DE102012104425B4 - Integrierbare Elektrode mit nichtflüchtig positionierbarer, statisch geladener Grenzschicht, Aufbau und Verwendung - Google Patents

Integrierbare Elektrode mit nichtflüchtig positionierbarer, statisch geladener Grenzschicht, Aufbau und Verwendung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt den Aufbau einer in einem Halbleiterbauelement integrierbaren Elektrode mit nichtflüchtig positionierbarer, statisch geladener Grenzschicht. Weiterhin wird die Verwendung der integrierbaren Elektrode in Photobauelementen, Teilchendetektoren, in kapazitiven Energiespeichern und in Logikbauelementen beschrieben

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung beschreibt den Aufbau einer integrierbaren Elektrode mit nichtflüchtig positionierbarer, statisch positiv und/oder statisch negativ geladenen Grenzschichten, den Aufbau und die Verwendungsmöglichkeiten dieser Elektrode.
  • Stand der Technik
  • Zwischen einer statisch geladenen Grenzschicht und einer elektrisch leitenden Gegenelektrode bildet sich ein elektrisches Feld aus.
  • Ist der Bereich zwischen zwei elektrisch leitenden Elektroden mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Material ausgefüllt, dann ist beim Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung die Verteilung der elektrischen Feldlinien zwischen den elektrisch leitenden Elektroden durch die Dielektrizitätseigenschaften des festen, flüssigen oder gasförmigen Materials bestimmt.
  • Die elektrischen Feldlinien beginnen bei der positiv geladenen Elektrode und enden bei der negativ geladenen Elektrode und veranschaulichen die Coulombkraft auf elektrische Ladungen (Elektronen, Löcher, Ionen, geladene Teilchen) im Bereich zwischen der positiv und negativ geladenen Elektrode.
  • Ist die Coulombkraft ausreichend groß, können elektrische Ladungen in dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden bis zu der entgegengesetzt geladenen Elektrode (Elektronen zu einer positiv geladenen Elektrode) driften und auf dem Weg dorthin mit anderen Teilchen wechselwirken, diese ionisieren oder mit anderen Teilchen rekombinieren.
  • Ist der Abstand der Elektroden zu groß und/oder ist die von außen angelegte elektrische Spannung zu klein, dann driften nicht alle elektrischen Ladungen in dem elektrischen Feld bis zu der entgegengesetzt geladenen Elektrode, sondern rekombinieren mit anderen geladenen und ungeladenen Teilchen.
  • Halbleitermaterialien weisen bei unterschiedlicher Verteilung von elektrisch aktiven Fremdatomen (Donatoren und Akzeptoren) intrinsische elektrische Felder auf, ohne dass von außen eine elektrische Spannung an das dotierte Halbleitermaterial angelegt werden muss. Elektrische Ladungen bewegen sich in intrinsischen elektrischen Feldern gerichtet (Drift).
  • Photobauelemente, z. B. Solarzellen, Photoelemente und Photodioden, sind prinzipiell wie Halbleiterdioden aufgebaut und unterscheiden sich nicht grundlegend im physikalischen Wirkprinzip. Aufgrund des photovoltaischen Effektes, werden photogenerierte Ladungsträger im elektrischen Feld der Raumladungszone der Halbleiterdiode getrennt. Photodioden und Photoelemente dienen im Allgemeinen der Strahlungsmessung, Solarzellen hingegen der Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie.
  • Damit die im absorbierenden Bereich von Photobauelementen photogenerierten Ladungsträger zum Photostrom im Halbleiter-Photobauelement beitragen, müssen die photogenerierten Ladungsträger die Kontaktelektroden erreichen, ohne auf dem Weg dorthin zu rekombinieren.
  • Sind die Kontaktelektroden nicht verbunden, dann liegt eine Leerlaufspannung in Durchlassrichtung an dem Halbleiter-Photobauelement an. Die Leerlaufspannung kann bei Verwendung nur eines Absorbermaterials nicht größer als die Bandlücke des Absorbermaterials sein. Sind die Kontakte verbunden, dann fließt ein Photostrom als Kurzschlussstrom durch das Photobauelement.
  • Da die Kontaktelektroden in unmittelbarer Nähe zum absorbierenden Bereich des Fotobauelementes liegen müssen und da das physikalische Wirkprinzip der Fotobauelemente auf der Generation von photogenerierten Ladungsträgern, deren Separation und Transport zu den Kontaktelektroden beruht, sind bisher vorzugsweise Fotobauelemente mit absorbierenden Bereichen, in denen sich aufgrund von Dotierung Raumladungszonen ausbilden können, verwendet worden.
