DE102008023517B4

DE102008023517B4 - Feldeffekttransistor mit piezoelektrischem Ladungsgenerator

Info

Publication number: DE102008023517B4
Application number: DE102008023517.2A
Authority: DE
Inventors: Holger SCHWARZMANN; Sven Berberich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: DE102008023517A1

Abstract

Feldeffekttransistor, mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat (62); einem Drain-Gebiet (64) und einem Source-Gebiet (66), die in dem Halbleitersubstrat (62) angeordnet sind; einem Gate, das über einem Kanalgebiet zwischen dem Drain-Gebiet (64) und dem Source-Gebiet (66) angeordnet ist, und ein Gateoxid (67) und einen Gate-Anschluss (68) aufweist; und einem Ladungsgenerator (10; 20; 30; 40; 50) zum Laden oder Entladen einer Gate-Kapazität des Feldeffekttransistors, wobei der Ladungsgenerator auf dem Gate angeordnet ist und folgende Merkmale aufweist: ein erstes Bauteil (12) mit einem ersten piezoelektrischen Bereich (14) zwischen ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b), wobei einer der ersten elektrischen Anschlüsse (16a) des ersten Bauteils (12) über Durchkontaktierungen (69) mit dem Gate-Anschluss (68) verbunden ist; und ein zweites Bauteil (18), das mit dem ersten Bauteil (12) mechanisch gekoppelt ist, um eine mechanische Verformung des ersten piezoelektrischen Bereichs (14) zu bewirken, so dass zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b) aufgrund eines direkten Piezoeffekts eine Spannung (Uout) abgegriffen werden kann, wobei das zweite Bauteil (18) einen zweiten piezoelektrischen Bereich (24) zwischen zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) aufweist, um durch Anlegen einer Steuerspannung (Uin) mit einer ersten Polarität an die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) eine mechanische Verformung des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) zu bewirken, die durch die mechanische Kopplung auf den ersten piezoelektrischen Bereich (14) des ersten Bauteils (12) übertragen wird, so dass elektrische Ladungsträger erzeugt werden, die zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b) eine Spannung (Uout) mit einer zweiten Polarität bewirken, um die Gate-Kapazität des Feldeffekttransistors entsprechend der zweiten Polarität über den ersten elektrischen Anschluss (16a), der potentialtechnisch von den zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) entkoppelt ist, zu laden oder zu entladen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Generierung elektrischer Ladungsträger, wie sie beispielsweise zur elektrischen Ansteuerung von Bauelementen in Digital- und Analogtechnik eingesetzt werden können.
In integrierten und diskret aufgebauten Schaltungen der Digitaltechnik und der Leistungselektronik werden meist Transistoren basierend auf der Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor-(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor, MOSFET) bzw. der Metall-Isolator-Halbleiter Feldeffekttransistor-(Metal-Insulator Semiconductor Field-Effect-Transistor, MISFET)Technologie als elektrische Schalterbauelemente eingesetzt, da sie einen vergleichsweise geringen Ansteueraufwand besitzen. Es kommen komplementäre Bauformen, n- bzw. p-Kanal-Transistoren des selbstsperrenden (enhancement transistor oder Anreicherungstyp) bzw. des selbstleitenden (depletion transistor oder Verarmungstyp) Transistortyps zum Einsatz.
Eine grundlegende Anforderung, die an ein elektrisches Schalterbauelement gestellt wird, ist die Möglichkeit eines kontrollierten Wechsels zwischen leitendem und sperrendem Zustand. Eine Steuerung eines Umschaltens zwischen leitendem und sperrendem Zustand bei MOS-gesteuerten Schaltern, d. h. MOS-Transistoren, erfolgt typischerweise über einen Steuer- bzw. Gate-Anschluss. Eine zentrale Bedeutung kommt hierbei Gate-Kapazitäten zu. Eine Gate-Kapazität umfasst eine untere Elektrode, z. B. ein Halbleitersubstrat, ein Gate-Dielektrikum, beispielsweise Siliziumdioxid oder so genannte High-k-Materialien und eine obere Elektrode, beispielsweise aus dotiertem Polysilizium, einem Metall oder einer Legierung. Als High-k-Materialien werden in der Halbleitertechnologie Materialien bezeichnet, die eine höhere Dielektrizitätszahl aufweisen als herkömmliches Siliziumdioxid.
