半导体层堆叠及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体层堆叠以及其制造方法。

背景技术

绝缘的半导体层对于电绝缘和半导体构件结构的低的高频衰减是不可替代的。在此大多使用所谓的深杂质

在许多半导体中，包括那些具有较大能隙的半导体，例如III族氮化物，原则上虽然存在许多能够构造深杂质和高阻材料的掺杂剂，但它们的位置通常不在半导体带隙的中心附近。因此，即使在具有足够的浓度N的进行补偿的深杂质(N>n,p)的情况下，即浓度高于没有补偿剂存在的电子或空穴浓度n或p，尽管费米能级固定于此，仍存在残留电导率

即使电荷载流子浓度低于10

发明内容

现在的目的是实现改善的层绝缘。该任务借助根据权利要求1的半导体层堆叠、根据权利要求9的构件模块和根据权利要求10的方法来实现。

提出一种半导体层堆叠，其特征在于至少两个层(A、B)作为单层，所述层作为单层分别具有半导体带隙(104、105)中的费米能级(103)的如下能量位置：对于层(A)适用

根据本发明，解决将费米能级定位在半导体的能隙中心附近的问题。

如果在整个区域中电场下降或具有不同的电势变化过程的连续区段相互连接，则实现连贯的空间电荷区区域。两层之间的这种空间电荷区的宽度主要取决于它们的掺杂程度有多高(即包含多少可电离的受主和施主)、所嵌入(eingebaut)的电势差Ψ

其中，q是单位电荷(Elementarladung)。

对于深杂质和多个掺杂剂或另外导致残留电导率的缺陷，计算略微复杂。但原则上从费米能级位置的差以及空间电荷区中电离的受主和施主的浓度(这能够从其能量位置估计)能够很好地估计空间电荷区宽度的值。在此力求实现远高于单层的层厚度的值，以便之后平均地实现在初始掺杂剂之间的费米能级位置。根据初始材料的电导率，掺杂剂可以是受主或施主。替代地，在未掺杂的n导电材料的情况下，也能够在第一层中以有高于电子浓度的浓度掺杂深受主，而在第二层中掺杂受主并且以更高浓度掺杂深施主。

单独考虑，每层都会耗尽电荷载流子，然而费米能级的位置接近深受主或施主的位置(其在极少数情况下位于带隙中心附近)，并且因此对于单层保留相对高的残留电导率。然而，通过这些层的交替生长产生空间电荷区区域，该空间电荷区区域能够使得费米能级位置介于各个杂质能级之间，并且因此能够实现整个层中更低浓度的电荷载流子。

原则上通过制造条件能够在受限的框架内控制杂质的嵌入并且因此控制费米能级的位置。对于定向掺杂，理想的是使用在生长期间从初始材料(本征)或通过特殊来源(非本征)提供的掺杂剂。

一种特别有利的实施方式是，在至少两个杂质能级

有利的是，尤其不仅两个层相继生长，而且它们交错地交替，其中，只要空间电荷区区域在整个堆叠上延伸，具有其他掺杂剂或电导率的其他层也能够集成到该层堆叠中。通常，当在构件结构内仅使用一种深杂质作为补偿剂时，也会存在空间电荷区区域。然而随后费米能级的能量位置插入(pinnen)，这可能是不利的。通过交替的层和由此伴随变化的费米能级位置，在观察单层时，在各个层之间也产生电势波动，并因此产生空间电荷区和电场。这使得电荷载流子浓度平均上进一步降低，并且达到接近n

因此借助掺杂实现有效费米能量位置，该有效费米能量位置除了单层中的费米能量位置以外，还取决于掺杂剂的浓度和各个层的厚度，其中，能够通过厚度的参数来最佳地设置所得的位置。

优选地，在半导体层堆叠中通过掺杂产生的深杂质能级的能量位置如下：在层(A)中适用

然而，根据本发明的方法可以进一步改善这一点，因此在个别情况下也能够有意义地使用。层的通过固有缺陷或无意的杂质引起的背景掺杂也被认为是掺杂剂，并且在此特别是本征掺杂剂。这与有意掺杂的层能够在单层中交替地使用。然而，由于半导体层的通常略微波动的背景掺杂，始终优选使用有意掺杂的层。本征掺杂剂例如可以是碳或氧，取决于制造方法，它们可以来自原始材料或载气