  • Durch die Verwendung transparenter leitender Kontaktelektroden sowie von transparentem Substratmaterial kann die Abschattung des absorbierenden Bereichs des Fotobauelementes durch Kontaktelektroden und Substratmaterial signifikant reduziert werden.
  • Eine Solarzelle mit nur einer Art Absorbermaterial kann die Solarenergie nur mit geringer Effizienz umsetzen. Eine optimale Umwandlung erfolgt nur für die Solarstrahlung, deren Energie derjenigen der elektronischen Bandlücke des Absorbermaterials entspricht. Eine Tandem-Solarzelle kombiniert Solarzellen aus mehreren, über Tunnelbarrieren, two-terminal verbundenen Absorbermaterialien oder über transparente Kontaktelektroden multi-terminal verknüpfte Absorbermaterialien. Der Fotostrom ist in beiden Arten von Tandem-Solarzellen vergleichbar und signifikant gegenüber dem Fotostrom einer Einzelsolarzelle erhöht. Die Leerlaufspannung einer Tandem-Solarzelle mit Tunnelbarrieren kann nicht größer als die Summe der Bandlücken aller verwendeten Absorbermaterialien sein.
  • Ferroelektrische Materialien, beispielsweise BiFeO3, weisen ohne Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung ferroelektrische Domänen mit gleicher Ausrichtung und gleichem Absolutbetrag der spontanen Polarisation auf. Piezoelektrische Materialien, beispielsweise BaTiO3, weisen beim Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung Piezoelektrische Domänen mit gleicher Ausrichtung und gleichem Absolutbetrag der spontanen Polarisation auf. Zwischen den Domänengrenzen bilden sich in den Domänen von piezo- und ferroelektrischen Materialien intrinsische elektrische Felder aus. Die laterale Ausdehnung der Domänen reicht von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern bis Millimetern. Die Ausdehnung der Domänengrenzen beträgt wenige Nanometer.
  • US 2006/0239060 A1 beschreibt die Verwendung zweier ferroelektrischer Materialien in einem Halbleiterspeicherelement.
  • Aufgrund komplizierter Domänenformen ist der Zusammenhang zwischen dem Transport von elektrischen Ladungen und den intrinsischen Feldern in piezo- oder ferroelektrischen Domänen bisher wenig untersucht.
  • Außerdem überlagern Leckströme an kristallographischen Defekten oder an Domänengrenzen in piezo- oder ferroelektrischen Materialien den Driftstrom in den intrinsischen Feldern in piezo- oder ferroelektrischen Domänen.
  • Es wurden gerichtete Photoströme in ferroelektrischen Materialien ohne eine von außen angelegte elektrische Spannung entlang der Richtung intrinsischer elektrischer Felder in ferroelektrischen Domänen beobachtet. Die Leerlaufspannung hängt von der lateralen Ausdehnung der ferroelektrischen Domänen ab. Der Kurzschlußstrom fließt in Richtung der ferroelektrischen Polarisation.
  • Der photovoltaische Effekt in dotierten Halbleitern und in Ferroelektrika ist grundlegend verschieden. Der Photostrom in Ferroelektrika beträgt einige nA/cm2 im Vergleich zu einigen μA/cm2 in dotierten Halbleitern.
  • Die Nutzung des photovoltaischen Effektes in Ferroelektrika setzt die Entwicklung von Ferroelektrika mit geringen elektronischen Bandlücken und guten Volumenleitfähigkeitseigenschaften voraus.
  • So beträgt der photovoltaische Effekt in BiFeO3 mit halbtransparenten Goldelektroden bei Absorption von elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge von 630 nm und 20 mW/cm2 Bestrahlungsstärke 7,35 μA/cm2 [T. Choi u. a.: Switchable feroelectric diode and photovoltaic effect in BiFeO3. Science 324, 63 (2009)].
  • Aufgrund der Trennung von photogenerierten Ladungsträgern an den wenige Nanometer ausgedehnten Domänenwänden im BiFeO3 wurden Leerlauspannungen von 16 V und Kurzschlußströme von 120 μA/cm2 beobachtet [S. Y. Yang u. a.: Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices. Nature Nanotechnology 5, 143 (2010)].
  • Der Potentialabfall an den Domänenwänden in BiFeO3 wurde zu 10 mV bestimmt und die Leerlaufspannung zwischen zwei Kontakten an der Oberfläche von BiFeO3 wird durch das intrinsische elektrische Feld bestimmt, in welchem photogenerierte Ladungsträger driften können ohne zu rekombinieren. Dieses intrinsische elektrische Feld beträgt in dotierten Halbleitern ca. 7 kVcm–1 und in jeder Domänenwand des ferroelektrischen Materials 50 kVcm–1 [S. Y. Yang u. a.: Above-bandgap voltages from ferroelectric photo voltaic devices. Nature Nanotechnology 5, 143 (2010)].
