Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschichtstapel und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Isolierende Halbleiterschichten sind für die elektrische Isolation und ein geringe Hochfrequenzdämpfung von Halbleiterbauelementstrukturen unersetzlich. Dabei wird meist eine sogenannte tiefe Störstelle, d. h. eine bei Betriebstemperatur nur zu einem geringen Grad, d. h. « 50 % ionisierte Störstelle, eingesetzt. Liegt intrin- sisch oder durch Verunreinigungen eine Elektroneneigenleitung des Halbleiters vor, wird meist mit einem tiefen Akzeptor dotiert und umgekehrt, bei einer Lö- chereigenleitung, mit einem tiefen Donator. Da entsprechend im ersten Fall eine Elektroneninjektion in die isolierende Schicht gut blockiert wird und im zweiten eine Löcherinjektion, wird durch eine kombinierte gleichzeitige Dotierung von tie- fen Akzeptoren und Donatoren wie z. B. dem tiefen Akzeptor Fe und dem tiefen Donator Ti im InP das Isolationsverhalten verbessert [T. Wolf, T. Zinke, A. Krost,

H. Scheffler, H. Ullrich, P. Harde und D. Bimberg, J. Appl. Phys. 75, 3870 (1994)]. Typischerweise wird jedoch nur mit einem Dotanden dotiert, da dies in den meis- ten Fällen ausreichend für die Isolationswirkung und auch prozesstechnisch einfa- cher zu beherrschen ist. Idealerweise liegt eine tiefe Störstelle nahe der Mitte der Energielücke des Halbleiters und in einer Konzentration vor, dass sie alle freien Ladungsträger einfangen kann und damit das Ferminiveau an der energetischen Position der Störstelle, auch unter Ladungsträgerinjektion, zu liegen kommt bzw. gepinnt wird. Im Idealfall entspricht dann die freie Ladungsträgerkonzentration der Elektronen n und Löcher p der intrinsischen Ladungsträgerkonzentration m, also n = p = m.

Bei vielen Halbleitern, auch denen mit großer Energielücke wie den Gruppe-Il I-Nit- riden gibt es zwar prinzipiell viele Dotanden, die tiefe Störstellen ausbilden und hochohmiges Material ermöglichen, aber deren Lage ist häufig nicht nahe der Mitte der Halbleiterbandlücke. Daher ist auch bei ausreichender Konzentration N der kompensierenden tiefen Störstelle N > n, p, also einer Konzentration oberhalb der ohne Kompensator vorhandenen Elektronen- bzw. Löcherkonzentration n bzw. p, trotz daran gepinntem Ferminiveau, noch eine Restleitfähigkeit vorhanden und n bzw. p liegen weit oberhalb der intrinsischen Ladungsträgerkonzentration m. Selbst bei Ladungsträgerkonzentrationen unterhalb von 10 ¹⁰ crrr ³ ist dies in man- chen Halbleitern als hoch anzusehen, da z. B. bei Halbleitern wie GaN sehr hohe Durchbruchfeldstärken von über 3 MV/cm möglich sind und sich bei hohen ange- legten Spannungen bzw. Feldstärken geringe Leckströme nachteilig bemerkbar machen. Dies unter anderem weil die Leistung, die lokal bei hohen Spannungen auch bei geringen Leckströmen umgesetzt wird, zu einer Erwärmung und schließ- lich thermisch bedingtem Durchbruch führen kann. Daher sind möglichst niedrige Restleitfähigkeiten bzw. Ladungsträgerkonzentrationen anzustreben, die der intrin- sischen Ladungsträgerkonzentration möglichst nahe kommen. In GaN liegt zum Beispiel der Kohlenstoffakzeptor ca. 0,9 eV oberhalb des Valenzbands während der alternativ einsetzbare Eisenakzeptor ca. 0,6 eV unterhalb des Leitungsbands liegt. Bei einer Bandlücke des GaN von ca. 3,4 eV bei Raumtemperatur liegt die ideale Position einer tiefen Störstelle jedoch bei ca. 1 ,7 eV. Daher liegt für GaN:C eine freie Löcherkonzentration von ca. 1x10 ⁶ cm ³ und für GaN: Fe eine freie Elekt- ronenkonzentration von ca. 3x10 ⁶ cm ³ vor, deutlich oberhalb der intrinsischen La- dungsträgerkonzentration von ca. 10 ⁹ cm ³ . Demzufolge liegt der Schichtwider- stand bei Verwendung dieser Dotanden um über 10 Größenordnungen unter dem theoretisch erzielbaren Wert, den ein idealer Dotand mit einer energetischen Lage nahe der Mitte der Bandlücke erzielen könnte. Da solch ein Dotand z. B. in GaN bislang nicht bekannt ist, bzw. nicht in geeigneter Form für die Schichtherstellung zur Verfügung steht, sind diese Schichten in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt und limitieren das Einsatzgebiet der daraus hergestellten Bauelemente.

Es gilt nun eine verbesserte Schichtisolation zu erzielen. Diese Aufgabe wird mit einem Halbleiterschichtstapel nach Anspruch 1 , einem Bauelementemodul nach Anspruch 9 und Verfahren nach Anspruch 10.

Vorgeschlagen wird ein Halbleiterschichtstapel, gekennzeichnet durch mindestens zwei Schichten (A, B), die als Einzelschichten jeweils eine energetische Lage des Ferminiveaus (103) in der Halbleiterbandlücke (104, 105) aufweisen, für die Schicht (A) E _F - E _v < gilt und für die Schicht (B) E _L - E _F < gilt, mit E _F der energetischen Lage des Ferminiveaus (103), E _v der energetischen Lage eines Va- lenzbands (102), E _L der energetischen Lage eines Leitungsbands (101 ) und E _L - E _v der Energiedifferenz der Halbleiterbandlücke E _c (104,105), wobei die Dicke (106, 107) der Schichten (A, B) so gewählt ist, dass sich ein Zusammenhängen- der Raumladungszonenbereich (110) über die Schichten (A, B) ergibt.. Dabei kön- nen die Schichten direkt aufeinanderfolgen oder auch durch andere Schichten ge- trennt sein.

