电子部件、控制电子部件的方法以及生产电子部件的方法与流程

本发明的实施方案涉及电子部件，例如半导体结构。一些实施方案涉及半导体异质结构。其他实施方案涉及用于生产电子部件的方法，例如用于生产半导体结构的方法。其他实施方案涉及用于控制电子部件的方法。一些实施例涉及具有提高的电导率的半导体器件。一些实施例涉及高电子迁移率晶体管(hemt)，例如用于转换器或功率放大器。

背景技术：

1、效率和功率密度的提高是用于dc/dc、dc/ac和ac/dc应用的转换器发展的重要驱动力之一。特别是在服务器群领域，所需的冷却能力直接取决于pcb级的电源电压的转换损耗。在汽车领域，电源-电子部件的电机集成提高了功率密度，同时也增加了对散热和长期可靠性的要求。因此，近年来，基于宽带隙半导体(诸如碳化硅(sic)或第iii族氮化物(iii-n)，诸如gan、aln和inn，及其三元化合物)的部件变得普遍。这些半导体部件利用了电子的单极性电导率，使得与双极性部件相比，开关损耗可以显著降低，并且因此与导通状态损耗相比，衰减到背景中。因此，未来部件的路线图目前基本上由部件的最小可实现面比电阻(area-specific resistance)决定。目前，基于gan hemt晶体管，在600v左右的阻断电压区下，实现了低于1mohm*cm2的面比正向电阻。

2、在宽带隙半导体部件中，通过在极性第iii族氮化物的边界表面处形成二维电子气(2deg)，实现了极高的电荷载流子密度[1]。形成2deg的原因是两种材料的极化的不连续性。极化又是由于所用材料的晶体结构而产生的，并且包括自发极化和压电极化。存在关于一些极性材料(例如具有纤锌矿结构的材料)的大小和符号的研究[3]-[6]。通过常规方法产生的2deg的电荷密度达到了至多10μc/cm2的数量级的值，这对应于6×1013/cm2的电子密度[2]。

技术实现思路

1、鉴于在开头提到的目的，具有高电导率的电子部件将是期望的。

2、发明人已经发现，如果形成异质层结构的第一层和第二层，使得第一层的极性第一材料的极化至少部分地与第二层的极性第二材料的极化相反，则可以沿着异质层结构的边界表面在电子部件的异质层结构中形成具有特别高电导率的电荷区。

3、本发明的一个实施方案提供了一种电子部件，例如，该电子部件包括半导体异质结构，例如异质层结构。该电子部件包含第一层和第二层。第一层的主表面(例如主表面区域)被布置成与第二层的主表面(例如主表面区域)相对。第一层包含极化的第一材料，第二层包含可以与第一材料区分开来的极化的第二材料，例如该第二材料的带隙不同于第一材料的带隙。例如，极化的材料应理解为是指电极化的材料，例如具有极性晶体结构的材料。极化的材料的实例包括热电材料，该热电材料包括铁电材料。第一材料的极化面向第一方向。第二材料具有至少一个极化态，即极化的状态，即第二材料可以处于至少一个极化的状态，其特征在于例如第二材料的极化的极化方向。一个极化态可以是第二材料的单个极化态(例如，第二材料的永久状态)或多个极化态之一。至少在第二材料的一个第二极化态(例如对应于多个可能的极化态中的第一个)中，第二材料的极化方向至少部分地与第一方向相反，或者至少部分地相对于第一方向反平行。第二层被配置为至少处于极化态，使得沿着第一层和/或第二层的主表面形成电荷区，至少当第二材料处于该极化态时，该电荷区是导电的。例如，电荷区是二维耗尽区，例如2deg，例如，该二维耗尽区可以位于第一层中、第二层中或在第一层和第二层之间。

