DE19514546C2 - Elektronisches Bauteil mit einer Komposit-Struktur - Google Patents

Elektronisches Bauteil mit einer Komposit-Struktur

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einer Kom­ posit-Struktur, wie es aus der Schrift von Strass, A. u. a., Titel: "Quantum-Well-Laser - Die neue Generation der Halbleiterlaser" in: Laser und Optoelektro­ nik, 1994, Vol. 26, S. 59-67 als bekannt hervorgeht.
In Fig. 4c des zugrundegelegten Artikels ist eine lineare GRINSCH-Struktur (Graded Index Separate Confinement Heterostruc­ ture) für Laser in mit einer sogenannten Single Quantum-Well- Struktur vorgeschlagen. Eine derartige Bandstruktur weist einen Potentialtopf für die Ladungsträger auf, der in seiner Mitte quantisierte Ladungsträger aufweist. Die quantisierten Ladungs­ träger sind in einem sogenannten Quantum-Well angeordnet. Die Ausdehnung der Energielücke nimmt zum Quantum-Well im Zentrum des Potentialtopfs hin kontinuierlich ab.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 44 15 600 A1 ist eine he­ teroeptaktische Komposit-Struktur vorgeschlagen, bei der mittels CVD- Verfahren aus der Gasphase eine undotiert abgeschiedene Diamant­ schicht durch eine weitere diamantfreie und dotiert abgeschie­ dene Schicht mit Ladungsträgern versehen wird. Diese Art der Einbringung von Ladungsträgern in die undotiert abgeschiedene Schicht mit Ladungsträgern erfolgt dadurch, daß die beiden Schichten an ihrer zumindest mittelbaren Grenzfläche im Verlauf der Bandkante eine Banddiskontinuität aufweisen, wobei bezüglich der freien Ladungsträger die Bandkante derart verläuft, daß für die Ladungsträger das energetische Niveau der Bandkante in der undotiert abgeschiedenen Diamantschicht günstiger ist als in der dotiert abgeschiedenen Schicht. Durch diese Maßnahme können ins­ besondere unter Zuhilfenahme von n-dotiertem C-BN (kubisches Bornitrid) Diamantschichten n-dotiert werden, da, bedingt durch die angesprochene Banddiskontinuität an der mittelbaren Grenz­ fläche zwischen der Diamantschicht und der n-dotierten C-BN- Schicht, Ladungsträger aus der C-BN-Schicht in die Diamant­ schicht abfließen. Allerdings wäre es wünschenswert, die Beweg­ lichkeit der Ladungsträger in der Diamantschicht zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Bauteil mit der in der zugrundegelegten Schrift, Fig. 4c) dar­ gestellten Bandstruktur zu entwickeln.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Aus den zu der undotiert abgeschiedenen Diamantschicht benachbarten, dotierten Schichten gelangen, bedingt durch die bzgl. des Va­ lenz- und/oder Leitungsbandes am jeweiligen Übergang zwischen den Schichten und der Diamantschicht, also an der Grenzfläche zwischen diesen Schichten jeweils vorliegende, geforderte Band­ diskontinuitäten, in den dotierten Schichten optisch und/oder thermisch generierte Ladungsträger in das für diese Ladungsträ­ ger einen Potentialtopf mit Quantisierungen ausbildende Valenz- und/oder Leitungsband der Diamantschicht. Durch die Quantisie­ rungseffekte der Ladungsträger ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Komposit-Struktur schnelle Halbleiterbauelemente herzu­ stellen. Bedingt durch die geringe Schichtdicke der undotiert aufgewachsenen Diamantschicht bildet sich im Zusammenspiel mit den benachbarten und die Diamantschicht dotierenden Schichten hinsichtlich des Verlaufes der Bandkante der Komposit-Struktur für die in die Diamantschicht abgeflossenen Ladungsträger ein sogenannter eindimensionaler Potentialtopf aus, wobei die die Ladungsträger einsperrenden Potentialwände des Potentialtopfs durch die Banddiskontinuitäten gebildet werden. Da die Ladungs­ träger in der Diamantschicht insbesondere nur einen energeti­ schen Zustand einnehmen können, ist die Streuung der Ladungsträ­ ger zumindest verringert, wodurch deren Beweglichkeit zumindest erhöht ist.