Erfindungsgemäß wird das Problem der Positionierung des Ferminiveaus nahe der Mitte der Energielücke des Halbleiters gelöst.

Ein zusammenhängender Raumladungszonenbereich ist dann erzielt wenn im ge- samten Bereich ein elektrisches Feld abfällt bzw. sich ununterbrochen Abschnitte mit unterschiedlichem elektrischen Potentialverlauf aneinander anschließen. Die Breite einer solchen Raumladungszone ist zwischen zwei Schichten vor allen Din- gen davon abhängig wie hoch sie dotiert sind, also wie viele ionisierbare Akzepto- ren und Donatoren sie enthalten, dem eingebauten Potentialunterschied M- ent- sprechend dem Unterschied der Ferminiveaus in den Einzelschichten, und vom Wert der Dielektrizitätskonstante s _s. Diese Breite lässt sich berechnen. Eine Ab- schätzung der Raumladungszonenbreite im p-Gebiet W _P und im n-Gebiet W _n für einen p-n Übergang mit einer Konzentration an flachen Akzeptoren NA und flachen

Donatoren ND ergibt sich mit W _p + W _n = ^m ' ^t 9 er Elementarla-

düng.

Für tiefe Störstellen und mehrere Dotanden bzw. Defekte, die u. a. verantwortlich für die Restleitfähigkeit sind ist die Berechnung etwas komplexer. Grundsätzlich kann aber aus dem Unterschied der Ferminiveaulagen und der Konzentration an ionisierten Akzeptoren und Donatoren in der Raumladungszone, welcher sich aus der energetischen Lage selbiger abschätzen lässt, der Wert der Raumladungszo- nenbreite gut abgeschätzt werden. Angestrebt werden dabei Werte die weit über der Schichtdicke der Einzelschichten liegen um dann im Mittel eine Ferminievau- position zwischen der der Ausgangsdotanden zu erzielen. Die Dotanden können, je nach Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials, Akzeptoren oder Donatoren sein. Al- ternativ kann man bei undotiert n-leitendem Material aber auch einen tiefen Ak- zeptor in einer ersten Schicht in einer Konzentration oberhalb der Elektronenkon- zentration dotieren und einen Akzeptor und in einer höheren Konzentration einen tiefen Donator in der zweiten Schicht. Jede Schicht für sich alleine betrachtet ist dann zwar an Ladungsträgern verarmt, jedoch mit Positionen des Ferminiveaus nahe der der tiefen Akzeptoren bzw. Do- natoren, die in den seltensten Fällen nahe der Mitte der Bandlücke ist und somit für die Einzelschichten eine relativ hohe Restleitfähigkeit verbleibt.

Durch das abwechselnde Aufwachsen solcher Schichten entsteht jedoch ein Raumladungszonenbereich der eine Ferminiveauposition zwischen der der einzel- nen Störstellenniveaus und damit in der Gesamtschicht eine niedrigere Konzentra- tion an Ladungsträgern ermöglicht.

Prinzipiell kann der Einbau von Störstellen und somit die Lage des Ferminiveaus durch die Herstellungsbedingungen in einem begrenztem Rahmen gesteuert wer- den. Für eine gezielte Dotierung ideal ist es Dotanden zu verwenden, die während des Wachtsums entweder aus den Ausgangsstoffen (intrinsisch) oder über eine spezielle Quelle (extrinsisch) zugeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist eine extrinsische oder intrinsische Do- tierung resultierend in mindestens zwei Störstellenniveaus, die jeweils eine ener- getische Lage aufweisen für die in einer Schicht (A) E _F - E _V < gilt und einer an- dern Schicht (B) E _L - E _F < y gilt in einer Konzentration, dass das Ferminiveau an solchen unendlich dicken Einzelschichten dieselbe energetische Lage wie die Störstellenniveaus mit einer Toleranz von ± 50 meV einnimmt, wobei die Dicken der Schichten im Halbleiterschichtstapel so gewählt sind, dass sich ein zusam- menhängender Raumladungszonenbereich (110) über den Gesamtschichtstapel ausbildet.

Vorteilhaft ist es insbesondere nicht nur zwei Schichten aufeinander zu wachsen sondern diese alternierend abzuwechseln, wobei auch weitere Schichten mit an- deren Dotanden bzw. Leitfähigkeiten in den Schichtstapel integriert werden kön- nen so lange sich über den gesamten Stapel ein Raumladungszonenbereich er- streckt. Typischerweise ist ein Raumladungszonenbereich auch bei Verwendung von nur einer als Kompensator dienenden tiefen Störstelle innerhalb einer Bauele- mentstruktur vorhanden. Dann jedoch liegt das Ferminiveau an dessen Energiepo- sition gepinnt welche ungünstig sein kann. Durch die abwechselnden Schichten und der damit wechselnden Ferminiveauposition, bei Betrachtung der Einzel- schichten, bildet sich auch zwischen den einzelnen Schichten eine Potentialfluktu- ation und damit eine Raumladungszone und ein elektrisches Feld aus. Dies er- möglicht im Mittel die Ladungträgerkonzentration weiter zu senken und so Werte näher an m zu erzielen, was einen höheren Schichtwiderstand bedeutet. Dadurch kann wiederum die Konzentration der verwendeten Dotanden abgesenkt werden, was sich positiv auf das Schaltverhalten der darüber liegenden Bauelementschich- ten auswirken kann.