因为缺陷(尤其是击穿强度和层电阻的偏离，在此以GaN为例)也使用较低的极限值作为限制因素，所以通过深杂质导致的费米能级的足够的中心位置在距理论最有利位置的一定间距处也是有意义的。

在半导体层堆叠中力求空间电荷区区域(110)中的能量范围

原则上，在一个层中同时掺杂两个掺杂剂带来根据本发明的益处，然而在此为了理想地定位费米能级，需要对相应的浓度进行高度精确的控制。然而如果涉及单个的交替掺杂的层，则在此利用以下效应：在两个掺杂区域之间构造具有略微弯曲的带的空间电荷区，并且只要单层中的费米能级被固定在通过掺杂剂诱导出的杂质能级上，则该略微弯曲的带非常不敏感地取决于相应的掺杂剂浓度。在这种情况下，也能够计算并且可再现地制造带变化过程(Bandverlauf)。

由于在补偿过量载流子时存在低的载流子浓度，空间电荷区通常会在几个微米(或者如果不同掺杂的层被选择得足够薄，则更小)的区域上延伸，因此得到几乎平坦的带变化过程，并在各个区域中对相应的带的能量进行略微的调制，如图1d所示。

在此，理想的层厚度取决于本征背景掺杂、杂质的类型(即受主还是施主)以及能量位置。在个别情况下，必须为此模拟地或实验地找到最佳掺杂。原则上，在具有n型背景掺杂的半导体中，电荷载流子大部分已经被位于能隙上半部的受主捕获。然后仍保留在导带中的电荷载流子被带隙下半部的第二受主捕获。于是，所得到的空间电荷区如此宽，使得费米能级几乎在整个层堆叠中都位于接近下受主处，并且因此这些层必须非常薄，以便使得费米能级不会太强烈地下降，并且平均上实现费米能级的位置接近带隙中心，即不会诱导值得注意的空穴传导。但是，即使不选择最佳厚度，如图6所示，因为可能能够局部实现电荷载流子的强烈耗尽，因此能够实现层绝缘的改善。此外，即使在没有电压施加在层堆叠上的情况下，费米能级的位置已经取决于邻接的层如何被掺杂。

例如，如果选择通过浅施主的较低的(即在约10

在半导体层堆叠中的根据本发明的掺杂能够是以受主类型的或施主类型的掺杂剂的掺杂，也可以是以受主类型的和施主类型掺杂剂的掺杂。虽然能够实现仅具有受主类型或仅具有施主类型的掺杂，并且有时也是有意义的，但理论上理想的是施主和受主的组合，因为它们更好地补偿电子和空穴注入，如InP中的Fe和Ti补偿剂一样所知，其中，它们在能量上非常接近能隙的中心，并且因此不需要通过两个掺杂剂的组合来对费米能级进行根据本发明的调节。如果使用受主和施主，由于通常存在的电子或空穴的背景掺杂，将它们掺杂在交替层中是不容易的，因为深施主不捕获或补偿电子，而深受主不捕获或补偿空穴。在例如n型背景掺杂的情况下，这可以通过以下方式解决：将施主与浅p型掺杂剂以高于电子浓度的浓度共掺杂。

替代地，将带隙上半部中的一个用作施主，将带隙下半部中的一个用作受主。在GaN中，后者例如能够实现以C作为第一层中的深受主，并且在第二层中的带隙的上半部中不进行p共掺杂的情况下实现深施主。如果在该区域上构造空间电荷区，于是通过受主诱导的略微的p型导通通过第二层中的施主补偿，尽管具有都远在能量带隙的中心区域之外的两个能量位置。理想的是在层A中具有深受主而在层B中具有深施主的结构。在这种组合中，优选在带隙的下半部中使用受主，在带隙的上半部中使用施主。

根据本发明的结构或半导体层堆叠由至少两层组成，即由至少两个层组(Schichtpaket)组成的序列，其包含具有以下费米能级的至少两个层(A，B)：对于所述费米能级，作为单层在层(A)中适用