Zum besseren Verständnis wird dieser Mechanismus im folgenden beispielhaft anhand eines besonders sinnvollen C-BN/Diamant/C- BN-Schichtaufbaus beschrieben, bei dem die beiden C-BN-Schichten n-dotiert und die Diamantschicht undotiert abgeschieden sind.
Die Bandlücken der C-BN-Schichten, die auf beiden Flachseiten der Diamantschicht angeordneten sind, weisen eine größere Band­ lücke als die Diamantschicht auf. Bei der Ausbildung des Verlaufes der Bandkante nivellieren sich die jeweiligen Bandkanten entsprechend ihrem jeweiligen Fermi-Niveau aus. Da das Fermi- Niveau der C-BN-Schicht aufgrund der n-Dotierung näher an dem Leitungsband als an dem Valenzband der C-BN-Schicht liegt und da die Bandlücke der Diamantschicht kleiner als die der C-BN- Schicht ist, resultiert hieraus an der Grenzfläche, also am Übergang von der Diamantschicht zur jeweiligen C-BN-Schicht hin, eine Banddiskontinuität. Die Banddiskontinuität weist einen der­ artigen Verlauf auf, daß zumindest einige der Ladungsträger aus den C-BN-Schichten in die Diamantschicht abfließen.
Da der Verlauf der Bandkante im Bereich der Diamantschicht für die Ladungsträger einem quantenphysikalischen Potentialtopf zumindest ähnlich ist, liegen die Energiezustände der Ladungsträger innerhalb des Potentialtopfs weit genug aus­ einander, so daß im Idealfall für die Ladungsträger in dem Po­ tentialtopf quantenmechanisch nur ein Zustand möglich ist. Durch diesen Umstand ist die Wahrscheinlichkeit für Stöße gering, wo­ durch die Beweglichkeit der Ladungsträger in der Diamantschicht erhöht ist.
Des weiteren ist die Streuwahrscheinlichkeit durch die bean­ spruchte Art der Dotierung sehr niedrig, da die Dotieratome räumlich von den im Potentialtopf befindlichen Ladungsträgern getrennt sind.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden er­ läutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine einfache Komposit-Struktur mit fünf auf einem Wachstums-Substrat angeordneten unter­ schiedlichen Schichten,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Gitterkon­ stanten der Komposit-Struktur nach Fig. 1 quer zu deren Flachseite und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verlaufes der Leitungs­ bandkante der Komposit-Struktur nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Komposit-Struktur eines sogenannten Single- Quantum-Well (SQW) mit fünf unterschiedlichen Schichten 1, 2 und 4 dargestellt, die auf einem Wachstums-Substrat 3 abgeschieden sind, wobei in Reihenfolge vom Wachstums-Substrat 3 aus gesehen folgende Schichtfolge vorliegt: eine dotierte, diamantfreie Schicht 2, danach eine Zwischenschicht 4, anschließend die undo­ tiert abgeschiedene Diamantschicht 1, dann abermals eine Zwi­ schenschicht 4 und zuletzt eine dotierte Schicht 2. Die Abschei­ dung der Schichten 1, 2 und 4 über dem Wachstums-Substrat 3 er­ folgt zweckmäßigerweise mittels CVD (chemical-vapor-deposition) und/oder MBE (molekular-beam-epitaxy) und/oder verschiedenen Ab­ arten dieser Epitaxie-Verfahren.