Es wird also mit der Dotierung eine effektive Fermienergieposition erzielt, die ne- ben der Fermienergieposition in den Einzelschichten, der Konzentration des Dotanden und von der Dicke der einzelnen Schichten abhängt, wobei man über den Parameter der Dicke die resultierende Position am besten einstellen kann.

Bevorzugt ist in dem Flalbleiterschichtstapel eine Energieposition der durch die Dotierung erzeugten tiefen Störstellenniveaus, für die in der Schicht (A) E _F - E _v < gilt und für die in der Schicht (B) E _L - E _F <

gilt, also eine mittlere Fer- mienergieposition in einem Bereich unter- bzw. oberhalb des mittleren Bereichs der Bandlückenenergie, wobei dieser mittlere Bereich insgesamt 40 % der Bandlü- ckenenergie beträgt. In vielen Halbleitern liegt dieser Wert mit den zur Verfügung stehenden Störstellen als Einzeldotanden oberhalb von 50 %, was zu einer nicht zufriedenstellenden Kompensation führen würde, wie es beim GaN:Fe der Fall ist. Liegt das erzeugte Energieniveau nahe der Bandlückenenergiemitte, also inner- halb des oben definierten 40 % Rahmens wird in der Regel auch mit solch einem einzigen Dotanden ein zufriedenstellendes Ergebnis in Bezug auf die Schichtisola- tion erzielt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dies jedoch weiter verbessern und ist da- her in Einzelfällen auch dann sinnvoll einzusetzen. Als Dotand und hier speziell als intrinsischer Dotand gilt auch die durch Eigendefekte oder unbeabsichtigte Verun- reinigungen hervorgerufene Hintergrunddotierung der Schicht. Diese kann in einer Einzelschicht alternierend zu einer bewusst dotierten Schicht eingesetzt werden. Aufgrund der normalerweise leicht schwankenden Hintergrunddotierung von Halb- leiterschichten ist es jedoch vorzuziehen immer eine bewusst dotierte Schicht ein- zusetzen. Ein intrinsischer Dotand kann z. B. Kohlenstoff oder Sauerstoff sein, die je nach Herstellungsverfahren aus den Ausgangsstoffen oder Trägergasen stam- men können. Von diesen Dotanden lässt sich insbesondere Kohlenstoff aus den Alkylresten der eingesetzten Metallorganika durch geeignete Wahl der Wachs- tumsparameter reproduzierbar mit der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) einbauen. Da als limitierende Faktoren auch Defekte und insbesondere Versetzungen der Durchbruchfestigkeit und dem Schichtwiderstand, wie bei dem hier beispielhaft be- handeltem GaN, noch eine relativ niedrige Grenze setzen, ist eine ausreichende mittlere Position des Ferminiveaus durch tiefe Störstellen auch in einigem Abstand zur theoretisch günstigsten Position sinnvoll.

Anzustreben ist in dem Flalbleiterschichtstapel eine mittlere Fermienergieposition EF (1 08) in einem Energiebereich - E _G 0.2 < E _F < + E _G 0.2 im Raumla- dungszonenbereich (110) also eine mittlere Fermienergieposition in einem Bereich unter- bzw. oberhalb der mittleren Energie der Bandlücke, welcher jeweils bis zu 20 % der Bandlückenenergie beträgt. Die Energiebandlückenmitte ist der Einfach- heit halber als ideale Ferminiveauposition eines semiisolierenden Halbleiters mit n = p = m, definiert. Die mittlere Position bedeutet, dass das Ferminiveau gemittelt über die Dicke des erfindungsgemäßen Puffers in diesem Bereich liegt, also in Be- reichen auch darüber bzw. darunter liegen darf, wie es bei einer erfindungsgemä- ßen abwechselnden Dotierung Vorkommen kann. Dass die Fermienergie mög- lichst immer in diesem Bereich liegt wird idealerweise durch die Wahl einer ausrei- chend dünnen Schicht, der mit einem Dotanden dotierten Einzelschicht des Schichtstapels, optimiert. Dünn insofern, dass bevorzugt weniger als % der für un- endlich ausgedehnte Schichtpaare möglichen Änderung der Valenz- bzw. Lei- tungsbandenergieänderung durch die Raumladungszone in einem Schichtpaar ab- fallen sollte.

Grundsätzlich kann auch die simultane Dotierung mit zwei Dotanden in einer Schicht den erfindungsgemäßen Nutzen erbringen, jedoch ist dabei eine hochprä- zise Kontrolle der jeweiligen Konzentration nötig um das Ferminiveau ideal zu plat- zieren. Flandelt es sich jedoch um einzelne abwechselnd dotierte Schichten, so nutzt man hier den Effekt aus, dass sich zwischen den beiden dotierten Bereichen eine Raumladungszone mit leicht gekrümmten Bändern ausbildet und dies nicht sehr empfindlich von den jeweiligen Dotierstoffkonzentrationen abhängt, so lange das Ferminiveau in den Einzelschichten an den durch die Dotierstoffe induzierten Störstellenniveaus gepinnt ist. In diesem Fall lässt sich der Bandverlauf auch be- rechnen und reproduzierbar hersteilen.

Aufgrund der niedrigen Ladungsträgerkonzentration die bei Kompensation der Überschussladungsträger vorliegt erstreckt sich die Raumladungszone in der Re- gel über einen Bereich von mehreren Mikrometern und daher ergibt sich ein na- hezu flacher Bandverlauf mit einer leichten Modulation der Energie der jeweiligen Bänder in den einzelnen Bereichen wie in Figur 1 d dargestellt bzw. noch geringer wenn die unterschiedlich dotierten Schichten dünn genug gewählt werden.