根据本发明提出一种构件模块，其包括至少一个构件，该构件包含根据本发明的半导体层堆叠。

原则上，根据本发明的结构也可能仅具有浅掺杂剂，或与浅和深的施主和/或受主组合。即深受主和浅施主，或者相反，如图5所示仅浅施主和浅受主。在此，在这种情况下对于绝缘效果需要多层(Mehrfachschicht)，因为在仅一对层A和B中产生一个p-n结，即二极管结构。在根据本发明的深的费米能级上，原则上也产生p-n结构，然而这些层于是已经是高电阻的，使得大幅降低通过这些层的电流，并且二极管特性曲线仅非常弱地显著。

如果使用浅掺杂剂，大多需要非常薄的层才能够实现连贯的空间电荷区，因为电荷载流子浓度通常高于10

在半导体激光器结构中已经以类似的方式实现具有浅掺杂剂的方案。在那里，通过蚀刻构造的、具有暴露的p-n结的、具有倒置的二极管结构的(即相比于激光二极管结构，p和n导电层的倒置的层序列)激光二极管过度生长。由此，在激光器运行中，在导通方向中运行的激光二极管周围产生截止的二极管，这限制流向激光器结构中的区域的电流流动。然而这不能够与根据本发明的用于在此提及的层的实施方式比较，因为一方面3维构造的样品过度生长，另一方面反向生长的或稍后运行的p-n结构的层厚度通常大于空间电荷区。

在此，在该示例中，目标不是费米能级的中心位置，而是在截止方向上运行的二极管的性能。通过限制这些进行截止的二极管层的厚度，借此能够实现的电压直至击穿电压是低的，但在激光结构中，无论如何这受到激光二极管的在通过有源区域的导通方向中电流的限制。

以下通过示例性地列出的III族氮化物的材料系统中的半导体层堆叠的有利的扩展方案在于，在III族氮化物半导体中，交替地分别在第一层(A)中掺杂以下掺杂剂之一并且在第二层(B)中分别掺杂第二掺杂剂：

·铁和碳，或

·碳和施主，或

·铁和镁，或

·铁和锌。

在此，这些掺杂剂的组合在多于两个层以上或部分地在多个层之一中也是可能的。在具有浅施主(例如GaN中的Si或Ge)或GaN中的受主Mg的掺杂的情况下，在个别情况下同样有利的是，连续地以低浓度掺杂它们，并且仅在各个层区段中掺杂进行补偿的杂质(即深的受主或施主)，这也由根据本发明的权利要求所涵盖，因为在假设的、无限延伸的单层中费米能级的位置的变化对于成功的实施是决定性的，这也是在这种情况下给出的。

III族氮化物中的施主可以是深的，例如也能够通过C实现，也可以是浅的，例如Si、Ge或O。然而，在使用浅掺杂剂时，由于较小的空间电荷区宽度，为了不产生具有高残留电导率的层，非常薄的层或非常低的掺杂剂浓度是必需的，即获得完全耗尽电荷载流子的区域，如图5所示，其中使用10nm的薄单层。由于流动效应

对于根据本发明的实施或者说由于制造半导体层堆叠的方法，至少以下步骤是有利的：

·在用于沉积半导体的设备中提供衬底；

·施加至少两个层(A、B)的序列，每个层作为单层在半导体带隙(104、105)中分别具有费米能级(103)的如下能量位置：对于层(A)适用

·其中，如此选择层D

层的最大厚度的选择由所构造的空间电荷区宽度的数值估计得出，其中，有利的是保持明显(即至少两倍，最佳五倍，理想地在10倍以上)低于所计算的层厚度，因为那样则设置低的带调制，即非常均匀的带变化过程。

以下在已经引入的氮化镓示例中示出一些实施例和附图的描述。

具体实施方式

氮化镓是当今各种应用中的重要半导体，例如用于通用照明的LED，也用于电力电子。商业上通常借助MOVPE来制造构件作为薄膜材料。

由于固有缺陷和杂质，GaN通常略微n型导通并且很少是高阻抗的，这主要是由于与工艺相关的碳杂质。早期作业使用受主锌或镁，其具有大于150meV的活化能以获得高电阻，然而具有适中的截止性能，其原因在于通过这些掺杂剂产生的高于10