Durch Auf- bzw. Entladen der Gate-Kapazität schaltet ein MOS-Transistor zwischen leitendem und sperrendem Zustand um. Entscheidend für eine Ansteuerung eines MOS-Transistors ist eine Potentialdifferenz zwischen Gate-Anschluss bzw. -Kontakt und Substrat. Befinden sich Transistoren auf unterschiedlichen Substratpotentialen, so können diese meistens nicht mit einer einzigen Ansteuerspannung betrieben werden. Hierfür sind dann unterschiedliche Ansteuerspannungen oder eine potentialgetrennte Ansteuerung, beispielsweise über einen Transformator, nötig.
Herkömmlicherweise werden MOS-Transistoren also durch Anlegen einer Steuerspannung ein- bzw. ausgeschaltet, bzw. in einen leitenden oder sperrenden Zustand versetzt. In integrierten und/oder diskret aufgebauten Schaltungen können jeweils zur Ansteuerung von Transistoren notwendige Steuerspannungen mittels so genannter Treiberschaltungen als Ansteuerelemente für die Transistoren erzeugt werden. Diese dienen dazu, um sicher zu stellen, dass die Gate-Kapazität und Kapazitäten von Transistorzuleitungen innerhalb eines Schaltzyklusses umgeladen werden können. Eine potentialgetrennte Ansteuerung von MOS-Transistoren erfolgt bei diskret aufgebauten Schaltungen in der Regel über Transformatoren oder Optokoppler als Ansteuerelemente. Zweck von Optokopplern ist oft die Übertragung eines elektrischen Signals bei gleichzeitiger galvanischer Trennung (elektrischer Isolierung) zwischen Ein- und Ausgangsstromkreis. Bei integrierten Schaltungen werden zur Ansteuerung von MOS-Transistoren meist so genannte Ladungsträgerpumpen oder Level-Shifter als Ansteuerelemente eingesetzt.
Piezoelektrische Transformatoren, die zur Energieübertragung eingangsseitig mit einem Wechselsignal gespeist werden, sind z. B. in der DE 10 2004 036 751 A1 , der JP 2004 253 762 A , der US 6 897 744 B2 , der DE 198 34 673 B4 , der US 4 354 166 A , der US 2006/0 158 283 A1 , der US 5 402 031 A , der US 6 114 797 A , der US 5 329 200 A oder Dr. U. Tietze, Dr. Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Bd. 12, 2002, S. 130–1343 beschrieben.
Die US 2006/0 238 070 A1 und die DE 60 2004 002 298 T2 beschreiben jeweils einen piezoelektrischen Transformator mit primär- und sekundärseitigen Anschlüssen und einen Transistor, dessen Steueranschluss mit einem Ausgang einer sekundärseitigen Gleichrichter- und Demodulatorschaltung gekoppelt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Feldeffekttransistor zu schaffen, dessen Ansteuerung mit einem geringen Schaltungsaufwand realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Feldeffekttransistor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Ansteuerelement z. B. für MOS-Transistoren realisiert werden kann, bei dem ein Ansteuersignal z. B. für einen MOS-Transistor durch Ausnutzung des direkten piezoelektrischen Effekts oder Piezoeffekts erzeugt wird. Dazu wird erfindungsgemäß ein erster piezoelektrischer Bereich mit piezoelektrischem Material zwischen ersten elektrischen Anschlüssen angeordnet. Wird nun der erste piezoelektrische Bereich mechanisch verformt, so werden elektrische Ladungsträger erzeugt, wodurch zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen aufgrund des direkten Piezoeffekts ein Ansteuer- bzw. Ausgangssignal, beispielsweise in Form einer Spannung, abgegriffen werden kann.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der direkte Piezoeffekt mit dem indirekten Piezoeffekt gekoppelt. Dazu wird ein zweiter piezoelektrischer Bereich mit piezoelektrischem Material zwischen zweiten elektrischen Anschlüssen benachbart zu dem ersten piezoelektrischen Bereich angeordnet, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die zweiten elektrischen Anschlüsse und den indirekten Piezoeffekt eine mechanische Verformung des zweiten piezoelektrischen Bereichs bzw. des davon umfassten piezoelektrischen Materials bewirkt werden kann, wobei die mechanische Verformung des zweiten piezoelektrischen Bereichs wiederum die mechanische Verformung des ersten piezoelektrischen Bereichs bewirkt, so dass zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen aufgrund des direkten Piezoeffekts das Ausgangssignal abgegriffen werden kann.