  • Es wurde beobachtet, dass eine Elektrode mit einer Kontaktfläche von wenigen Nanometern effektiv photogenerierte Ladungsträger in BiFeO3 einsammeln kann [M. Alexe u. a.: Tipenhanced photovoltaic effects in bismuth ferrite. Nature Communications 2: 256, 1–4 (2011)].
  • Durch eine Überlagerung von photovoltaischem und piezoelektrischem Effekt kann das Volumen ferroelektrischer Materialien bei Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen geändert werden [B. Kundys u. a.: Light-induced size changes in BiFeO3 crystals. Nature Materials 9, 803 (2010)].
  • Aufgabe
  • Es ist der Aufbau einer auf verschiedenen Längenskalen integrierbaren Elektrode mit statischer Ladung zur Ausbildung elektrischer Felder zwischen der integrierbaren Elektrode und einer elektrisch leitenden Gegenelektrode und deren Verwendungsmöglichkeiten anzugeben.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer aktiven Kondensatorstruktur aus mindestens zwei Bereichen mit piezo- oder ferroelektrischem Material mit metallisch leitenden Kontakten S und O, wobei sich die strukturellen, elektronischen und/oder Polarisationseigenschaften angrenzender piezo- oder ferroelektrischer Materialen unterscheiden, und wobei sich an den Grenzflächen zwischen den piezo- oder ferroelektrischen Materialien jeweils eine statisch geladene Grenzschicht ausbildet, und wobei der Abstand der statisch geladenen Grenzschicht durch Anlegen einer Spannung nichtflüchtig eingestellt oder verschoben werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt den Aufbau der integrierbaren Elektrode (a) ohne und (b) mit einem Material 11 zum Aufbau und zur Integration. 2 beschreibt den Aufbau der integrierbaren Elektrode CAS im kapazitiven Energiespeicher.
  • 3 beschreibt den Aufbau der integrierbaren Elektrode mit drei Bereichen piezo- oder ferroelektrischer Materialien (a–c) mit unterschiedlich positionierten statisch geladenen Grenzschichten GCi.
  • 4 beschreibt die Verwendung der integrierbaren Elektrode mit Gegenelektrode 20 in einem Bauelement mit aktiven Gebiet Y.
  • 5 beschreibt die Verwendung einer integrierbaren Elektrode mit Gegenelektrode und zweier integrierbarer Elektroden in einem Bauelement mit aktiven Gebieten Yi.
  • 6 beschreibt die Verwendung der integrierbaren Elektrode Ci mit Gegenelektrode 20 und
  • 7 beschreibt die Verwendung zweier integrierbarer Elektroden Ci und Cj in einem Logikbauelement.
  • 8 beschreibt die Verwendung mehrerer integrierbarer Elektroden zur Kombination mit unterschiedlichen Funktionen.
  • Wege zur Lösung der Aufgabe
  • 1 zeigt den Aufbau der integrierbaren statischen Elektrode Ci, umfassend einen Oberflächenkontakt S und einen Gegenkontakt O, und zwei Bereiche mit piezo- oder ferroelektrischem Material X1, X2 mit unterschiedlichen strukturellen, elektronischen und/oder Polarisationseigenschaften zwischen den Kontakten S und O. An der Grenzfläche zwischen den piezo- oder ferroelektrischen Materialien X1, X2 bildet sich eine statisch geladene Grenzschicht GCi im Abstand pCi vom Oberflächenkontakt S aus. Der Abstand pCi der statisch geladenen Grenzschicht GCi kann durch Anlegen einer Spannung nichtflüchtig eingestellt oder verschoben werden. Zum Aufbau und zur Integration der integrierbaren Elektrode C kann ein Material außerhalb der Kontakte (1(a)) oder außerhalb und innerhalb der Kontakte (1(b)) eingebracht werden, wobei die Funktionalität der integrierbaren Elektrode C durch das Material 11 nicht beeinflusst wird.
  • Die in 1 gezeigte Anordnung kann auf mehrere piezo- oder ferroelektrische Materialien Xi, Xi+1, mit i > 1 erweitert werden, wobei mindestens eine der Eigenschaften angrenzender Materialien sich unterscheiden muss, damit sich dort jeweils eine statisch geladene Grenzschicht ausbildet.
