
Bei der Ausführung des Halbleiterbauelements werden angrenzend an die zwei halbleitenden Schichten der III-V Heterostruktur zwei Kontakte und eine isolierende Schicht ausgeführt, so dass die isolierende Schicht teilweise über einen der beiden Kontakte reicht.
Die zweite Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung stellt danach eine Barriere für Ladungsträger dar, so dass durch die Polarisationsdiskontinuitäten am Heteroübergang der GaN Grenzfläche entlang der polaren Kristallrichtungen ein Einschlusspotential gebildet wird. Zur Ausbildung dieses Einschlusspotentials kann ein weiteres dreiwertiges Element an Stelle von Gallium in das Kristallgitter eingebaut werden, so dass sich eine ternäre Verbindung mit der chemischen Formel Ga_xK_1-xN und K als Platzhalter für ein solches Element ergibt. Insbesondere Aluminium ist als ein solches Element geeignet. In einer Ausführungsform beträgt der Anteil von Gallium 94% und der Anteil von Aluminium 6%.
In weiteren Ausführungsformen der elektronischen Schaltung kann die erste Schicht der III-V Heterostruktur als 3-wertiges Element auch aus Aluminium oder Indium bestehen.
Im Zusammenhang mit den genannten Ausführungsformen der elektronischen Schaltung kann die Dicke der ersten Schicht in der Heterostruktur auf eine Dicke von geringer als 100 nm beschränkt sein. Vorteilhaft ist es, wenn diese erste Schicht weniger als 10⁷ cm^-2 an Versetzungsdefektdichte aufweist. In weiteren Ausführungsformen wird angrenzend an die isolierende Schicht ein weiterer Kontakt ausgeführt, der getrennt durch die isolierende Schicht teilweise über einen der beiden Kontakte reicht.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mittels der Wachstumsbedingungen der GaN/AlGaN-Heterostrukturen in einer Molekularstrahlepitaxieanlage die Hintergrundverunreinigungen auf ein Niveau reduziert werden, welches zu isolierendem GaN oder AlGaN führt. An der Grenzfläche der GaN/AlGaN-Heterostruktur kann ein Kanal realisiert werden der das beschriebene Einschlusspotential und ohne Lichteinstrahlung kein 2DEG aufweist. Die vorteilhafte Heterostruktur wird bei 700 °C gewachsen und besitzt die chemische Formel GaN/Al_0.06Ga_0.94N/GaN mit den Schichtdicken 1µm/16nm/3nm. Für Gallium wird ein Ausgangsmaterial mit Verunreinigungen weniger als 100ppb (parts per billion) verdampft und Stickstoff wurde gasförmig mit Verunreinigungen weniger als 100ppb zur Verfügung gestellt. Das Wachstum erfolgt in einer Vakuumkammer mit <10^-10 mbar Basisdruck und <10^-5 mbar Prozessdruck. Die Kombination der gewählten Materialien mit unbeabsichtigten Hintergrundverunreinigungen geringer als 10¹⁷cm^-3 aufgewachsen auf einem elektrisch-isolierenden GaN-Substrat mit einer Versetzungsdefektdichte von geringer als 10⁷cm^-2 liefert eine Heterostruktur, welche nur unter Lichteinfluss oder unter Anlegen einer Steuerelektrodenspannung >0V leitfähig wird (3). Gemäß des Ausführungsbeispiels kann das GaN-Substrat mittels ammonothermalen Kristallwachstums synthetisiert werden und eine Dicke von 653 µm besitzen. Der elektrischisolierende Charakter wird durch einen elektrischen Widerstand von > 1GigaOhm*cm spezifiziert. Das Einschlusspotential ist somit ohne Lichteinstrahlung und ohne zusätzliche elektrische Felder nicht mit Ladungsträgern bevölkert und daraus hergestellte Transistoren zeigen normally-off Verhalten. Eine vergleichbare Struktur mit nominell identischer Schichtfolge, aber Hintergrundverunreinigungen von mehr als 10¹⁷cm^-3 gewachsen auf einem Substrat mit Versetzungsdefektdichte 2×10⁹cm^-2 resultiert in Bauelementen, welche normaly-on Verhalten zeigen.
Generell kann in allen Ausführungsformen der Heterostruktur auf der zweiten Schicht mit der Funktion einer Barriere eine weitere Abschlussschicht mit einer chemischen Komposition entsprechend der ersten Schicht aufgebracht sein. Beispielsweise kann diese Abschlussschicht wieder GaN sein, auf einer Barriere aus AlGaN.