Auf diese Weise können Ladungen ohne direkte Einwirkung von elektrischen Feldern oder einen Einfall von Licht auf einen Halbleiter erzeugt werden. Durch Anlegen einer Eingangsspannung an den zweiten piezoelektrischen Bereich über die zweiten elektrischen Anschlüsse kann ein Ladungsgenerator angesteuert werden. Über eine Anzahl und Dicke der piezoelektrischen Bereiche bzw. Schichten, durch jeweils verwendete piezoelektrische Materialien und über eine Höhe der an die zweiten elektrischen Anschlüsse angelegten Eingangsspannung kann eine mechanische Verformung bzw. Auslenkung des ersten piezoelektrischen Bereichs eingestellt werden und somit auch eine Menge der erzeugten Ladungsträger bzw. die Höhe der Ausgangsspannung an den ersten elektrischen Anschlüssen.
Die piezoelektrischen Ladungsgeneratoren können beispielsweise in der Halbleitertechnologie zur potentialtechnisch getrennten Ansteuerung von MOS-Transistoren eingesetzt werden.
Die Ladungsgeneratoren können sowohl monolithisch integriert als auch diskret implementiert werden. D. h. der erste piezoelektrische Bereich und der zweite piezoelektrische Bereich können beispielsweise gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat integriert sein. Ebenso können der erste piezoelektrische Bereich und der zweite piezoelektrische Bereich in einem ersten und in einem zweiten diskreten Bauteil angeordnet sein, wobei das erste und das zweite Bauteil geeignet miteinander gekoppelt sind, um die mechanische Verformung übertragen zu können.
Die Ladungsträgergeneration beruht auf der Kopplung von indirektem und direktem piezoelektrischen Effekt. Ein durch Anlegen einer Eingangs- bzw. Steuerspannung betriebener piezoelektrischer Aktor, der den zweiten piezoelektrischen Bereich umfasst, ist von dem ladungsgenerierenden ersten piezoelektrischen Bereich potentialtechnisch getrennt. Eine Ladungsträgerzahl und -polarität kann über eine Anzahl von primär- bzw. sekundärseitigen piezoelektrischen Bereichen, deren Dicke, deren Polarisationsrichtung und der Amplitude bzw. Polarität der Eingangsspannung an den zweiten elektrischen Anschlüssen eingestellt werden.
Die somit erzeugten Ladungsträger können beispielsweise dazu verwendet werden, um Gate-Kapazitäten von MOS-Transistoren umzuladen. Aufgrund der potentialtechnischen Trennung von Eingangs- und Ausgangsseite des Ladungsgenerators ist es möglich, MOS-Transistoren mit unterschiedlichen Substratpotentialen mit einer gemeinsamen Steuerspannung zu betreiben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Generierung von Ladungsträgern;
2 einen nicht isolierten Ladungsgenerator auf Piezobasis;
3 einen isolierten Ladungsgenerator auf Piezobasis;
4 einen nicht isolierten Ladungsträgergenerator für eine Ladungspolarität auf Piezobasis;
5 einen isolierten Ladungsträgergenerator für zwei Ladungspolaritäten auf Piezobasis; und
6 einen MOSFET und einen isolierten Ladungsträgergenerator zur Ansteuerung des MOSFETs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Generierung von Ladungsträgern.
Die Vorrichtung 10 umfasst ein erstes Bauteil 12 mit einem ersten piezoelektrischen Bereich 14 zwischen ersten elektrischen Anschlüssen 16a, 16b. Ferner umfasst die Vorrichtung ein zweites Bauteil 18, das mit dem ersten Bauteil 12 gekoppelt ist, um eine mechanische Verformung des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 zu bewirken, so dass zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen 16a, 16b aufgrund des direkten Piezoeffekts eine Ausgangsspannung U_out abgegriffen werden kann.
Das zweite Bauteil 18 kann also beispielsweise eine Druck- und/oder Zugkraft auf das erste Bauteil 12, insbesondere dessen ersten piezoelektrischen Bereich 14, ausüben. Bei dem zweiten Bauteil 18 handelt es sich also um einen Aktor oder Aktuator, der z. B. elektrische Signale in mechanische Arbeit, d. h. Bewegung umsetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen elektromechanischen Aktor oder bevorzugt um einen Piezoaktor handeln. Dazu umfasst das zweite Bauteil 18 z. B. einen zweiten piezoelektrischen Bereich zwischen zweiten elektrischen Anschlüssen, um durch Anlegen einer Eingangs- bzw. Steuerspannung an die zweiten elektrischen Anschlüsse durch den indirekten Piezoeffekt eine mechanische Verformung des zweiten piezoelektrischen Bereichs zu bewirken, die wiederum die mechanische Verformung des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 des ersten Bauteils 12 bewirkt.
