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*cm ² 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/cm ² , was einer Elektronendichte von 6x10 ¹³ /cm ² 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 10 ¹² cm ^·2 oder mehr als 10 ¹³ cm ^·2 oder mehr als 6x10 ¹³ 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 10 ¹² cnr ² oder mehr als 10 ¹³ cnr ² oder mehr als 6x10 ¹³ cm ^·2 , wenn sich das erste Material in dem einen Polarisationszustand befindet. Beträgt die Ladungsträgerdichte mehr als 10 ¹² cm ^·2 , so ist die Ladungszone elektrisch leitfähig. Beträgt die Ladungsträgerdichte mehr als 6x10 ¹³ 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 10 ¹² cm ^·2 oder mehr als 10 ¹³ cm ^·2 oder mehr als 6x10 ¹³ cm ^·2 , wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet. Zusätzlich kann bei Beispielen die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180 weniger als 800x10 ¹² cm- ² oder weniger als 400x10 ¹³ cm- ² betragen, wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet. Bei einem Beispiel beträgt die Ladungsträgerdichte 134x10 ¹³ cm ^·2 .

Bei Ausführungsbeispielen beträgt die Ladungsträgerdichte in der Ladungszone 180, wenn sich das erste Material in dem Polarisationszustand befindet, zwischen 10 ¹³ cm ^·2 und 800x10 ¹³ cm ^·2 , oder zwischen 6x10 ¹³ cm ^·2 und 800x10 ¹³ cm ^·2 , oder zwischen 10x10 ¹³ cm ^·2 und 800x10 ¹³ cm ^·2 , oder zwischen 50x10 ¹³ cm ^·2 und 400x10 ¹³ 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*cm ² , bzw. bei einer Spannung von 600V unterhalb von 0,03 mOhm*cm ² , 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) T _X N 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) Sc _x N 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 = P ^s G ^p aN - P A ^s . ^p lS°c ⁿ N _N ^t = 131 Gl. 1

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:

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/cm ² 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 6x10 ¹³ cm ^·2 und 164x10 ¹³ 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

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[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.

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[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.