4、由于第一材料和第二材料两者均是极化的，因此可以沿着第一层和/或第二层的主表面形成电荷区，该电荷区被限制在垂直于主表面的方向上，在实施例中为几纳米。在这种在一个维度上受到限制的电荷区(还被称为2deg)中，电荷载流子的迁移率也可以非常高，其结果是实现了高电导率。由于电荷区在垂直于第一层或第二层的主表面的方向上的尺寸小，因此还可以例如借助于电场非常高效地影响电荷区中的电荷载流子密度。这提供了实现例如用于转换器的晶体管的可能性，其中可以用相对小的电场切换非常高的电流。

5、为了产生2deg，迄今为止，已经以两个层的极化面向相同方向的方式沉积了层。根据理论计算，已经可以假设这是这些结构的最佳配置，而且也比极化面向相反方向的结构更容易生产[1]。然而，发明人已经发现，如果两个层中的两种材料的极化是相反的，则可以实现更高的电荷载流子密度。在本发明的实施例中，与现有技术相比，以这种方式，可以在电荷区中产生增加25倍的电荷载流子密度。结果，例如可以显著降低基于这种异质结构的hemt的功率损耗。

6、发明人已经发现，在多种极化材料的情况下可以实现这种效果，其中效果的大小可以取决于所用材料的极化的大小。换句话说，对于包括极性材料(例如具有纤锌矿结构的材料)的两个层的所有异质结构，只要可以产生两个结构的状态，其中两个层的极化以相反的方式定向，就可以预期增加的电荷载流子密度的效果。在实施例中，这种状态可以通过适当的沉积工艺来实现。在其他的实施例中，这种状态可以通过施加电场来实现，因为两个层中的一个层的极化被反转，或者至少以极化的该层的极化至少部分地与这些层中的另一个层相反的方式被改变。

7、在实施方案中，第一材料具有纤锌矿晶体结构，第二材料具有纤锌矿晶体结构。具有纤锌矿晶体结构的材料是极性的，因此特别适合于在第一层和第二层之间产生极化不连续性，从而可以实现具有高电荷载流子密度的二维电子气的形成。此外，这些材料往往具有高的带隙，因此它们特别适合于电力-电子部件。由于第一材料和第二材料两者均具有纤锌矿晶体结构，因此可以以缺陷特别少的方式产生包含第一层和第二层的层结构，这对于电导率具有积极影响。

8、在实施方案中，当第一材料处于一个极化态时，电荷区中的电荷载流子密度大于1012cm-2、或大于1013cm-2或大于6×1013cm-2。

9、本发明的另一个实施方案提供了一种电子部件，例如，该电子部件包括半导体异质结构，例如异质层结构。电子部件包括第一层和第二层。第一层的主表面(例如主表面区域)被布置成与第二层的主表面(例如主表面区域)相对。第一层包括具有纤锌矿晶体结构的第一材料。第一材料的极化面向第一方向。例如，第一方向垂直于第一层和/或第二层的主表面。第二层包括具有纤锌矿晶体结构的第二材料。例如，第二材料不同于第一材料，例如第二材料的带隙不同于第一材料的带隙。第二材料是铁电的。第二材料的极化方向至少部分地在至少一个极化态下，例如在多个可能的极化态的第一极化态下，例如在预定的极化态下与第一方向相反。在实施例中，第二材料处于极化态，或者可以例如通过电场将其设定至极化态。第二材料包括过渡金属。例如，第二材料由多种材料的化合物组成，这些材料中的至少一种是过渡金属。电子部件的实施例具有结合上述实施方案描述的功能和优点。

10、由于具有纤锌矿晶体结构的材料是极性的，因此可以沿着第一层和/或第二层的主表面形成电荷区。由于第一材料的极化至少部分地相对于第二材料相反，所以特别强烈地发展在第一层和第二层之间的极化的不连续性，其结果是在该电荷区中可以形成特别高的电荷载流子密度。铁电材料具有通过施加电场可以改变其极化的定向的性能，并且即使不再受到电场的影响，极化的定向也能保持不变。改变第二材料的极化的定向会影响在第一层和第二层之间的极化不连续性的发展。因此，以这种方式，可以设定电荷区中的电荷载流子密度。因此，使用铁电材料可以通过设定极化态来控制电荷区的电导率。此外，第二材料的极化方向的可变性可以允许电子部件的简单生产工艺，其中第一层和第二层的极化方向至少部分地彼此相反。例如，可以通过导致第一层和第二层的极化对准的方法来产生第一层和第二层。以这种方式，例如通过电场回溯地改变第二层的极化方向，使得能够在电荷区中实现高电导率。