  • 2 beschreibt den Aufbau der integrierbaren Elektrode CAS im kapazitiven Energiespeicher. Der Aufbau des kapazitiven Energiespeichers ist identisch mit der in 1 beschriebenen integrierbaren Elektrode Ci, wobei die Fläche AAS der statisch geladenen Grenzschicht GCAS der integrierbaren Elektrode Ci sehr groß im Verhältnis zu den angrenzenden Bereichen gewählt wird, damit man ausreichend große Kapazitäten realisieren kann. Die Position der statisch geladenen Grenzschicht GCAS kann durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden S und O verschoben werden.
  • 3 beschreibt den Aufbau einer integrierbaren Elektrode mit drei Bereichen piezo- oder ferroelektrischer Materialien X1, X2 und X3 mit unterschiedlich positionierten statisch geladenen Grenzschichten GCi. Das piezo- oder ferroelektrische Material im Bereich X1 und X3 hat eine größere elektronische Bandlücke als das piezo- oder ferroelektrische Material in dem Bereich X2. Bei diesem Verlauf der elektronischen Bandstruktur und einer Ausdehnung des Bereiches auf der Nanometer-Längenskale wird der Bereich X2 als Quantengraben Q bezeichnet. Die statisch geladenen Grenzschichten GC1 und GC2 können positiv oder negativ geladen sein. Sind beide Grenzschichten GC1 und GC2 gleich geladen, dann werden entgegengesetzt geladene freie Ladungsträger von den Grenzschichten GC1 und GC2 angezogen und am Rand des Quantengrabens Q gesammelt. Gleich geladene freie Ladungsträger werden von den Grenzschichten GC1 und GC2 abgestoßen und in der Mitte des Quantengrabens Q gesammelt. Sind zwei angrenzende statisch geladene Grenzschichten entgegengesetzt geladen, dann driften die freien Ladungsträger zu der jeweils entgegengesetzt geladenen statischen geladenen Grenzschicht und sammeln sich dort. Das dient der Verschiebung des Ladungsschwerpunktes im Quantengraben Q.
  • Die Ausdehnung des Quantengrabens Q wird durch Anlegen einer äußeren Spannung UC12 verändert. Beträgt die Ausdehnung des Quantengrabens Q nur noch wenige Nanometer, sind die elektronischen Zustände für frei Ladungsträger im Quantengraben Q diskret. Mit abnehmender Quantengrabendicke (3(a) bis 3(c)) nimmt der energetische Abstand der diskreten elektronischen Zustände im Quantengraben Q zu und die Zahl der diskreten elektronischen Zustände im Quantengraben Q ab. Das kann zur elektrischen Kontrolle des Quantenconfinements von freien Ladungsträgern in einem Quantengraben Q genutzt werden.
  • Hat das piezo- oder ferroelektrische Material im Bereich X2 eine größere elektronische Bandlücke als das piezo- oder ferroelektrische Material in den Bereichen X1 und X3, dann wird der Bereich X2 als Tunnelbarriere T bezeichnet. Sind beide Grenzschichten GC1 und GC2 gleich geladen, dann werden entgegengesetzt geladene freie Ladungsträger von den Grenzschichten GC1 und GC2 angezogen und am Rand der Tunnelbarriere T gesammelt. Gleich geladene freie Ladungsträger werden von den Grenzschichten GC1 und GC2 abgestoßen und außerhalb der Tunnelbarriere T gesammelt. Sind zwei angrenzende statisch geladene Grenzschichten entgegengesetzt geladen, dann driften die freien Ladungsträger zu der jeweils entgegengesetzt geladenen statischen geladenen Grenzschicht und sammeln sich dort. Das dient der Verschiebung des Ladungsschwerpunktes außerhalb der Tunnelbarriere T.
  • Mit abnehmender Tunnelbarrierendicke nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass freie Ladungsträger durch die Tunnelbarriere T tunneln können. Das kann zur elektrischen Kontrolle des Tunneleffektes von freien Ladungsträgern durch eine Tunnelbarriere T genutzt werden.
  • 4 beschreibt die Verwendung der integrierbaren Elektrode Ci mit Gegenelektrode 20 in einem Bauelement mit aktiven Gebiet Y. Die integrierbare Elektrode Ci und die Gegenelektrode 20 grenzen an unterschiedlichen Stellen des aktiven Gebietes Y an und berühren sich nicht. In dem Bereich Z zwischen der integrierbaren Elektrode Ci und der Gegenelektrode 20 bildet sich ein elektrisches Feld aus. Durch Anlegen einer äußeren Spannung Uc wird die statisch geladene Grenzschicht GCi in der integrierbaren Elektrode Ci und der Bereich Z im aktiven Gebiet Y verschoben.