Das GaN-Substrat kann generell auch eine andere Dicke und auch mittels anderer bekannter Herstellungsverfahren ausgeführt werden. Die isolierende Eigenschaft kann sowohl durch eine Vermeidung vom Verunreinigungen als auch durch eine geeignete Gegendotierung bei einer bekannten Dotierung bzw. Verunreinigung erzielt werden.
Eine Ausführungsform eines Transistors mit normally-off Verhalten ist in 3 dargestellt und enthält die beschriebene Heterostruktur (301,302) mit zwei elektrischen Kontakten (310). Unter der Heterostruktur (301, 302) befindet sich eine Pufferstruktur (303), die auf einem Träger (300) aufgebracht ist. Als Material für den Träger werden üblicherweise Silizium, Saphir oder Siliziumcarbid eingesetzt. Die Pufferschicht kann aus Aluminiumnitrid und Galliumnitrid bestehen. Es können auch Schichtsysteme eingesetzt werden die Schichten aus Siliziumnitrid enthalten. Die Anforderungen hinsichtlich der Leitfähigkeit an die Pufferschicht entsprechen den zuvor beschriebenen Anforderungen an das GaN-Substrat. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sollte die Pufferschicht isolierend sein. Auf der zweiten Schicht der Heterostruktur (302) befindet sich eine isolierende Schicht (306) die zumindest teilweise über die elektrischen Kontakte hinausreicht. Über der isolierenden Schicht befindet sich wiederum eine elektrisch leitende Schicht (307), die getrennt durch die isolierende Schicht teilweise über die beiden elektrischen Kontakte reicht. Die elektrisch leitende Schicht bildet eine Steuerelektrode für den Kanalbereich (308) des Einschlusspotentials. Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Steuerelektrode gegenüber dem Potential der Substratlage und des Quellenkontakts (Source) wird das Einschlusspotential energetisch unter das Fermi-Niveau gezogen und mit Elektronen befüllt, wodurch sich das 2DEG ausbildet. Als Substratlage ist das Substrat (300)und die Pufferschicht (303) in dieser Ausführungsform und auch im weiteren bezeichnet. Bei zusätzlichem positiven Potentialunterschied zwischen Senkenkontakt (Drain) und Quellenkontakt (Source) tritt ein Stromfluss zwischen den Kontakten auf und der Transistor befindet sich im eingeschalteten Zustand. Sofern kein Potentialunterschied zwischen der Steuerelektrode und der Substratlage vorliegt, liegt das Einschlusspotential energetisch über dem Fermi-Niveau und es ist kein 2DEG vorhanden, weshalb der Transistor im ausgeschalteten Zustand vorliegt und kein merklicher Stromtransport auftritt.
Die beschriebene Konfiguration des Transistors kann, hier nicht gezeigt, auch in der Weise ausgeführt werden, dass die isolierende Lage zwischen der Steuerelektrode und der zweiten halbleitenden Schicht nur im Überlappbereich zwischen Steuerelektrode und elektrischen Kontakten vorliegt. In dem Fall grenzt die leitende Schicht (307) direkt an die zweite Schicht der Heterostruktur (302). Die zweite Schicht der Heterostruktur kann dazu sowohl als einfache Schicht aber auch als eine Doppelschicht oder sogar Multilage ausgeführt sein.
Ebenso kann die elektrisch isolierende Funktion, die durch die isolierende Schicht (306) zwischen den elektrischen Kontakten (310) und der leitenden Schicht, die als Steuerelektrode ausgebildet wird, erreicht werden, auch zumindest teilweise durch eine Luftbrücke bzw. Luft- bzw. Vakuumeinschlüsse realisiert werden. Im letzten Fall wäre die isolierende Schicht porös ausgeführt.