Die Vorrichtung bzw. der Ladungsgenerator 10 ist z. B. diskret aufgebaut, d. h. das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 18 sind diskrete Bauteile bzw. -elemente. Der Ladungsgenerator 10 ist z. B. ein monolithisch integriertes Ansteuerbauelement, d. h. das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 18 sind gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat integriert. Ein derartig integriertes Ansteuerbauelement 20 ist in einer Seitenansicht schematisch in 2 gezeigt.
Das monolithisch integrierte Ansteuerbauelement 20 umfasst auf einem Substrat 22 ein erstes Bauteil 12, das einen ersten piezoelektrischen Bereich 14 zwischen ersten elektrischen Anschlüssen 16a, 16b aufweist. Ein zweites Bauteil 18 mit einem zweiten piezoelektrischen Bereich 24 zwischen zweiten elektrischen Anschlüssen 26a, 26b ist unmittelbar vertikal über dem ersten Bauteil 12 angeordnet. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel fallen die Anschlüsse 16b und 26b zusammen. Vertikal oberhalb des zweiten Bauteils 18 befindet sich ein Bereich 28 mit einem im Vergleich zu den piezoelektrischen Bereichen 14, 24 wenig elastischen Material, wie beispielsweise SiC oder Si₃N₄. Das Substrat 22 weist z. B. dasselbe unelastische Material auf wie der Bereich 28, so dass das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 18 zwischen dem wenig elastischen Bereichen 22 und 28 eingespannt sind.
Der in 2 dargestellte integrierte Ladungsgenerator 20 ist ein so genannter nicht isolierter Ladungsgenerator, da bei diesem Beispiel der Eingangsanschluss 26b mit dem Ausgangsanschluss 16b identisch ist. Die Eingangsanschlüsse 26a, b des zweiten Bauteils 18 und die Ausgangsanschlüsse 16a, b des ersten Bauteils 12 werden jeweils durch ein elektrisch leitfähiges Material gebildet, wie z. B. Metall, Polysilizium oder Silikat.
Die piezoelektrischen Bereiche 14, 24 können z. B. jeweils aus einer oder einer Mehrzahl von piezoelektrischen Materialschichten aufgebaut sein. Als piezoelektrisches Material kommt beispielsweise Blei-Zirkon-Titanat, Silizium-Carbid, Aluminium-Nitrid, Zinkoxid, Kalium-Neobat oder piezoelektrische Keramik in Frage.
Die ersten elektrischen Anschlüsse 16a, 16b werden z. B. durch zwei an gegenüber liegenden Seiten des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 angeordneten Kontakten bzw. Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material gebildet. Auf die selbe Weise, werden die zweiten elektrischen Anschlüsse 26a, 26b für das Eingangssignal z. B. durch zwei an gegenüber liegenden Seiten zweiten piezoelektrischen Bereichs 24 angeordneten Kontakten bzw. Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material gebildet.
Wird an die zweiten elektrischen Anschlüsse 26a, b ein Steuer- bzw. Eingangssignal in Form einer Spannung U_in angelegt, so verformt sich der zweite piezoelektrische Bereich 24 aufgrund des indirekten piezoelektrischen Effekts bzw. der so genannten Elektrostriktion. Elektrostriktion beschreibt eine Deformation eines dielektrischen Mediums in Abhängigkeit eines angelegten elektrischen Feldes E. Dabei verhält sich das zweite Bauteil 18 mit seinem zweiten piezoelektrischen Bereich 24 beim Anlegen des Eingangs- bzw. Steuersignals, z. B. in Form einer Spannung, an die Steueranschlüsse 26a, b als piezoelektrischer Aktor.
Zur Deformation des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 des ersten Bauteils 12 kann das erste und/oder zweite Bauteil 18 piezoelektrische Longitudinal-, Transversal-, Radial- und/oder Scheraktoren umfassen. Durch Kombination von geometrischen Abmessungen, Elektrodenanordnung bzgl. einer Richtung einer Polarisationsachse des zweiten piezoelektrischen Bereichs 24 können unterschiedliche Modi des indirekten piezoelektrischen Effekts realisiert werden.