Die dotierte Schicht 2 kann generell eine einzige Komponente, zwei Komponenten (binäre Systeme wie bspw. InP, GaAs usw.), drei und mehr Komponenten (ternäre oder quaternäre Systeme wie In- GaAs, InGaAsP oder dgl.) aufweisen. Bei der Auswahl der do­ tierten Schicht 2 ist es sinnvoll, solche Systeme auszusuchen, die mit dem zweckmäßigerweise eine (1,0,0)-Orientierung aufwei­ senden Wachstums-Substrat 3 eine akzeptable Gitteranpassung auf­ weisen.
Eine gute direkte Gitteranpassung bedeutet, daß die Gitterkon­ stante der dotierten Schicht 2 nur geringfügig von der Gitter­ konstanten des Wachstums-Substrats 3 abweicht. Ferner kann zwi­ schen der dotierten Schicht 2 und dem Wachstums-Substrat 3 auch eine modifizierte Gitteranpassung vorliegen. Allgemein bedeutet eine modifizierte Gitteranpassung, daß die Differenz eines ganz­ zahligen Vielfachen der Gitterkonstanten des ersten Materials und eines ganzzahligen Vielfachen der Gitterkonstanten des zwei­ ten Materials, bezogen auf das ganzzahlige Vielfache des einen Materials, kleiner 20%, insbesondere kleiner 10%, und günstiger­ weise kleiner als 1% ist.
Das ganzzahlige Vielfache der Gitterkonstanten kann der jeweili­ gen Gitterkonstanten entsprechen, wodurch es sich bei diesem Grenzfall um die einfache, direkte Gitteranpassung handelt. Des weiteren können die ganzzahligen Vielfachen für die jeweiligen Gitterkonstante unterschiedlich sein. Günstig ist es hierbei, wenn die Vielfachen der Gitterkonstanten kleiner als 10, insbe­ sondere kleiner als 5 sind. Ein sinnvolles Verhältnis ist hier­ bei ein 2 : 3-Verhältnis.
Auf der dotierten Schicht 2 ist zum Abbau der Gitterfehlanpas­ sung zwischen der dotierten Schicht 2 und der nachfolgend abzu­ scheidenden Diamantschicht 1 eine Zwischenschicht 4 abgeschie­ den. Die Zwischenschicht 4 ist eine Legierung, die ein kristal­ lographisch regelmäßiges, eine Diamant- oder eine Calzium­ fluorid- oder eine Zinkblendestruktur oder eine diesen Kristall­ gittern zumindest ähnliches aufweisendes Legierungsgitter auf­ weist, wobei sich die Zusammensetzung der Legierung mit zuneh­ mendem Abstand von der dotierten Schicht 2 verändert. Mit Verän­ derung der Zusammensetzung der Legierung ist eine Änderung der Gitterkonstanten des Legierungsgitters verbunden, weshalb die Gitterkonstante der Legierung in weiten Grenzen variiert werden kann. Durch diese große Variation der Gitterkonstanten des Le­ gierungsgitters ist mittels der derartigen Zwischenschicht 4 in einfacher Weise eine direkte oder eine modifizierte Gitteranpas­ sung zwischen der dotierten Schicht 2 und der Diamantschicht 1 realisierbar.
Auf der maximal 0,1 µm Schichtdicke aufweisenden Diamantschicht 1, die bis auf unvermeidbare Verunreinigungen im wesentlichen undotiert abgeschieden ist, ist erneut eine Zwischenschicht 4, auf welcher wiederum eine dotierte Schicht 2 aufgebracht ist, abgeschieden.
Das Material der Zwischenschicht 4 und der dotierten Schicht 2 ist bezüglich der Diamantschicht 1 derart abgestimmt, daß, be­ dingt durch eine zwischen diesen Schichten vorliegende Banddis­ kontinuität der Leitungsbänder dieser Schichten, optisch und/oder thermisch aktivierte Ladungsträger der vorzugsweise n-dotierten Schicht 2 unter Verringerung ihrer potentiellen Energie in das Leitungsband der undotierten Diamantschicht 1 abfließen, wobei die Ladungsträger der dotierten Schicht 2 über die Zwischen­ schicht 4 in die Diamantschicht 1 abgeleitet werden. Dadurch ist die Diamantschicht 1 dieser Komposit-Struktur, ohne direkte n- Dotierung, vom n-Typ.