Eine weitere Ausführungsform für einen normally-off Transistor entsprechend 4 sieht vor, dass die Steuerelektrode (407) nur über einen bestimmten Teilabschnitt zwischen den elektrischen Kontakten (410) konfiguriert ist. Unter der Steuerelektrode und der zweiten Schicht der Heterostruktur (402) kann sich eine isolierende Schicht (406) befinden. Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht auch ohne die isolierende Schicht (406). Im Zuleitungsbereich zwischen den elektrischen Kontakten und der Steuerelektrode ist eine isolierende Schicht (409) angrenzend an den oberen Abschluss der Heterostruktur ausgeführt, welche positive Ladungen im Innern der Schicht oder an der Grenzfläche zur Heterostruktur enthält. Die Schicht kann in einer Ausführungsform aus Siliziumoxid bestehen oder Siliziumoxid enthalten. Die positiven Ladungen bzw. die hieraus resultierenden elektrischen Felder führen dazu, dass das Einschlusspotential energetisch unter dem Fermi-Niveau liegt und somit das 2DEG in den Zuleitungsgebieten bevölkert ist. Die isolierende Schicht mit positiven Ladungen kann hierfür auch aus einer Kombination von verschiedenen Schichten aufgebaut sein. Die positiven Ladungen können ebenfalls durch eine Schicht an Dipolen mit positivem Ladungsschwerpunkt ausgerichtet zum Einschlusspotential ausgeführt sein. Diese Transistorkonfiguration eignet sich für Anwendungen in der Leistungselektronik. Das normally-off Verhalten bzw. die positive Einsatzspannung des Transistors wird durch die Konfiguration unter der Steuerelektrode bestimmt. Andererseits können im ausgeschalteten Transistorzustand, d.h. bei 0 V Steuerelektrodenpotential gegenüber Quellenkontakt und der Substratlage, hohe positive Spannungen an den Senkenkontakt (Drain) angelegt werden, ohne dass ein Durchbruch des Transistors erfolgt. Die mögliche Blockspannung des Transistors skaliert unter anderem mit dem Abstand zwischen Senkenkontakt (Drain) und Steuerelektrode (Gate).
Eine weitere Ausführungsform für einen normally-off Transistor entsprechend 5 sieht vor und enthält die beschriebene Heterostruktur (501,502) mit zwei elektrischen Kontakten (510). Auf der zweiten Schicht der Heterostruktur (502) kann sich eine isolierende Schicht (506) befinden. Es gibt auch vorteilhafte Ausführungsformen, die ohne eine solche isolierende Schicht (506) auskommen (nicht gezeichnet). Die Steuerelektrode (507) ist über der isolierenden Schicht (506) ausgeführt. In Ausführungsformen ohne die isolierende Schicht ist die Steuerelektrode direkt über der zweiten Schicht der Heterostruktur ausgeführt. Jeweils zwischen den beiden elektrischen Kontakten (510) und der Steuerelektrode ist ein isolierender Bereich ausgeführt (509) der die elektrischen Kontakte (510) von der Steuerelektrode (507) elektrisch isoliert. Zwischen der ersten Schicht der Heterostruktur (501) und der Substratlage (500, 503) ist im Bereich unter den elektrischen Kontakten (510) und den isolierenden Bereichen (506) eine isolierende Schicht ausgeführt (511), welche positive Ladungen im Innern der Schicht oder an der Grenzfläche zur Heterostruktur enthält. Die positiven Ladungen bzw. die hieraus resultierenden elektrischen Felder führen dazu, dass das Einschlusspotential energetisch unter dem Fermi-Niveau liegt und somit das 2DEG in den Zuleitungsgebieten bevölkert ist. Die isolierende Schicht kann aus Siliziumoxid bestehen oder Silziumoxid enthalten. Die isolierende Schicht mit positiven Ladungen kann hierfür auch aus einer Kombination von verschiedenen Schichten aufgebaut sein. Eine bekannte Materialkombination ist eine Schicht aus Siliziumoxid und eine Schicht aus Aluminiumoxid. Die positiven Ladungen können ebenfalls durch eine Schicht an Dipolen mit positivem Ladungsschwerpunkt ausgerichtet zum Einschlusspotential ausgeführt sein. Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht aus einer positiv dotierten Schicht aus Galliumnitrid und einer isolierenden Schicht aus AlGaN.
Um das beschriebene Ausführungsbeispiel zu realisieren kann die isolierende Schicht (511) zunächst großflächig auf der Pufferschicht ausgeführt werden. In den Bereichen über denen später die Steuerelektrode ausgeführt werden soll oder die eine elektrische Trennung zwischen den Steuerelektroden realisieren sollen wird nach einem entsprechenden lithographischen Schritt die isolierende Schicht entfernt. Anschließend wir die Heterostruktur großflächig aufgewachsen.
In einer speziellen Ausführungsform (nicht gezeichnet) kann die isolierende Schicht (511) auch in die Pufferschicht (503) integriert werden oder als ein Teil der Pufferschicht ausgeführt sein.