Die 2 bis 6 zeigen lediglich exemplarisch mögliche Ausführungsformen unter Verwendung eines longitudinalen Piezoaktors (d₃₃-Effekt), bei dem eine Längenänderung in Richtung eines elektrischen Feldes E erfolgt. Hierbei liegt die Richtung der Polarisation P des streifenförmigen, piezoelektrischen Bereichs 24 parallel bzw. antiparallel zur Richtung des durch die an die elektrisch leitfähigen Kontakte 26a, b angelegte Eingangs- bzw. Steuerspannung hervorgerufenen elektrischen Feldes E.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel bildet sich durch Anlegen der Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in zwischen den elektrisch leitfähigen Kontakten 26a, b ein elektrisches Feld E mit einer Feldrichtung aus, die mit der Polarisationsrichtung P des piezoelektrischen Bereichs 24 einen Winkel von 0° ± 20° bzw. 180° ± 20° bildet, so dass bei Anlegen der Steuerspannung U_in an den zweiten piezoelektrischen Bereich 24 der erste piezoelektrische Bereich 14 durch mechanische Einwirkung des zweiten piezoelektrischen Bereichs 24 gedehnt oder gestaucht wird, abhängig von der Polarisation der Steuerspannung U_in. Durch Anlegen der Steuerspannung U_in dehnt oder staucht sich der zweite piezoelektrische Bereich 24 relativ zu seiner Höhe.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel bewirkt das Anlegen der Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in an die Eingangselektroden 26a, b bei entsprechender Richtung der Polarität P des piezoelektrischen Bereichs 24 und der Eingangsspannung U_in eine Ausdehnung des Piezoaktors 18 in Längsrichtung, d. h. in Richtung parallel oder antiparallel zu dem angelegten elektrischen Feld E. Da sowohl das erste Bauteil 12 als auch das zweite Bauteil 18 zwischen dem unelastischen Material der Bereiche 22 und 28 mechanisch eingespannt ist, bewirkt die Ausdehnung des zweiten Bauteils bzw. des Piezoaktors 18 eine Kompression des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 des ersten Bauteils 12. Daraufhin wird infolge des direkten piezoelektrischen Effekts in dem ersten piezoelektrischen Bereich 14 Ladung generiert. Aus einer Potentialdifferenz zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen 16a, b ergibt sich eine Ausgangsspannung U_out. Diese Ausgangsspannung kann beispielsweise für ein Laden bzw. Entladen einer oder mehrerer Feldkapazitäten von MOS-Transistoren verwendet werden. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Ausgangsspannung U_out nicht von der eingangsseitigen Steuerspannung U_in getrennt.
Gemäß weiteren Beispielen könnte das zweite Bauteil bzw. der Piezoaktor 18 auch ein transversaler Piezoaktor (d₃₁-Effekt) sein, bei dem eine Längenänderung senkrecht zu einem elektrischen Feld E erfolgt. Hierbei liegt die Richtung der Polarisation P des piezoelektrischen Bereichs 24 parallel bzw. antiparallel, d. h. in einem Winkel zwischen 0° ± 20° bzw. 180° ± 20° zu der Richtung des elektrischen Feldes E, welches durch Anlegen der Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in an die elektrisch leitfähigen Kontakte 26a, b hervorgerufen wird. Demnach könnte bei dieser Ausführungsform das erste Bauteil 12 auch lateral neben dem zweiten Bauteil 18 liegen, so dass der erste piezoelektrische Bereich 14 gedehnt bzw. gestaucht werden kann.
Gemäß weiteren Beispielen könnte das zweite Bauteil bzw. der Piezoaktor 18 auch ein piezoelektrischer Scheraktor (d₁₅-Effekt) sein. Bei einem piezoelektrischen Scheraktor ist die Richtung der Polarisation P des piezoelektrischen Bereichs 24 zwischen den beiden Elektroden 26a, b in einer Ebene senkrecht zu der Richtung des elektrischen Felds E. Das heißt, die Richtung des elektrischen Felds E bildet mit der Polarisationsrichtung P des piezoelektrischen Bereichs einen Winkel von 90° ± 20°. Durch Anlegen der Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in an die elektrisch leitfähigen Kontakte 26a, b schert das piezoelektrische Material infolge des indirekten piezoelektrischen Effekts (d₁₅-Effekt) aus. Ein Koppelbereich B des zweiten Bauteils 18 und des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 des ersten Bauteils 12 wird je nach Polarität der den elektrisch leitfähigen ersten Anschlüssen 26a, b anliegenden Eingangs- bzw. Steuerspannung gedehnt oder gestaucht. Auch bei dieser Ausführungsform könnte das erste Bauteil 12 lateral neben dem zweiten Bauteil 18 angeordnet sein, so dass der erste piezoelektrische Bereich 14 gedehnt bzw. gestaucht werden kann.