Dabei sind ideale Schichtdicken abhängig von der intrinsischen Hintergrunddotie- rung, der Art der Störstelle, also ob Akzeptor oder Donator, und der energetischen Lage. Im Einzelfall muss die optimale Dotierung dafür simuliert oder experimentell gefunden werden. Grundsätzlich gilt, dass in einem Halbleiter mit einer n-Typ Hin- tergrunddotierung die Ladungsträger schon von einem in der oberen Hälfte der Energielücke sitzenden Akzeptors zum Großteil eingefangen werden. Durch einen zweiten Akzeptor in der unteren Hälfte der Bandlücke werden die Ladungsträger, die dann noch im Leitungsband verbleiben, eingefangen. Die sich ergebende Raumladungszone ist dann so breit, dass das Ferminiveau sich fast im gesamten Schichtstapel nahe am unteren Akzeptor befindet und daher diese Schicht eher dünn sein muss, um das Ferminiveau nicht zu stark abzusenken und im Mittel eine Position des Ferminiveaus nahe der Bandlückenmitte zu erzielen, also keine nen- nenswerte Löcherleitung zu induzieren. Aber auch ohne die optimale Dicke zu wählen ist, wie in Figur 6 gezeigt, eine Verbesserung der Schichtisolation erreich- bar, da vermutlich lokal eine starke Verarmung an Ladungsträgern erzielt wird. Zu dem ist die Lage des Ferminiveaus schon ohne angelegte Spannung am Schicht- stapel auch davon abhängig, wie die angrenzenden Schichten dotiert sind.

Wählt man zum Beispiel eine niedrige, d. h. im Bereich von ca. 10 ¹⁶ -10 ¹⁷ cm ³ , aber gezielte n-Dotierung durch einen flachen Donator und will diese mit einem tiefen Akzeptor in der unteren Hälfte der Bandlücke kompensieren, so ist es vor- teilhaft mit einer hohen Konzentration des tiefen Akzeptors, deutlich oberhalb der Elektronenkonzentration zu dotieren, dafür aber nur in dünnen Schichten. Daraus resultiert ein vollständig an Elektronen verarmter Halbleiter der nur eine geringe Löcherkonzentration durch die dünnen Schichten mit dem tiefen Akzeptor auf- weist, anders als bei einer nur mit dem tiefen Akzeptor dotierten Schicht. Diese dünnen hoch mit dem tiefen Akzeptor dotierten Schichten müssen derart dicht platziert sein, dass die entstehenden Raumladungszonenbereiche überlappen. In diesem Fall ist es auch notwendig jeweils am Beginn und am Ende des beabsich- tigten isolierenden Schichtstapels mit dem tiefen Akzeptor zu dotieren um eine vollständige Isolation und keine leitfähigen Randbereiche zu erhalten. Solche Schichten sind vorteilhaft für das Schaltverhalten von Bauelementen, da die Reemission von Ladungsträgern aus tiefen Störstellen bei wechselnder angelegter Spannung durch die verringerte Anzahl an tiefen Störstellen und gleichzeitig gerin- ger Restleitfähigkeit minimiert wird.

Die erfindungsgemäße Dotierung in dem Halbleiterschichtstapel ist möglich als Dotierung mit akzeptorartigen oder mit donatorartigen Dotanden aber auch als Do- tierung mit akzeptorartigen und donatorartigen Dotanden. Zwar ist die Realisie- rung nur mit akzeptorartigen oder nur mit donatorartigen Dotanden möglich und zum Teil auch sinnvoll, ideal ist jedoch theoretisch eine Kombination von einem Donator und einem Akzeptor, da diese Elektronen und Löcherinjektion besser kompensieren, so wie es vom Fe und Ti Kompensator in InP bekannt ist, wobei diese energetisch sehr nahe der Mitte der Energielücke liegen und daher keine er- findungsgemäße Einstellung des Ferminiveaus durch die Kombination von zwei Dotanden notwendig ist. Verwendet man Akzeptoren und Donatoren so ist es auf- grund der normalerweise vorliegenden Hintergrunddotierung von Elektronen oder Löchern nicht einfach diese in Wechselschichten zu dotieren, da tiefe Donatoren keine Elektronen einfangen bzw. kompensieren und tiefe Akzeptoren keine Lö- cher. Dies kann man im Fall von z. B. einer n-Typ Hintergrunddotierung lösen in- dem der Donator mit einem flachen p-Dotanden in einer Konzentration oberhalb der Elektronenkonzentration kodotiert wird.

Alternativ verwendet man als Donator einen in der oberen Hälfte der Bandlücke und als Akzeptor einen in der unteren Hälfte der Bandlücke. In GaN ermöglicht letzteres z. B. C als tiefer Akzeptor in einer ersten Schicht und ein tiefer Donator ohne p-Kodotierung in der oberen Hälfte der Bandlücke in einer zweiten Schicht. Sofern sich eine Raumladungszone über den Bereich ausbildet wird die durch den Akzeptor induzierte leichte p-Typ Leitung dann durch den Donator in der zweiten Schicht kompensiert, obwohl beide energetische Positionen weit außerhalb des mittleren Bereichs der Energiebandlücke aufweisen. Ideal umsetzbar ist solch eine Struktur mit einem tiefen Akzeptor in einer Schicht A und einem tiefen Donator in Schicht B. Vorzugsweise werden bei solchen Kombinationen Akzeptoren in der unteren Hälfte der Bandlücke und Donatoren in der oberen Hälfte der Bandlücke eingesetzt.

Die erfindungsgemäße Struktur bzw. der Halbleiterschichtstapel besteht aus min- destens zwei Schichten also einer eine Abfolge von mindestens zwei Schichtpake- ten, beinhaltend mindestens zwei Schichten (A, B) mit einer Ferminiveaulage für die als Einzelschicht in Schicht (A) E _F - E _V < gilt und für die als Elnzelschicht in Schicht (B) E _L - E _F < y, wobei es vorteilhaft ist diese mehrfach abzuwechseln also ABABAB, ABABA oder BABAB zu wachsen und auch Schichtenfolgen wie ABCBA oder ACBADB, etc. möglich sind mit C und D beliebigen Zwischenschich- ten, die jedoch aufgrund ihrer Dicke und Dotierung nicht die Ausbildung eines zu- sammenhängenden Raumladungszonenbereichs (110) unterbinden dürfen.