关于嵌入碳作为深受主并且同时作为深施主，没有报告有利的特性，这并不惊讶，因为由于缺乏知识，目前不能够实现设置合适的受主/施主比率以确保费米能级尽可能接近带隙的中心。但原则上，如果能够通过生长条件设置两个能级的比例，则产生所述两个能级的这种单掺杂(Einzeldotand)是合适的。在图2和图3、4和5中示出带相对于费米能级的能量位置，费米能级在此根据定义是值0eV，并且由虚线表示。

相应的图中的上方连续曲线在此表示导带，下方的表示价带。

图2a)示出在掺杂有Fe时的能带的位置，2b)示出在掺杂有C时的能带的位置。在这两种情况下，费米能级都相对接近导带或价带。因此剩余的电荷载流子浓度仍然相对较高。

如果要获得高电阻的单层，则例如能够以Fe和C共掺杂单层，其中，掺杂剂的比例必须考虑能量位置。对于Fe的E

在另一实施方案中——浅施主Si和深受主C的组合，在连续的或在单个层中存在的Si浓度为例如1×10

在这种情况下，带隙的上半部中的深施主与Mg组合或交替是更合适的。在此能够使用Ti或深C施主，只要它们能够有针对性地嵌入。原则上，也能够借助浅杂质交替进行略微n掺杂和p掺杂，使得通过这些层实现根据本发明的完全耗尽。在图5中示出薄的交替层，在此费米能级几乎完美地位于能隙的中心。

因为在例如III族氮化物层沉积设备中通常存在Si和Mg并且因此至多必须保留一个深掺杂剂而不是两个，所以深杂质和浅杂质的组合或仅浅杂质是令人感兴趣的。然而，借助以下掺杂剂的工艺更易于处理，所述掺杂剂的能级处于如此深，使得其原则上耗尽材料，即使用其时载流子浓度小于10

在图1a中示意性地示出能量位置图，示出如何从具有不同掺杂的层A和B(它们在此尚未电接触)的交替层结构开始，它们沿着电化学势或费米能级排列。在此101是导带E

在图1b中示出非常厚的单层的情况，所述单层如此厚，使得所产生的空间电荷区(109)比层对的厚度的一半更薄。在这种情况下，在不同掺杂的区域之间产生单独的空间电荷区，对于前三个示例性地作为阴影的面积标记为109。然而，空间电荷区并不延伸到相邻的过渡区中，而是空间电荷区之外，带101和102是平坦的，并且费米能级108固定地位于杂质能级。仅在空间电荷区内，其能量才在两个杂质能级之间。如果层的厚度减小，则产生一个区域，该区域完全被空间电荷区或连贯的空间电荷区(110)所穿过，即在整个结构上存在通过各个层调制的电场，如图1c和图1d所示，对于更薄的层通到(münden)始终平坦的带变化过程，其中费米能级108处于杂质能级之间的能量位置。在此，出于清楚起见，没有图形地实现层厚度的减少，或者以与图1b不同的比例示出间距的水平轴。因为在此通过电势差而移动的电荷或电离杂质的位置固定的电荷尚仅以低浓度存在，带弯曲会在大面积上延伸，并且导致平均几乎平坦的带变化过程。在实际的结构中，从交替层结构的边缘处的表面或掺杂层开始得到附加的带弯曲，在此未考虑到该带弯曲，带弯曲大多覆盖整个结构。

图6示例性地示出在硅(111)上的基于GaN的场效应晶体管结构的不同掺杂的缓冲层的上金属接通部与导电衬底之间的电流-电压特性曲线a)和由此计算出的电阻b)的比较。也如同从掺杂剂的位置(Fe≈E

能够最简单地检查根据本发明的应用，例如借助诸如二次离子质谱(SIMS)之类的质谱方法，或者基于高分辨率方法中的缺陷发光，如扫描电子显微镜或扫描透射电子显微镜中的阴极发光。有时还能够借助高位置分辨的拉曼光谱法来辨识掺杂剂及其嵌入位置。

本发明涉及所有半导体和掺杂剂。尤其对于具有较小带隙的一些半导体，通过补偿剂力求的电荷载流子浓度的值高于对此描述的GaN(E