Auf die gleiche Weise ist es auch ohne direkte Dotierung mög­ lich, Komposit-Strukturen mit Diamantschichten 1 vom p-Typ her­ zustellen, wobei hier das Material der Zwischenschicht 4 und der dotierten Schicht 2 derart abgestimmt sein muß, daß in diesem Fall, bedingt duch die nunmehr vorliegende Banddiskontinuität der Valenzbänder, optisch und/oder thermisch aktivierte La­ dungsträger der nunmehr p-dotierten Schicht 2 unter Verringerung ihrer potentiellen Energie durch die Zwischenschicht 4 hindurch in das Valenzband der undotiert abgeschiedenen Diamantschicht 1 abfließen und eine Diamantschicht 1 vom p-Typ erzeugen.
Mit einer Komposit-Struktur, die einen prinzipiellen Aufbau in Single-Quantum-Well-Struktur wie die Komposit-Struktur gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aufweist, lassen sich u. a. elektronische Bauteile, wie Leuchtdioden mit im Bereich des Blau­ en emittierenden Licht oder Feld-Effekt-Transisitoren (FET's), realisieren, wobei die hohe Wärmeleitfähigkeit der Diamant­ schicht 1 und insbesondere deren hohe Ladungsträgerbeweglichkeit von hohem Vorteil ist.
In Fig. 2 ist ein schematischer Verlauf der Gitterkonstanten ai des Komposit-Substrats parallel zum Wachstum der Schichten dar­ gestellt, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke xKS der Komposit-Struktur und entlang der Ordinate ohne Maßstab die zu­ gehörige Gitterkonstante ai der jeweiligen Schicht 1, 2 oder 4 der Komposit-Struktur aufgetragen ist. Der Verlauf der Gitterkonstanten der Kompo­ sit-Struktur wird beginnend von der der Wachstumsoberfläche der Komposit-Struktur abgewandten Oberfläche beschrieben, wobei die Darstellung nur schematisch und keineswegs exakt ist. Als erstes ist die Gitterkonstante des Wachstums-Substrats 3 aufgetragen. Daran schließt sich die geringfügig kleinere Gitterkonstante der dotierten Schicht 2 an, deren Differenz zu der Gitterkonstanten des Wachstums-Substrats 3 kleiner als 1% sein sollte, damit ein aktzeptables epitaktisches Wachstum der dotierten Schicht 2 er­ möglicht ist. An die dotierte Schicht 2 schließt sich die Zwi­ schenschicht 4 an, deren Gitterkonstante mit zunehmender Schichtdicke sich der Gitterkonstanten des Diamanten annähert. Ist die Gitterkonstante des Diamanten innerhalb kleiner Toleran­ zen, vorzugsweise kleiner 3%, insbesondere kleiner 1%, er­ reicht, wird die undotierte Diamantschicht 1 abgeschieden, so daß die Komposit-Struktur in diesem, der Diamantschicht 1 zu­ gehörigen Bereich die Gitterkonstante des kristallinen Diamanten aufweist. Nach der eine Schichtdicke kleiner 100 nm, insbeson­ dere kleiner 50 nm, aufweisenden Diamantschicht 1 folgt wiederum eine Zwischenschicht 4, deren Gitterkonstanten sich dieses Mal jedoch von dem Wert des Diamanten hin zu dem der dotierten Schicht 2 ändert, damit auf ihr wiederum eine dotierte Schicht 2 epitaktisch angeordnet werden kann.