11、改变极化方向所需的铁电材料的场强还被称为矫顽力。发明人已经发现，包含过渡金属的材料往往比不含过渡金属的对应材料具有更低的矫顽力。特别地，包含过渡金属的材料中的矫顽力可以低于击穿场强，使得这些材料可以是铁电的。例如，与其对应的纯第iii族氮化物化合物相比，含有过渡金属的第iii族氮化物化合物可以是铁电的。

12、在下文中将描述上述实施方案的有利的实施例。

13、在实施例中，当第一材料处于一个极化态时，沿着第一层和/或第二层的电荷区(例如上述实施方案的电荷区)中的电荷载流子密度大于1012cm-2、或大于1013cm-2或大于6×1013cm-2。如果电荷载流子密度大于1012cm-2，则电荷区是导电的。如果电荷载流子密度大于6×1013cm-2，则其具有特别高的电导率，例如高于现有技术中已知的解决方案中的电导率。

14、在实施例中，第一材料是氮化合物，该氮化合物包括至少一种第iii族元素。替代地或附加地，在该实施例中，第二材料是氮化合物，该氮化合物包括至少一种第iii族元素。第iii族氮化物化合物往往具有高的带隙。因此，可以通过使用第iii族氮化物化合物以特别低损耗的方式配置半导体部件，例如hemt。

15、在实施例中，第二材料是包含一种或多种第iii族元素并且还包含过渡金属的氮化合物。发明人已经发现，还包含过渡金属的第iii族氮化合物的多种材料是铁电的。因此，使用铁电材料的优点可以与大带隙的优点相结合。

16、在实施例中，第二材料的氮化合物中的过渡金属的化学计量比例在氮化合物中的一种或多种第iii族元素的总化学计量比例的10％和50％之间。发明人已经发现，这种比例的过渡金属可以确保第二材料的特别高的极化。因此，可以在沿着第一层和/或第二层的主表面的电荷区中获得高电荷载流子密度。超过10％的比例使得有可能确保第二材料是铁电的。

17、在实施例中，第一材料是gan、gascn、alscn、aln、ingan、ingascn、algan、algascn中的一种。替代地或附加地，在该实施例中，第二材料是alscn、algascn、gascn、aln、algan、almgnbn、algan、algascn中的一种。这些材料提供了高带隙和显著极化的特别好的组合。

18、在实施例中，第二材料和第一材料(第二材料/第一材料)的组合是以下各项中的一种：alscn/gan、alscn/gascn、algascn/gan、gascn/alscn、gascn/aln、alscn/ingan、alscn/ingascn、almgnbn/gan。考虑到第一材料和第二材料的带隙之比，以及第一材料和第二材料的极化(这可能取决于组合)，这些组合特别适合于在电荷区中形成高电荷载流子密度。此外，这些材料组合可以通过已建立的生产方法可靠地生产，至少使得第一材料和第二材料的极化方向是相同的。可选地，可以选择第一材料和第二材料，使得它们具有相似的晶格常数。因此，电子部件的生产工艺可以特别简单，并且可以获得具有特别少的缺陷的第一材料和第二材料的主表面，这可以另外对电荷区中的电导率具有积极的影响。