Ein so genannter isolierter Ladungsgenerator auf Piezobasis ist in 3 schematisch in einer Schnittansicht dargestellt.
Der in 3 gezeigte Ladungsgenerator 30 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass das erste Bauteil 12 von dem zweiten Bauteil 18 durch eine Isolationsschicht 32, z. B. Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid, getrennt ist. Das heißt, bei dem Beispiel gemäß 3 fallen die Anschlüsse 16b und 26b nicht zusammen, sondern sind durch die Isolationsschicht 32 getrennt. Die Isolationsschicht 32 dient dabei gleichzeitig als Koppelbereich zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 18.
Mit einem isolierten Ladungsgenerator gemäß 3 kann eine von der Eingangsspannung U_in potentialtechnisch getrennte Ausgangsspannung U_out erzeugt werden. Über eine Anzahl und Dicke von piezoelektrischen Schichten sowohl des ersten piezoelektrischen Bereichs 14 als auch des zweiten piezoelektrischen Bereichs 24, durch das jeweils verwendete piezoelektrische Material und über eine Höhe der Eingangsspannung U_in kann eine mechanische Verformung bzw. Auslenkung der piezoelektrischen Bereiche 14, 24 eingestellt werden und somit auch die Menge der erzeugten Ladungsträger bzw. die Höhe der Ausgangsspannung U_out in dem ersten piezoelektrischen Bereich 14.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform für einen nicht isolierten Ladungsgenerator 40 auf Basis von piezoelektrischem Material gezeigt.
Bei dem in 4 gezeigten Ladungsgenerator 40 umfasst das zweite Bauteil 18 einen Schichtstapel von mehreren piezoelektrischen Bereichen 24a, 24b, welche durch eine dritte Anschlusselektrode 26c voneinander getrennt sind. Dabei sind Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Bereiche 24a, 24b zumindest näherungsweise entgegengesetzt bzw. antiparallel. Die drei Eingangsanschlüsse 26a, b, c werden alternierend mit der Eingangsspannung U_in verbunden, so dass zwischen der Elektrode 26a und der Elektrode 26c ein elektrisches Feld entsteht, welches eine entgegengesetzte Orientierung zu einem elektrischen Feld zwischen den Elektroden 26c und 26b aufweist. Dadurch dehnt sich beim Anlegen der Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in sowohl der piezoelektrische Bereich 24a als auch der piezoelektrische Bereich 24b des zweiten Bauteils 18 aus, wodurch der erste piezoelektrische Bereich 14 des ersten Bauteils 12 komprimiert wird und durch den direkten Piezoeffekt an den gegenüberliegenden ersten elektrischen Anschlüssen 16a, 16b eine Ausgangsspannung U_out abgreifbar ist. Die generierte Ladung kann auf der nicht mit der Eingangsspannung gekoppelten Elektrode 16a abgegriffen werden. Diese Ladung kann beispielsweise für das Laden bzw. Entladen einer oder mehrerer Gate-Kapazitäten verwendet werden.
5 zeigt ein Beispiel eines isolierten Ladungsgenerators 50, der sich von dem in 4 gezeigten Beispiel dadurch unterscheidet, dass zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 18 eine Isolationsschicht 32 angeordnet ist, so dass die Anschlüsse 26b und 16b nicht zusammen fallen, wie es bereits anhand von 3 erklärt wurde.
Während mit nicht isolierten Ladungsgeneratoren gemäß den 2 und 4 nur eine Art von elektrischen Ladungen erzeugt werden kann, können mit isolierten Ladungsgeneratoren nach den 3 und 5, bei denen beide Ausgangsanschlüsse 16a, b nicht mit der Eingangsspannung U_in verbunden sind, beide Arten von elektrischen Ladungen (positiv, negativ) erzeugt werden. Über Anzahl und Dicke der eingangsseitigen piezoelektrischen Bereiche 24a, b und die Höhe der Eingangsspannung U_in kann die mechanische Verformung bzw. Auslenkung des zweiten Bauteils 18 bzw. dessen piezoelektrischen Bereichs 14 eingestellt werden und somit auch die Anzahl der erzeugten Ladungsträger in der komprimierten piezoelektrischen Schicht 14 des ersten Bauteils 12.