Eine weitere Ausführungsform nach 6 enthält eine entsprechend der in der Erfindung beschriebenen Heterostruktur (601, 602) in einem vertikalen Transistor mit einer Elektronenleitung von der Oberseite zur Unterseite eines leitfähigen Substrats (600). Der Senkenkontakt (614) (Drain) ist auf der Rückseite eines leitfähigen Substrates (600) ausgeführt. Die beschriebene Heterostruktur ist auf eine in den Substratlagen vorstrukturierte Stromblende bestehend aus einer niedrig n-dotierten GaN Schicht (612) und eine lateral strukturierte, für Elektronenleitung sperrende Schicht (611) aufgebracht. Die sperrende Schicht kann beispielsweise eine amorphe GaN Schicht, eine p-dotierte GaN Schicht oder eine isolierende Schicht sein. Auf der Oberseite der Heterostruktur ist der elektrische Quellenkontakt (610) und die Steuerelektrode (607) aufgebracht. In der dargestellten Version befinden sich zwei Quellenkontakte seitlich der Steuerelektrode. Die Ausführung von elektrischen Quellenkontakt (Source) und der Steuerelektrode ist entsprechend der lateralen Transistor Variante von 3 dargestellt, sie kann aber auch entsprechend 4 ausgeführt sein.
Der vertikale Transistor weist ebenso durch die Heterostruktur in der Ausführung entsprechend der Erfindung ein normally-off Verhalten auf. Bei 0V Spannung an der Steuerelektrode ist das Einschlusspotential des Kanals (608) nicht mit Elektronen bevölkert und es tritt kein Stromfluss zwischen Oberseite und Unterseite auf. Es können im ausgeschalteten Zustand hohe positive Spannungen an den Rückseitenkontakt angelegt werden, wodurch eine weite Verarmungszone in der niederdotierten Schicht gegenüber der sperrenden Schicht aufgebaut wird, um das elektrische Feld aufzunehmen, ohne dass dieses über eine kritische Durchbruchfeldstärke ansteigt. Ebenso verhindert die vergrabene sperrende Schicht (611), dass Elektronen direkt vom oberen Kontakt zum unteren Kontakt einen Stromfluss tragen. Für positive Spannungen der Steuerelektrode wird das 2DEG bevölkert und Elektronen können vom Quellenkontakt über das 2DEG und durch die Verengung oder Apertur der Stromblende zwischen der sperrenden Schicht zum Rückseitenkontakt gelangen, so dass sich der Transistor im eingeschalteten Zustand befindet. Mit einer herkömmlichen Heterostruktur hat der beschriebene Transistor ein normally-on Verhalten, welches für Ausfallsichere Anwendungen von Nachteil ist.
Im Folgenden werden für die Bezeichnungen Quellenkontakt, Senkenkontakt und Steuerelektrode die entsprechenden englischen Begriffe Source, Drain und Gate verwendet.
In 7 sind gemessene Transferkennlinien eines Transistors in der Ausführung laut 3 dargestellt. Es ist die Drain-Stromdichte J_D bezogen auf die Gate-Weite des Transistors gegenüber der Gate-Source Spannung V_GS aufgetragen. Die Drain-Source Spannung V_DS beträgt 0,1 V. Der Transistor hat eine Gate-Weite von 150 µm und eine Gate Länge zwischen den elektrischen Kontakten von 30 µm. Er enthält gegenüber 3 eine zusätzliche 3 nm dünne GaN Abschlusssicht auf der 16 nm Al_0.06Ga_0.94N Barriere. Die isolierende Schicht besteht aus einer 24 nm dicken Aluminiumoxid Schicht.
Unter Lichtausschluss im Dunkeln zeigt die Transferkennlinie (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten dreieckigen Messpunkten) eine positive Einsatzspannung V_t von ca. +1V. Die Einsatzspannung entspricht der Gate-Spannung die notwendig ist, um das 2DEG beginnend zu bevölkern und ein signifikanter Stromfluss auftritt. Bei Lichteinstrahlung (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten kreisrunden Messpunkten) hat der Transistor eine Einsatzspannung im negativen Spannungsbereich ca. -1V, d.h. bei 0V Steuerelektroden-Spannung V_GS ist das 2DEG unter Lichteinstrahlung ausgebildet, d.h. es liegt ein elektrisch leitender Kanal vor,und es wird eine negative Spannung V_GS der Steuerelektrode benötigt, um das Einschlusspotential von Elektronen zu entleeren und den Transistor auszuschalten.