19、在实施例中，第二材料是铁电的，使得第二材料的极化的方向可以改变。其中第二材料的极化方向至少部分地与第一方向相反的一个极化态(即上述极化态)是第一极化态。在第二材料的第二极化态下，第二材料的极化方向与第一方向至少部分地对准，例如至少部分地与第一方向平行。“至少部分地对准”应理解为是指极化包括面向第一方向的方向分量。由于当第一层和第二层的极化至少部分彼此相反时，沿着第一层和/或第二层的主表面的电荷区中的电荷载流子密度比当第一层和第二层的极化至少部分地彼此对准时更高，因此在第一极化态和第二极化态之间的变化使得可以在较高值和较低值之间改变电荷区的电导率。这使得实现可切换的电子部件成为可能。因为第二材料的极化方向可以改变，所以电子部件还可以以第二材料的极化在第一区域中面向第一方向以及在第二区域中面向第二方向的方式实现，使得可以实现具有不同电导率的区域。结果，例如可以定义导电通道。此外，该实施例具有上述关于铁电第二材料的优点。

20、在实施例中，当第二材料处于第一极化态时，沿着第一层和/或第二层的主表面的电荷区中的电荷载流子密度大于当第二材料处于第二极化态时的电荷载流子密度。也就是说，例如，第二材料和/或第一材料以产生这种效果的方式配置。这可以例如通过上述材料来实现。

21、在实施例中，电子部件还包括布置在第一层和第二层之间并具有纤锌矿晶体结构的第三层。第三层可以改变电荷区的位置，使得该电荷区被布置为例如在第一层中或在第一层的主表面处与第二层间隔开(其中电荷区还可以在第三层中延伸)。第一层可以具有特别少的缺陷，因为在实施例中，它可以是外延生产的。在一些实施例中，与第一层和第二层彼此直接邻接的布置相比，在第一层和第二层之间的第三层可以减少第一层和/或第二层的主表面处的表面缺陷的数量。由此获得了更高的电导率。此外，第二层使得可以补偿第一层和第二层的晶格常数的差异。在实施例中，因此，可以增加第一层和/或第二层的极化。

22、在实施例中，第二层的厚度小于50nm、或小于30nm、或小于10nm。小于50nm的层厚度使得可以使用中等强度的电场来实现在第一极化态和第二极化态之间的变化。此外，小于50nm的层厚度使得可以通过触点(例如源极和漏极)来接触电荷区，这些触点被布置在与第二层的主表面相对的第二层的另一主表面上。因此，触点的简单实现是可能的。此外，小于50nm的层厚度使得可以利用与第二层的另一主表面相对的栅电极的相对较低的栅电压来控制电荷区中的电荷载流子密度。

23、在实施例中，电子部件还包括源极触点和漏极触点，其中电荷区串联(即例如电串联)布置在源极触点和漏极触点之间。这使得有可能将电荷区用作导电通道。

24、在实施例中，电子部件还包括栅电极。该栅电极被布置为使得第二层布置在第一层和栅电极之间。将电压施加至栅电极可以控制电荷区的电荷载流子密度，从而控制电荷区的电导率。

25、在实施例中，栅电极被布置成仅在区域中(例如在相对于栅电极的横向延伸的区域中)与第二层相对。在这种情况下，横向方向可以理解为沿着第二层的方向，例如平行于第二层的方向。这使得可以在电荷区中获得在区域中或局部地不同的电荷载流子密度。

26、在实施例中，电子部件还包括布置在栅电极和第二层之间的电绝缘层。因此，可以防止电荷载流子从栅电极进入第二层，从而可以防止在栅电极和电荷区之间的漏电流。附加地或替代地，可以通过该层来防止第二层的氧化。

27、在实施例中，第二材料是铁电的，使得第二材料的极化的方向可以改变，其中第二材料的一个极化态是第一极化态。在第二材料的第二极化态下，第二材料的极化方向至少部分地与第一方向对准。栅电极被配置为通过将第一极性的第一电压施加至栅电极，至少在第二层的与栅电极相对的区域中将第二材料设定为第一极化态。此外，栅电极被配置为通过将具有第二极性的第二电压施加至栅电极，至少在第二层的与栅电极相对的区域中将第二材料设定为第二极化态。“设定”可以被理解为是指，例如，如果在设定极化态之后不再向栅电极施加电压，则保持设定的极化态，例如第一极化态或第二极化态。将电压施加至栅电极可以例如通过在栅电极和第一层之间施加电压来进行，或通过例如经由源极触点或漏极触点在栅电极和电荷区之间施加电压来进行。因此，栅电极可以改变第二材料的极化态，从而设定电荷区的与栅电极相对的区域中的电荷载流子密度。例如，可以通过栅电极来设定在源极触点和漏极触点之间的导电通道的电导率。