Eine Einsatzmöglichkeit von piezoelektrischen Ladungsgeneratoren in der Halbleitertechnologie ist beispielsweise eine potentialtechnisch getrennte Ansteuerung von MOS-Transistoren. 6 zeigt eine mögliche Ansteuerung eines n-Kanal-MOSFETs durch einen isolierten Ladungsgenerator auf Piezobasis, wie er anhand von 3 bereits beschrieben wurde, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In einem p-dotiertem Halbleitersubstrat 62 sind zwei hochdotierte n-Gebiete, Drain 64 und Source 66, eingebracht. Über dem Kanalgebiet zwischen dem Drain-Gebiet 64 und dem Source-Gebiet 66 befindet sich ein dünnes Gateoxid 67 mit einem Gate-Anschluss 68. Der Gate-Anschluss 68 ist über Durchkontaktierungen 69 mit einem Ausgangsanschluss 16a der ersten Anschlüsse 16a, b des ersten Bauteils 12 des Ladungsgenerators gekoppelt. Der zweite Ausgangsanschluss 16b kann beispielsweise mit dem Source-Gebiet 66 oder mit dem p-dotierten Halbleiter 62 gekoppelt sein.
Durch Anlegen einer Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in mit einer ersten Polarität an die zweiten Anschlüsse 26a, b des zweiten Bauteils 18 des Ladungsgenerators kann über den indirekten piezoelektrischen Effekt, die Kopplung zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 18, und dem durch die Kopplung hervorgerufenen direkten piezoelektrischen Effekt in dem ersten Bauteil 12 die Gate-Kapazität des n-Kanal-MOSFETs ent- bzw. geladen werden. Durch ein Anlegen einer Eingangs- bzw. Steuerspannung U_in mit einer zweiten Polarität, die entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist, wird dementsprechend ein Laden bzw. Entladen der Gate-Kapazität des n-Kanal-MOSFETs bewirkt. Eine analoge Vorgehensweise ist natürlich auch bzgl. p-Kanal-MOSFETs möglich.
Die Ladungsgeneratoren sind z. B. monolithisch integrierbar oder als diskrete Ansteuerelemente realisierbar.
Die Ladungsträgergeneration beruht auf einer Kopplung von indirektem und direktem piezoelektrischen Effekt. Der durch Anlegen der Eingangsspannung U_in betriebene piezoelektrische Aktor 18 ist von dem Ladungsträger-generierenden ersten piezoelektrischen Bereich 14 potentialtechnisch getrennt. Die Ladungsträgerzahl und -polarität kann über die Anzahl der primär- bzw. sekundärseitigen piezoelektrischen Schichten, deren Dicke, deren Polarisationsrichtung P und der Amplitude bzw. Polarität der Eingangsspannung U_in eingestellt werden. Die erzeugten Ladungsträger können beispielsweise dazu verwendet werden, um Gate-Kapazitäten von MOS-Transistoren umzuladen. Aufgrund der potentialtechnischen Trennung von Steuer- und Ausgangsseite des Ladungsgenerators ist es möglich, MOS-Transistoren mit unterschiedlichen Substratpotentialen mit einer gemeinsamen Steuer- bzw. Eingangsspannung U_in zu betreiben.

Claims

Feldeffekttransistor, mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat (62); einem Drain-Gebiet (64) und einem Source-Gebiet (66), die in dem Halbleitersubstrat (62) angeordnet sind; einem Gate, das über einem Kanalgebiet zwischen dem Drain-Gebiet (64) und dem Source-Gebiet (66) angeordnet ist, und ein Gateoxid (67) und einen Gate-Anschluss (68) aufweist; und einem Ladungsgenerator (10; 20; 30; 40; 50) zum Laden oder Entladen einer Gate-Kapazität des Feldeffekttransistors, wobei der Ladungsgenerator auf dem Gate angeordnet ist und folgende Merkmale aufweist: ein erstes Bauteil (12) mit einem ersten piezoelektrischen Bereich (14) zwischen ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b), wobei einer der ersten elektrischen Anschlüsse (16a) des ersten Bauteils (12) über Durchkontaktierungen (69) mit dem Gate-Anschluss (68) verbunden ist; und ein zweites Bauteil (18), das mit dem ersten Bauteil (12) mechanisch gekoppelt ist, um eine mechanische Verformung des ersten piezoelektrischen Bereichs (14) zu bewirken, so dass zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b) aufgrund eines direkten Piezoeffekts eine Spannung (U_out) abgegriffen werden kann, wobei das zweite Bauteil (18) einen zweiten piezoelektrischen Bereich (24) zwischen zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) aufweist, um durch Anlegen einer Steuerspannung (U_in) mit einer ersten Polarität an die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) eine mechanische Verformung des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) zu bewirken, die durch die mechanische Kopplung auf den ersten piezoelektrischen Bereich (14) des ersten Bauteils (12) übertragen wird, so dass elektrische Ladungsträger erzeugt werden, die zwischen den ersten elektrischen Anschlüssen (16a; 16b) eine Spannung (U_out) mit einer zweiten Polarität bewirken, um die Gate-Kapazität des Feldeffekttransistors entsprechend der zweiten Polarität über den ersten elektrischen Anschluss (16a), der potentialtechnisch von den zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) entkoppelt ist, zu laden oder zu entladen.
Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) des Ladungsgenerators so angeordnet sind, dass sich durch Anlegen der Steuerspannung (U_in) zwischen den zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) ein elektrisches Feld (E) mit einer Feldrichtung ausbildet, die mit einer Polarisationsrichtung (P) des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) einen Winkel von 90° ± 20° bildet, so dass bei Anlegen des Steuersignals (U_in) an die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) der erste piezoelektrische Bereich (14) durch mechanische Einwirkung des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) gedehnt oder gestaucht wird, abhängig von der Polarisation des Steuersignals (U_in).
Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) des Ladungsgenerators so angeordnet sind, dass sich durch Anlegen der Steuerspannung (U_in) zwischen den zweiten elektrischen Anschlüssen (26a; 26b) ein elektrisches Feld (E) mit einer Feldrichtung ausbildet, die mit einer Polarisationsrichtung (P) des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) einen Winkel von 0° ± 20° oder 180° ± 20° bildet, so dass bei Anlegen der Steuerspannung an die zweiten elektrischen Anschlüsse (26a; 26b) der erste piezoelektrische Bereich (14) durch mechanische Einwirkung des zweiten piezoelektrischen Bereichs (24) gedehnt oder gestaucht wird, abhängig von der Polarisation des Steuersignals (U_in).
Feldeffekttransistor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators zwischen einem Material (22; 28) angeordnet sind, das unelastisch ist, so dass durch eine mechanische Verformung eines des ersten und zweiten piezoelektrischen Bereichs (14; 24) das Material (22; 28) nicht verformt wird.
Feldeffekttransistor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators über einen gemeinsamen elektrischen Anschluss zwischen dem ersten und zweiten piezoelektrischen Bereich (14, 24) miteinander gekoppelt sind.
Feldeffekttransistor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators über eine Isolationsschicht (32) zwischen einer Anschlusselektrode (16b) des ersten Bauteils und einer Anschlusselektrode (26b) des zweiten Bauteils (18) miteinander gekoppelt sind.
Feldeffekttransistor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat (22; 62) integriert sind, wobei das erste Bauteil (12) einen Schichtstapel aus einer elektrisch leitfähigen ersten Anschlusselektrode (16a), dem ersten piezoelektrischen Bereich (14) und einer elektrisch leitfähigen zweiten Anschlusselektrode (16b) aufweist, und wobei das zweite Bauteil (18) einen Schichtstapel aus einer elektrisch leitfähigen ersten Anschlusselektrode (26b), den zweiten piezoelektrischen Bereich (24) und einer elektrisch leitfähigen zweiten Anschlusselektrode (26a) aufweist, und wobei das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) vertikal übereinander angeordnet sind.
Feldeffekttransistor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat (22; 62) integriert sind, wobei das erste Bauteil (12) einen Schichtstapel aus einer elektrisch leitfähigen ersten Anschlusselektrode (16a), dem ersten piezoelektrischen Bereich (14) und einer elektrisch leitfähigen zweiten Anschlusselektrode (16b) aufweist, und wobei das zweite Bauteil (18) einen Schichtstapel aus einer elektrisch leitfähigen ersten Anschlusselektrode (26b), den zweiten piezoelektrischen Bereich (24) und einer elektrisch leitfähigen zweiten Anschlusselektrode (26a) aufweist, und wobei das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) lateral nebeneinander angeordnet sind.
Feldeffekttransistor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einer der ersten und zweiten piezoelektrischen Bereiche (14; 24) des Ladungsgenerators eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten aufweist.
Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 8, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators durch eine Isolationsschicht (32) getrennt lateral nebeneinander auf dem Halbleitersubstrat (22; 62) integriert sind.
Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 9, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators vertikal übereinander auf dem Halbleitersubstrat (22; 62) integriert sind.
Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 11, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) des Ladungsgenerators durch eine Isolationsschicht (32) getrennt vertikal übereinander auf dem Halbleitersubstrat (22; 62) integriert sind.
Feldeffekttransistor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (18) diskret aufgebaut sind.