In 7b sind die Transferkennlinien mit einer linearen Darstellung der Drain-Stromdichte J_D dargestellt und verdeutlichen die Einsatzspannung V_t an der Grenze zwischen den getrennten Bereichen von eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand des Transistors.
In den 8a und b sind schematisch für den Fall im Dunkeln, d.h. ohne Lichteinstrahlung insbesondere ohne Lichteinstrahlung mit einer Wellenlänge kleiner 400 nm, den energetische Verlauf der Leitungsbandunterkante E_L (881) von der metallischen (884) Steuerelektrode (807), getrennt von der AlGaN Barriere (802) durch eine isolierende Schicht (806) senkrecht in die Heterostruktur für die beiden Gate-Source Spannungen V_GS = 0 V und V_GS > V_t dargestellt. Die Ortskoordinate z stellt dabei die Richtung senkrecht zur 2DEG Fläche bzw. Fläche der Steuerelektrode (807) dar. Der Übersicht wegen ist die dünne GaN Abschlussschicht nicht mit eingezeichnet, was den prinzipiellen Verlauf nicht maßgeblich verändert. Für 0V Gate-Source Spannung V_GS (8a) liegt das Einschlusspotential an der Grenzfläche der GaN Schicht (801) zur AlGaN Barriere (802) über der Fermi-Energie E_F (882) und ist nicht mit Elektronen bevölkert, so dass kein 2DEG vorliegt. Für eine positive Gate-Source Spannung V_GS (883) (8b) über der Einsatzspannung V_t befindet sich die Leitungsbandunterkante E_L (881) des Einschlusspotentials unter der Fermi-Energie E_F, weshalb dieses mit Elektronen befüllt ist und ein 2DEG ausgebildet ist. Mit Ausbildung des 2DEGs steigt die Leitfähigkeit des Kanals bzw. der Stromfluss zwischen den elektrischen Kontakten für eine gegebene Drain-Source Spannung.
In 9a sind die gemessene Kapazität C/A, d.h. die Flächenkapazität bezogen auf die Gate-Elektrodenfläche über der Heterostruktur, aufgetragen gegenüber der angelegten Spannung V_GS zwischen der Steuerelektrode und den elektrischen Kontakten (Source und Drain) dargestellt. Die gemessene Kapazität setzt sich zusammen aus einer spannungs-abhängigen Komponente von der Steuerelektrode zur Heterostruktur C_2DEG und einer spannungs-unabhängigen Parallel-Kapazität C_offset von dem Überhang der Steuerelektrode über die elektrischen Kontakte.
Die parasitäre Überlappkapazität C_offset kann als Versatz oder Offset betrachtet werden.
Für den Fall im Dunkeln, d.h. ohne Lichteinstrahlung insbesondere ohne Lichteinstrahlung mit einer Wellenlänge kleiner 400 nm, (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten kreisrunden Messpunkten) zeigt die Kapazität der Steuerelektrode zur Heterostruktur C_2DEG (gemessene Kapazität C/A abzüglich der Offset-Kapazität C_offset ) bei 0 V einen verschwindenden Wert und dann zu positiven Gate Spannungen eine Anstieg zu einem charakteristischen Plateau. Die Kapazität des Plateaus entspricht der Serienkapazität von AlGaN Barriere (16nm), GaN Abschlusssicht (3nm) und isolierender Schicht (Al₂O₃ 24nm). Das Erreichen des Plateaus in der spannungsabhängigen Kapazitätsmessung stimmt gut mit der Einsatzspannung des Transistors im Dunkeln (siehe 7) überein. Die gemessene Kapazität C/A im Plateau-Bereich zwischen Steuerelektrode und Heterostruktur belegt daher die Modulation der Elektronendichte im 2DEG in diesem Spannungsbereich. Wenn das 2DEG entvölkert ist, enthält die Serienkapazität zwischen Steuerelektrode und Heterostruktur zusätzlich noch eine sehr kleine serielle Komponente über die GaN Kanalschicht und evtl. tiefere Schichten, weshalb insgesamt die Kapazität verschwindend klein wird.
Unter Lichteinfall, d.h. insbesondere mit Lichteinstrahlung mit einer Wellenlänge kleiner 400 nm, (graue durchgezogene Linie mit ausgefüllten dreieckigen Messpunkten) wird der gleiche Plateau-Wert in der spannungsabhängigen Kapazitätsmessung erreicht, aber bereits nach einem Anstieg im negativen Spannungsbereich nach Überschreiten der in dem Fall negativen Einsatzspannung V_GS . Dies bedeutet, dass unter dem gewählten Lichteinfall das 2DEG bei 0V bevölkert ist und negative Gate-Source Spannungen V_t benötigt werden um das 2DEG zu entvölkern.