Erfindungsgemäß wird ein Bauelementmodul vorgeschlagen, umfassend mindes- tens ein Bauelement, welches einen erfindungsgemäßen Halbleiterschichtstapel beinhaltet.

Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Struktur auch nur mit flachen Dotanden bzw. kombiniert mit flachen und tiefen Donatoren und/oder Akzeptoren möglich. Also ein tiefer Akzeptor und ein flacher Donator und umgekehrt bzw. nur ein flacher Donator und ein flacher Akzeptor wie in Figur 5 gezeigt. Dabei sind in diesem Fall für eine isolierende Wirkung Mehrfachschichten notwendig, da bei nur einem Paar der Schichten A und B ein p-n Übergang, also eine Diodenstruktur entsteht. Bei tiefer liegendem erfindungsgemäßen Ferminiveaus entsteht zwar prinzipiell auch eine p-n Struktur, jedoch sind die Schichten dann schon so hochohmig, dass der Stromfluss durch sie stark vermindert ist und die Diodenkennlinie nur sehr schwach ausgeprägt wäre.

Werden flache Dotanden eingesetzt sind meist sehr dünne Schichten notwendig um eine zusammenhängende Raumladungszone zu erzielen, da die Ladungsträ- gerkonzentration dann meist über 10 ¹⁶ cm ^-3 liegt, auch aus diesem Grund sind mehrere Schichten notwendig um eine ausreichend hohe Isolationswirkung über eine ausreichende Schichtdicke zu erzielen, da die Durchbruchfeldstärke material- bedingt limitiert ist.

Der Ansatz mit flachen Dotanden wird schon in ähnlicher Weise in Halbleiterlaser- strukturen realisiert. Dort wird die durch Ätzen strukturierte Laserdiode mit freige- legtem p-n Übergang mit einer umgekehrten Diodenstruktur also umgekehrten Schichtfolge von p- und n-leitender Schicht im Vergleich zur Laserdiodenstruktur, überwachsen. Dadurch entsteht eine im Laserbetrieb sperrende Diode um die in Durchlassrichtung betriebene lasende Diode, was den Stromfluss auf den Bereich in der Laserstruktur beschränkt. Dies ist jedoch nicht mit der erfindungsgemäßen Ausführung für die hier genannten Schichten vergleichbar, da zum einen eine 3- dimensional strukturierte Probe überwachsen wird und zum anderen die Schichtdi- cken der invers aufgewachsenen bzw. später betriebenen p-n Struktur in der Re- gel größer als die Raumladungszone sind.

Dabei wird in diesem Beispiel nicht auf eine mittlere Position des Ferminiveuas ab- gezielt, sondern auf das Verhalten einer in Sperrrichtung betriebenen Diode. Die damit erzielbaren Spannungen bis zum Durchbruch wären durch die Limitierung der Dicke dieser sperrenden Diodenschichten gering, bei einer Laserstruktur aber durch den Stromfluss der Laserdiode in Durchlassrichtung durch den aktiven Be- reich sowieso begrenzt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Halbleiterschichtstapels im weiter unten bei- spielhaft ausgeführten Materialsystem der Gruppe-I I I-Nitride besteht darin, jeweils einen der folgenden Dotanden in der ersten Schicht (A) im Wechsel mit dem jeweils zweiten Dotanden in der zweiten Schicht (B) in Gruppe-I I I-Nitrid Halb- leitern :

• Eisen und Kohlenstoff oder

• Kohlenstoff und einem Donator oder

• Eisen und Magnesium oder

• Eisen und Zink

zu dotieren.

Dabei sind auch Kombinationen dieser Dotanden in mehr als zwei Schichten oder teilweise in einer von mehreren Schichten möglich. Bei Dotierung mit flachen Do- natoren wie Si oder Ge in GaN oder dem Akzeptor Mg in GaN kann es im Einzel- fall auch günstig sein diese durchgehend in niedriger Konzentration zu dotieren und die kompensierende Störstelle, also einen tiefen Akzeptor bzw. Donator nur in einzelnen Schichtabschnitten zu dotieren, was durch die erfindungsgemäßen An- sprüche mit abgedeckt ist, da die Änderung der Lage des Ferminiveaus in einer hypothetischen, unendlich ausgedehnten Einzelschicht entscheidend für die er- folgreiche Umsetzung ist, was auch in diesen Fällen gegeben ist.

Donatoren in Gruppe-I I I-Nitriden können tiefe, wie der auch durch C erzielbare, o- der auch flache wie Si, Ge oder O sein. Jedoch sind bei Verwendung flacher Dotanden aufgrund der kleineren Raumladungszonenbreiten sehr dünne Schich- ten bzw. sehr niedrige Dotierstoffkonzentrationen notwendig um keine Schichten mit hoher Restleitfähigkeit zu erzeugen, also einen komplett an Ladungsträgern verarmten Bereich zu erhalten was in Figur 5 gezeigt ist wo 10 nm dünne Einzel- schichten verwendet werden. Erschwert wird die Umsetzung solch dünner Schich- ten durch Anström effekte sowie die Verschleppung von einigen Dotanden wie Mg in modernen Wachstumsprozessen wie z. B. mit der MOVPE.