28、在实施例中，第二材料被配置为在没有电压施加至栅电极的电子部件的状态下保持(即例如至少基本上保持)最近设定的极化态，例如第一极化态或第二极化态。“保持极化态”是指例如至少部分地与第一方向相反的极化方向保持至少部分地与第一方向相反，并且至少部分地与第一方向对准的极化方向保持至少部分地对准。这也可以通过是铁电的第二材料来实现。在不施加栅极电压的情况下保持极化态允许高能效操作，其中例如防止了漏电流。

29、在实施例中，第一材料的极化方向以第二电压的第二极性为负极性的方式定向。因此，施加第二极性的电压可以产生导致电荷区中的电子密度降低的场效应。

30、本发明的其他实施方案提供了一种用于控制电子部件的方法，其中该方法包括将第二层(120)的至少一个区域中的第二材料(121)设定为一个极化态。结果，如关于电子部件所描述的，可以实现电荷区中的高电导率。特别地，这在第一材料和第二材料的极化在生产之后对准的情况下提供了优点。

31、本发明的其他实施方案提供了一种用于生产电子部件(例如根据前述实施方案中任一个的部件)的方法。该方法包括以第二层的主表面布置为与第一层的主表面相对的方式布置第一层和第二层。第一层包括第一材料，第二层包括第二材料。第二材料具有至少一个极化态。进行该布置使得第一材料的极化面向第一方向。此外，进行该布置，使得在第二材料的至少在一个极化态(例如预定的极化态)下的第二材料的极化方向至少部分地与第一方向相反，从而沿着第一层和/或第二层的主表面形成电荷区，至少在第二材料处于极化态时，该电荷区是导电的。

32、在实施例中，进行第一层和第二层的布置，使得在第一层和第二层的布置之后，第二材料处于一个极化态。

33、在实施例中，第二材料是铁电的，使得第二材料的极化的方向可以改变，其中第二材料的一个极化态是第一极化态。在第二材料的第二极化态下，第二材料的极化方向至少部分地与第一方向对准。此外，该方法包括在至少部分地垂直于第一层或第二层的主表面的方向上将电场施加至第二材料的步骤，以便至少在区域中将第二材料设定为第一极化态。该实施例提供了这样的优点，即可以使用已知的方法来布置第一层和第二层，这些方法相对容易实现，并且通过这些方法，可以以第一层和第二层的主表面具有少量表面缺陷的方式来布置第一层和第二层。

34、在实施例中，该方法还包括至少在区域中布置栅电极，使得第二层布置在第一层和栅电极之间。此外，将电场施加至第二材料是通过将电压施加至栅电极来进行的。

35、在实施例中，该方法还包括在第二材料已经至少在区域中被设定为第一极化态之后，至少部分地移除栅电极。至少部分地移除栅电极使得栅电极可以用于施加电压，以便在与栅电极的剩余部分相对的区域中设定第二材料的极化态，而与栅电极的移除部分相对的第二材料的区域保持第一极化态。因此，可以在区域中设定电荷区中的电荷载流子密度。此外，因此可以确保栅电极以与源极触点和漏极触点电绝缘的方式布置。同样，可以实现栅电极的低容量。

36、在实施例中，仅部分地移除栅电极，并且用于设定第一极化态的电压是第一电压。此外，该方法包括在部分地移除栅电极之后，向栅电极施加第二电压，以便至少在区域中(例如在与栅电极的部分移除之后剩余的栅电极的部分相对的区域中)，将第二材料设定为第二极化态。因此，可以在电荷区中产生局部不同的电荷载流子密度。