Aus dem Schichtaufbau der Komposit-Struktur nach Fig. 1 ergibt sich also folgender idealisierte Verlauf einer Leitungsbandkan­ te, wie er in Fig. 3 beispielhaft bei einer n-Dotierung schematisch dargestellt vorliegt, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke xKS der Komposit-Struktur und entlang der Ordinate der Wert ELB des Energieniveaus der Leitungsbandkante der Komposit-Struktur auf­ getragen ist.
Im vorliegenden Fall weist das Leitungsband des Wachstums-Sub­ strats 3 das höchste Energieniveau auf. Dem Leitungsband des Wachstums-Substrats 3 folgt dasjenige der dotierten Schicht 2, dessen Energie-Niveau geringfügig unterhalb dem des Wachstums- Substrats 3 angeordnet ist. In der darauffolgenden Zwischen­ schicht 4 weist die Leitungsbandkante eine Banddiskontinuität auf, die zu einer Absenkung des Energieniveaus auf den Wert der Diamantschicht 1 führt. Nach der Diamantschicht 1 steigt das Energieniveau der Leitungsbandkante der Komposit-Struktur inner­ halb der Zwischenschicht 4 wieder auf den Wert der dotierten Schicht 2 an. Wie anhand der stark vergrößerten Darstellung des Verlaufs der Leitungsbandkante im Bereich der Diamantschicht 1 ersichtlich ist, sind die Ladungsträger, die über die Zwischen­ schichten 4 aus den dotierten Schichten 2 in das Leitungsband der Diamantschicht 1 abgeflossen sind, in einer Art Topf - einem sogenannten Potentialtopf - eingesperrt.
Da nun, bedingt durch die geringe Schichtdicke der Diamant­ schicht 1, die zweckmäßigerweise nur einige nm bis einige 10 nm aufweist, die Breite dieses durch die Leitungsbänder der Zwi­ schenschichten 4 verbreiterten Potentialtopfs dennoch gering ist, weist der Verlauf der Leitungsbandkante im Bereich der Dia­ mantschicht 1 für freie Ladungsträger geringer Energie diskrete Energiewerte, die nicht dem Quasikontinuum eines normalen Bandes zuzurechnen sind, auf. Daher weisen im Bereich des Potential­ topfs die Energieniveaus der Ladungsträger einen großen gegen­ seitigen Abstand zueinander auf, so daß die einzelnen Ladungs­ träger ohne eine hohe Energiezufuhr nicht mehr zwischen den ein­ zelnen Energieniveaus wechseln können.
Im Falle der anderen Bänder (Leitungs- und Valenzband), die ja ein Quasi-Kontinuum darstellen, können die jeweiligen Ladungs­ träger ohne weiteres zwischen den einzelnen Energieniveaus wech­ seln, da die einzelnen Energieniveaus der Bänder einen so gerin­ gen gegenseitigen Abstand aufweisen, daß sie miteinander ver­ schmieren.
Bei einer Komposit-Struktur mit einer aus C-BN gebildeten do­ tierten Schicht 2 beträgt der Wert der Bandlücke des C-BN's der dotierten Schicht 2 etwa 7,2 eV, während die Bandlücke der Diamantschicht 1 etwa 5,45 eV beträgt. Das gemeinsames Niveau, an dem sich die beiden Bandlücken ausrichten, ist das Fermi- Niveau. Der Bandlückenunterschied zwischen den beiden Bandlücken verteilt sich ungefähr zu gleichen Teilen auf das Valenzband und das Leitungsband. Der Unterschied bzgl. des Leitungsbandes bil­ det die Schwelle dafür, daß thermisch angeregte freie Ladungs­ träger wieder ins C-BN gelangen können, wobei bei Temperaturen unterhalb 600°C dieser Unterschied bzgl. des Leitungsbandes sehr viel größer ist als die thermische Energie der Ladungs­ träger.