Für die erfindungsgemäße Umsetzung bzw. ein Verfahren zur Fierstellung eines Flalbleiterschichtstapels sind zumindest folgende Schritte vorteilhaft:

• die Bereitstellung eines Substrats in einer Anlage zur Deposition von Halb- leitern

• dem Aufbringen einer Folge von mindestens zwei Schichten (A, B), die als Einzelschichten jeweils eine energetische Lage des Ferminiveaus (103) in der Halbleiterbandlücke (104, 105) aufweisen, für die Schicht (A) E _F - E _v < gilt und für die Schicht (B) E _L - E _F < gilt,

• wobei die Dicke (106, 107) der Schichten DA und DB (A, B) SO gewählt ist, dass sich ein zusammenhängender Raumladungszonenbereich (110) W _A +

W _B = über die Schichten (A, B) ergibt und DA < WA sowie

DB < WB gilt, mit WA und WB der Raumladungszone sowie NA und NB der Dotierstoffkonzentrationen in den Schichten A und B, z _s der Dielektrizitäts- konstante, q der Elementarladung und Yw dem eingebauten Potentialunter- schied, der identisch zum Energieunterschied der Ferminiveaus ist.

Die Wahl der maximalen Dicke der Schichten ergibt sich aus einer numerischen Abschätzung der sich ausbildenden Raumladungszonenbreiten, wobei es vorteil- haft ist deutlich, d. h. mindestens einen Faktor zwei, besser fünf und ideal über 10 unter der berechneten Schichtdicke zu bleiben, da sich dann eine geringe Band- modulation, d. h. ein sehr gleichmäßiger Bandverlauf, einstellt.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele und eine Beschreibung der Fi- guren am schon eingeführten Beispiel Galliumnitrid dargestellt.

Galliumnitrid ist ein heutzutage wichtiger Halbeiter für eine Vielzahl von Anwen- dungen wie z. B. LEDs für die Allgemeinbeleuchtung aber auch für die Leistungs- elektronik. Bauelemente werden als Dünnschichtmaterial kommerziell meist mit der MOVPE hergestellt. Aufgrund von Eigendefekten und Verunreinigungen ist GaN meist leicht n-Typ lei- tend und selten hochohmig, dies meist aufgrund einer prozessbedingten Kohlen- stoffverunreinigung. In frühen Arbeiten verwendete man die Akzeptoren Zink oder Magnesium, die Aktivierungsenergien > 150 meV aufweisen um Hochohmigkeit zu erzielen, jedoch mit mäßigem Sperrverhalten, was an der durch diese Dotanden erzeugten relativ hohen Löcherkonzentration oberhalb von 10 ¹⁰ cm ³ liegt. Eisen, ein häufig verwendeter Kompensator in lll-V Halbleitern wird heutzutage teilweise für GaN eingesetzt. Die energetische Lage mit 0,6 eV unterhalb des Leitungsban- des führt jedoch zu einer relativ hohen verbleibenden Elektronenleitfähigkeit, wel- che nachteilig in den meisten elektronischen Bauelementen ist. Dies umso mehr, als unipolare Bauelemente im GaN System häufig elektronenleitend sind und da- her Elektroneninjektion in die Isolationsschicht von solch einer Schicht nur mäßig gut blockiert wird. Alternativ wird Kohlenstoff eingesetzt. Intrinsisch dotiert führt er zu einem tiefen Akzeptor in der unteren Hälfte der GaN Bandlücke (ca. Ev+0,9 eV) und einem Donator in der oberen Hälfte der Bandlücke. Mit einem Precursor wie z. B. Propan, oder einem anderen Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenstoff enthalten- den Precursoren wie z. B. CBr ₄ bei Standard Wachstumsbedingungen dotiert baut sich Kohlenstoff hauptsächlich als tiefer Akzeptor ein.

Über den Einbau von Kohlenstoff als tiefer Akzeptor und gleichzeitig als tiefer Do- nator werden keine vorteilhaften Eigenschaften berichtet, was insofern nicht ver- wundert, da das Einstellen eines geeigneten Akzeptor/Donatorverhältnisses, das für ein Ferminiveau möglichst nahe der Mitte der Bandlücke sorgen würde, man- gels Kenntnis derzeit nicht möglich ist. Prinzipiell ist aber solch ein Einzeldotand, der zwei Niveaus erzeugt geeignet, wenn man das Verhältnis der beiden Niveaus durch die Wachstumsbedingungen einstellen kann. In Figur 2 und den Figuren 3,

4, und 5 werden die energetischen Lagen der Bänder relativ zum Ferminiveau, das hier definitionsgemäß bei einem Wert von 0 eV liegt und durch die gestrichelte Linie repräsentiert wird, gezeigt.

Die obere durchgehende Kurve im jeweiligen Diagramm repräsentiert dabei das Leitungsband, die untere das Valenzband.

Figur 2 a) zeigt die Lage der Energiebänder bei Dotierung mit Fe, 2 b) bei Dotie- rung mit C. In beiden Fällen liegt das Ferminiveau verhältnismäßig nahe am Lei- tungs- bzw- Valenzband. Daher ist die verbleibende Ladungsträgerkonzentration noch relativ hoch. Will man nun eine hochohmige Einzelschicht erzielen so könnte man z. B. eine Einzelschicht mit Fe und C kodotieren, wobei das Verhältnis der Dotanden die energetische Lage berücksichtigen muss.