Die Lage des Anstiegs in den spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen bzw. die Einsatzspannung des Transistors unter Lichteinfall ist abhängig von der Lichtintensität und dem Wellenlängenbereich der Lichtquelle.
Aus den spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen (abzüglich der Versatz-Kapazität) zwischen Steuerelektrode und Heterostruktur kann die freie Ladungsträgerdichte n als Funktion des Abstands von der Steuerelektrode, wie in 9b dargestellt, bestimmt werden. Die Skala der x-Achse mit z als Ortskoordinate bezeichnet den Abstand senkrecht zur 2DEG Fläche bzgl. der Unterkante der Steuerelektrode, d.h. der Wert kann direkt mit dem Abstand der Unterkante der Steuerelektrode verbunden werden, da AlGaN, GaN und Al2O3 eine vergleichbare Permititvität von 9 aufweisen. Das Maximum in einem Abstand von ca. 45nm zeigt das 2DEG am Heteroübergang, danach fällt die die Ladungsträgerdichte n mit zunehmender Tiefe in die GaN Kanalschicht sehr stark auf einen nahezu konstanten Wert ab. Die Kurven der Ladungsträgerdichte mit (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten quadratischen Messpunkten) und ohne (schwarze durchgezogene Linie mit ausgefüllten karo Messpunkten) Lichteinfall unterscheiden sich nicht, da die spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen einen vergleichbaren Verlauf haben und sich nur in einer Verschiebung auf der Spannungsachse unterscheiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Falson et al., REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS 81 (5), 056501, 2018 [0005]
Y. Uemoto et al. in IEEE Trans. El. Dev., vol. 54, no 12, p. 3393 (2007) [0009]

Claims

Elektronische Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, das eine Heterostruktur enthält und die Heterostruktur enthält eine Schicht, die einen Verbindungshalbleiter enthält und an eine zweite Schicht grenzt, um einen Kanal für ein 2-dimensionales Elektronengas auszubilden, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Heterostruktur eine III-V Heterostruktur ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Heterostruktur GaN enthält.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Heterostruktur aus einer ternären Verbindung der Form Ga_xK_1-xN der mit einem anderen 3-wertigen Element K wie Aluminium oder Indium gebildet wird.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, wobei die zweite Schicht, Aluminium enthält.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 5, wobei der Anteil an Ga 94% und der Anteil an Al 6% in der zweiten Schicht beträgt.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Heterostruktur eine II-VI Heterostruktur ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Heterostruktur ZnO enthält.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Kanal weniger als 10¹⁷ cm^-3 freie Elektronen enthält, die zur Leitfähigkeit beitragen.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht eine Barriere für Ladungsträger darstellt.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei das 2-dimensionale Elektronengas mittels Lichteinstrahlung insbesondere mit einer Wellenlänger kleiner als 400 nm erzeugbar ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei das 2-dimensionale Elektronengas bei einem positiven elektrischen Potential (normally-off) zwischen dem ausgebildeten Kanal und der dem Kanal abgewandten Grenzfläche der zweiten Schicht ausgebildet wird.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 12, wobei das elektrische Potential 1 V oder größer ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schicht des Verbindungshalbleiters eine Reinheit aufweist, so dass das 2-dimensionale Elektronengas nicht vorhanden ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 Sauerstoff Atome enthält.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 Fremdatome enthält.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 16, wobei die erste Schicht 100 nm oder dicker ist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 17, wobei die erst Schicht eine Versetzungsdefektdichte von weniger als 10⁷ cm^-2 aufweist.
Eine elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterbauelement als ein Transistor ausgeführt ist.
Ein Transistor nach Anspruch 19, wobei angrenzend an die zweite halbleitende Schicht der Heterostruktur zwei Kontakte und eine isolierende Schicht ausgeführt sind, so dass die isolierende Schicht teilweise über einen der beiden Kontakte reicht.
Ein Transistor nach Anspruch 20, wobei angrenzend an die isolierende Schicht ein weiterer Kontakt ausgeführt ist, der getrennt durch die isolierende Schicht teilweise über einen der beiden Kontakte reicht.