Insbesondere ist eine derartige Komposit-Struktur für Leucht­ dioden (LED) sinnvoll, da auf diese Art positive wie negative Ladungsträger frei in großer Dichte in der eigentlich undotier­ ten Diamantschicht 1 vorliegen und rekombinieren können. Um die­ sen Vorgang zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, innerhalb der Komposit-Struktur mechanische Spannungen hervorzurufen oder einzubauen, die den Wert für dieses, diesen Übergang betreffende Übergangsmatrixelement erhöhen.
Eine weitere Möglichkeit ist es, zwischen einer dotierten C-BN- Schicht 2 und einer undotierten, intrinsischen Diamantschicht 1 eine dünne undotierte C-BN-Schicht (nicht eingezeichnet) anzu­ ordnen. Dadurch ist die Dotierung der gesamten C-BN-Schicht über ihre Schichtdicke inhomogen, weshalb die Streuwirkung der Majo­ ritätsladungsträger reduziert ist.
Bei der Ausgestaltungsform nach Fig. 1 wird die Diamantschicht 1 von beiden Seiten mit Ladungsträgern beaufschlagt. Prinzipiell ist es auch möglich, die Diamantschicht 1 nur von einer Seite aus mit Ladungsträgern zu beschicken.

Claims (6)

1. Elektronisches Bauteil mit einer Komposit-Struktur, welche wenigstens eine im wesentlichen undotiert aufgebrachte Diamant­ schicht (1) aufweist,
  • - die beidseitig von dotiert aufgebrachten diamantfreien Schich­ ten (2) bedeckt ist,
  • - sowie einem Wachstums-Substrat (3) auf dem die Diamantschicht (1) und die dotierten Schichten (2) angeordnet sind,
  • - wobei Leitungs- und/oder der Valenzbandkantenverlauf der Kom­ posit-Struktur zwischen der Diamantschicht (1) und der dia­ mantfreien Schicht (2) derartige Banddiskontinuitäten aufwei­ sen, daß durch den Verlauf der Banddiskontinuitäten in den diamantfreien Schichten (2) insbesondere optisch und/oder thermisch angeregte Ladungsträger unter Verringerung ihrer po­ tentiellen Energie in das Valenz- und/oder Leitungsband der undotiert aufgebrachten Diamantschicht (1) ableitbar sind, und daß der Verlauf der Bandkante im Bereich der Diamantschicht (1) einen Potentialtopf mit Quantisierungseffekt für die in die Diamantschicht (1) abgeleiteten Ladungsträger aufweist,
  • - wobei zwischen den diamantfreien Schichten (2) und der Dia­ mantschicht (1) jeweils zusätzlich noch eine Legierung als Zwi­ schenschicht (4) angeordnet ist,
  • - deren Legierungsgitter eine Diamantstruktur oder eine Zink­ blendestruktur oder eine Calziumfluoridstruktur aufweist,
  • - wobei über die Zwischenschicht (4) die aus den dotierten dia­ mantfreien Schichten (2) stammenden Ladungsträger in die undo­ tierte Diamantschicht (1) ableitbar sind.
2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komposit-Struktur eine alternierende Schichtfolge aus diamantfreier dotierter Schicht (2) und undotierter Diamant­ schicht (1) aufweist.
3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachstums-Substrat (3) ein Silizium oder ein GaAs- Substrat ist, dessen Wachstumsoberfläche bzgl. der Miller'schen Indizes vorzugsweise eine (1,0,0)-Orientierung aufweist.
4. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diamantfreie Schicht (2) aus Bornitrid (BN), insbeson­ dere aus kubischem Bornitrid (C-BN), gebildet ist.
5. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) aus einer ein Legierungsgitter in Diamantstruktur oder Zinkblendestruktur aufweisenden Silizium- Kohlenstoff-Legierung gebildet ist, deren Kohlenstoffanteil in­ nerhalb der Zwischenschicht (4) mit zunehmendem Abstand von der Schicht ansteigt und deren Siliziumanteil entsprechend abnimmt.
6. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Diamantschicht (1) zwischen 100 nm und 1 nm beträgt.
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