Es ergibt sich bei einer energetischen Lage von EL-0,6 eV für Fe und Ev+0,9 eV ein Verhältnis der Konzentrationen von ca. 5000. Dieses muss möglichst genau getroffen werden ist aber zugleich abhängig von der exakten, aber meist nur unge- nau bekannten, energetischen Lage in der Bandlücke. Alleine deshalb ist es deut- lich einfacher die Dotanden in Wechselschichten zu dotieren, da dann die Kon- zentration und die exakte energetische Lage der Dotanden stärker variieren dürfen bzw. weniger genau bekannt sein müssen. In einem n-Typ Halbleiter ist dann die Dicke für die Fe-dotierten Schichten dicker als für die C-dotierten, da die Akzepto- ren nur Elektronen einfangen und das Ferminiveau durch eine zu dicke GaN:C Schicht in etwa bei der energetischen Position des C in einem Mehrfach- schichtstapel liegt. Simulationen ergeben für die GaN:Fe-Schicht, je nach Anwen- dungsfall, eine 5 bis 20 fache Schichtdicke im Vergleich zur GaN:C Schicht. Dies ist in Figur 3 beispielhaft gezeigt. Das Ferminiveau ist in diesem Beispiel um 100- 200 meV weiter vom Valenzband entfernt als mit einem Einzeldotanden was die Konzentration an Löchern weiter absenkt und damit den Widerstand erhöht.

Bei einer anderen Ausführung, der Kombination des flachen Donators Si und des tiefen Akzeptors C wird bei einer durchgehenden oder in einzelnen Schichten vor- handenen Si Konzentration von z. B. 1x10 ¹⁷ cm ³ die Dotierung von C in Konzent- rationen von z. B. 2x10 ¹⁸ cm ³ nur in dünnen Schichten dotiert, die etwas dicker sind als rein rechnerisch notwendig ist um alle durch Si erzeugten freien Elektro- nen einzufangen, also in diesem Beispiel etwas mehr als 1/10 des Volumens ein- zunehmen. Dies ist in Figur 4 für eine kurze Stapelfolge gezeigt. Sind die C-dotier- ten Schichten zu dick liegt das Ferminiveau wieder nahe der C-Störstelle und es tritt eine leichte p-Leitfähigkeit auf. Will man ähnliches mit Mg und Fe umsetzen, so muss ein ausreichender n-Typ Hintergrund vorhanden sein, sei es intrinsisch oder z. B. durch eine durchgehende Dotierung um diese erfolgreich zu kombinie- ren, ähnlich wie bei der Kombination von C und Fe nur dass zu hohe Mg Konzent- rationen bzw. eine zu dicke GaN:Mg-Schicht zu einer merklichen p-Typ Leitung führen würde.

Besser geeignet ist in solch einem Fall ein tiefer Donator in der oberen Hälfte der Bandlücke in Kombination bzw. im Wechsel mit Mg. Hier könnte Ti oder der tiefe C-Donator Verwendung finden, sofern er gezielt eingebaut werden kann. Prinzipi- ell kann auch mit flachen Störstellen im Wechsel leicht n- und p-dotiert werden, so dass die erfindungsgemäße komplette Verarmung über diese Schichten erfolgt.

In Figur 5 ist dies für dünne Wechselschichten gezeigt, hier liegt das Ferminiveau im Mittel fast perfekt in der Mitte der Energielücke.

Interessant sind Kombinationen tiefer Störstellen und flacher oder nur von flachen insofern, da z. B. Si und Mg meist an Gruppe-I I I-Nitrid Schichtabscheidungsanla- gen vorhanden sind und somit höchstens ein tiefer Dotand anstelle von zweien vorgehalten werden muss. Einfacher zu handhaben sind jedoch Prozesse mit Dotanden, deren Energieniveaus so tief liegen, dass sie das Material prinzipiell verarmen, d. h. die Ladungsträgerkonzentration bei Verwendung selbiger unter 10 ¹⁴ cm ³ liegt. Bei Ladungsträgerkonzentrationen unterhalb von 10 ¹⁴ cm ³ ist dann eine Raumladungszonenbreite > 1 pm gegeben. Verwendet man Dotanden wie C oder Fe in einer Konzentration oberhalb der Elektronenkonzentration im undotier- ten Fall, so liegt die Ladungsträgerkonzentration im GaN normalerweise unter 10 ¹⁰ cm ³ was eine Raumladungszone > 100 pm mit sich bringt. Daher ist dann die Bandverbiegung zwischen den wechseldotierten Schichten nur gering ausprägt und hauptsächlich hin zu den, sofern vorhanden, darüber und darunter liegenden stärker leitfähigen Schichten gegeben.

In Figur 1 a ist in einem Energie-Orts Diagramm schematisch gezeigt wie, ausge- hend von einer Wechselschichtstruktur mit den unterschiedlich dotierten Schichten A und B die hier noch nicht in elektrischem Kontakt sind, sich diese entlang des elektrochemischen Potentials bzw. des Ferminiveaus aufreihen. Hier sind 101 das Leitungsband Ec, 102 das Valenzband EL, 103 das Ferminiveau EDopant, Fermi wel- ches in Figur 1 a mit der energetischen Lage der Dotierstoffe identisch sein soll, sofern die Konzentration der Dotanden jeweils so hoch ist, dass das Ferminiveau an der energetischen Lage dieser gepinnt wird, was für eine erfindungsgemäße Ausführung nicht zwingend notwendig ist. D.h. auch eine nur teilweise vorliegende Kompensation der Hintergundladungsträger und damit eine Lage des Fermini- veaus die nicht identisch mit der energetischen Lage des Dotanden ist kann zu dem gewünschten Ergebnis führen ist aber schwieriger reproduzierbar umzuset- zen. Die Dicke der Schichten A und B ist mit 106 und 107 angegeben und die je- weilige Bandlückenenergie mit 104 und 105 welche in der Homoepitaxie identisch sind aber sich prinzipiell auch unterscheiden kann. Bring man diese Schichten A und B in elektrischen Kontakt entsteht eine Potentialdifferenz, die durch Ladungs- verschiebung und daraus resultierender Bandverbiegung ausgeglichen wird. In

Figur 1 b ist dies für den Fall von sehr dicken Einzelschichten gezeigt, die so dick sind, dass die entstehenden Raumladungszonen (109) dünner als die halbe Dicke des Schichtpaars sind. Es entstehen in diesem Fall einzelne Raumladungszonen zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen, die für die ersten drei beispiel- haft als schraffierte Flächen mit 109 gekennzeichnet sind. Die Raumladungszonen erstrecken sich jedoch nicht bis in den angrenzenden Übergang, sondern außer- halb der Raumladungszone sind die Bänder 101 und 102 flach und das Fermini- veau 108 liegt gepinnt am Störstellenniveau. Nur innerhalb der Raumladungszone befindet es sich energetisch zwischen den beiden Störstellenniveaus. Nimmt die Dicke der Schichten ab, so entsteht ein Bereich der vollkommen von Raumla- dungszonen bzw. einer zusammenhängenden Raumladungszone (110) durchzo- gen ist, also über der gesamten Struktur ein durch die einzelnen Schichten modu- liertes elektrisches Feld vorhanden ist wie in Figur 1 c gezeigt und in Figur 1 d für noch dünnere Schichten in einem immer flacheren Bandverlauf mündet, bei dem das Ferminiveau 108 eine energetische Position zwischen der der Störstellenni- veaus einnimmt. Hierbei ist die Abnahme der Schichtdicken aus Anschaulichkeits- gründen nicht grafisch umgesetzt bzw. die horizontale Achse des Abstands in ei- nem anderen Maßstab dargestellt als in Figur 1 b. Da die Ladungen, die hier durch die Potentialunterschiede verschoben werden bzw. die ortsfesten Ladungen ioni- sierter Störstellen nur noch in einer geringen Konzentration vorhanden sind, er- streckt sich die Bandverbiegung über einen großen Bereich und führt zu einem im Mittel nahezu flachen Bandverlauf. In einer realen Struktur ergibt sich eine zusätz- liche Bandverbiegung ausgehend von der Oberfläche bzw. dotierten Schichten an den Rändern der Wechselschichtstruktur, die hier nicht berücksichtigt ist und meist die gesamte Struktur überlagert.

Figur 6 zeigt als Beispiel den Vergleich von Strom-Spannungs-Kennlinien a) und den daraus berechneten Widerstand b) zwischen einem oberen Metallkontakt und dem leitfähigen Substrat von unterschiedlich dotierten Pufferschichten einer GaN basierten Feldeffekttransistorstruktur auf Silizium (111 ). Dabei zeigt die Probe mit einem Fe-dotierten GaN Puffer den höchsten Strom gefolgt vom C-dotierten Puf- fer, wie man es auch von der Lage der Dotanden (Fe « EL-0,6 eV; C « Ec+0,9 eV) her erwartet. Nimmt man nun diese Dotierungen und stellt eine Probe mit einem ca. 3 pm dicken Puffer aus abwechselnd 200 nm dicken Fe- und C-dotierten GaN Schichten her, so ist der Strom geringer, obwohl Fe-dotierte oder C-dotierte Schichten alleine einen höheren Strom aufweisen, d. h. der spezifische Wider- stand der Einzelschichten geringer ist. In der erfindungsgemäßen Kombination von im Wechsel aufeinander folgenden Fe- und C-dotierten Einzelschichten wei- sen sie jedoch den niedrigsten Strom und höchsten Widerstand auf.

Bei solchen Strukturen auf Silizium werden zur Vermeidung thermisch bedingter Risse Al-haltige Zwischenschichten in das GaN eingebracht. Dabei ist es aufgrund der entstehenden Ladungen an den Grenzflächen vorteilhaft das GaN nach der Al- haltigen Zwischenschicht mit Fe zu dotieren und davor mit C, da in Wachstums- richtung gesehen oberhalb der Zwischenschicht potentiell eine Anhäufung von Lö- chern und unterhalb von Elektronen auftritt, die so ideal kompensiert werden kann.

Überprüfen lässt sich die erfindungsgemäße Anwendung am einfachsten z. B. mit massenspektroskopischen Verfahren wie der Sekundärionenmassenspektrosko- pie (SIMS) oder anhand der Defektlumineszenz in hochauflösenden Verfahren wie der Kathodolumineszenz im Rasterelektronenmikroskop bzw. dem Rastertrans- missionselektronenmikroskop. Auch können Dotanden und deren Einbauort zum Teil mit hoch ortsauflösender Ramanspektroskopie identifiziert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf alle Halbleiter und Dotanden. Insbesondere für ei- nige Halbleiter mit kleiner Bandlücke liegen die Werte für die anzustrebende La- dungsträgerkonzentration durch einen Kompensator höher als hier für GaN mit EG « 3,4 eV beschrieben, da diese Halbleiter höhere Ladungsträgerkonzentrationen und Eigenleitfähigkeiten aufweisen. Sie müssen, wie andere Werte auch, entspre- chend der Bandlückenenergie und der Zustandsdichte und den daraus resultieren- den intrinsischen Ladungsträgerkonzentrationen angepasst werden um einen er- findungsgemäßen Effekt erzielen zu können. Auch sind prinzipiell mehr als zwei Dotanden und diese auch in mehr als zwei Wechselschichten möglich und Be- standteil einer erfindungsgemäßen Ausführung. Auch kann die häufig vorhandene Eigenleitung n oder p » m in einer Schicht anstelle eines Dotanden in einer Schicht genutzt werden. Eine dotierte Schicht kann zudem auch in eine andere überlap- pen, d. h. die Dotierungen müssen nicht abrupt am nominellen Ende der Schicht enden und ein Überlapp kann, je nach Art und energetischer Lage der Dotanden, auch vorteilhaft sein. Auch die Reihenfolge der in den Ansprüchen genannten Schichten A und B ist austauschbar und weitere Schichten dazwischen möglich, so lange die Bedingung eines zusammenhängenden Raumladungszonenbereichs erfüllt ist. Die Beschreibung der Lage des Ferminiveaus bezieht sich immer auf den Fall ohne angelegte externe Spannung an den Schichten.