  • 5 beschreibt die Verwendung (a) einer integrierbaren Elektrode Ci mit Gegenelektrode 20 und (b) zweier integrierbarer Elektroden Ci und Cj in einem Bauelement mit aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3. An jedes aktive Gebiet Y1, Y2 und Y3 grenzen die integrierbaren Elektroden Ci und Cj 5(a) oder die integrierbare Elektrode Ci und die Gegenelektrode 20 5(b) an unterschiedlichen Stellen, ohne sich dabei direkt zu berühren. Im Bereich Z in den aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3 zwischen der statisch geladenen Grenzschicht GCi und der Gegenelektrode 20 (5(a)) oder im Bereich Zij aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3 zwischen den statisch geladenen Grenzschichten GCi und GCj bildet sich ein elektrisches Feld aus. Durch Anlegen einer äußeren Spannung wird der Bereich Z, Zij verschoben.
  • Sind die aktiven Gebiete Y1, Y2 und Y3 Absorbermaterialien zur Absorption elektromagnetischer Wellen 22, dann kann die Anordnung in als Photobauelement verwendet werden.
  • Sind die aktiven Gebiete Y1, Y2 und Y3 Absorbermaterialien zur Absorption geladener und ungeladener Teilchen 22, dann kann die Anordnung in als Teilchendetektor verwendet werden.
  • 6 beschreibt die Verwendung der integrierbaren Elektrode C1 mit den aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3 und mit Gegenelektrode 20 in einem Logikbauelement, wobei an das aktive Gebiet Y1 eine Source-Elektrode GS und eine Drain-Elektrode GD angeschlossen ist und die integrierbare Elektrode C1 und die Gegenelektrode 20 als Steuerelektrode verwendet werden. Beim Anlegen einer Spannung USD zwischen der Source-Elektrode GS und der Drain-Elektrode GD, wird die Ausdehnung des elektrischen Feldes zwischen der Source-Elektrode GS und der Drain-Elektrode GD durch das nichtflüchtig eingestellte elektrische Feld im Bereich Z zwischen der integrierbaren Elektrode C1 und der Gegenelektrode 20 gesteuert.
  • 7 beschreibt die Verwendung der integrierbaren Elektroden Ci und Cj mit den aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3 in einem Logikbauelement, wobei an das aktive Gebiet Y1 eine Source-Elektrode GS und eine Drain-Elektrode GD angeschlossen ist und die integrierbaren Elektroden Ci und Cj als Steuerelektrode verwendet werden. Beim Anlegen einer Spannung USD zwischen der Source-Elektrode GS und der Drain-Elektrode GD, wird die Ausdehnung des elektrischen Feldes zwischen der Source-Elektrode GS und der Drain-Elektrode GD durch das nichtflüchtig eingestellte elektrische Feld im Bereich Zij zwischen den integrierbaren Elektroden Ci und Cj gesteuert.
  • 8 beschreibt die Verwendung mehrerer integrierbarer Elektroden in Kombination. Gezeigt wird die Verwendung der integrierbaren Elektrode C mit Gegenelektrode 20 und angrenzenden aktiven Gebieten Y1, Y2 und Y3 zur Absorption elektromagnetischer Wellen 22 und/oder zur Absorption geladener und ungeladener Teilchen, die Verwendung eines kapazitiven Energiespeichers CAS in Kombination mit einem Lastwiderstand R1 gezeigt.
  • Ausführungsbeispiele
  • Photobauelement mit integrierbarer Elektrode
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann als Photobauelement mit integrierbarer Elektrode und statisch geladener Grenzschicht verwendet werden, deren Position durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Oberflächenkontakt und dem Gegenkontakt der integrierbaren Elektrode nichtflüchtig verändert wird. Die geladene Grenzschicht kann als Anode oder Katode einer Fotodiode genutzt werden, wenn zusätzlich in den piezo- oder ferroelektrischen Bereich, außerhalb des Bereichs zwischen Oberflächenkontakt und zugehörigem Gegenkontakt, eine Katode bzw. Anode eingebracht bzw. angebracht wird, die idealerweise in einem Abstand senkrecht zur geladenen Grenzschicht an einem lichtabsorbierenden Bereich, der aus unterschiedlichen lichtabsorbierenden Materialien bestehen kann, eingebracht bzw. angebracht ist. Das Photoelement kann als Photodetektor mit beliebig positionierbarer geladener Grenzschicht genutzt werden, wobei dadurch der Photostrom im lichtabsorbierenden Bereich moduliert werden kann. Aussagen über die spektrale Zusammensetzung des einfallenden Licht können durch die Anordnung mehrerer Gegenelektroden und gleichzeitiger Verwendung unterschiedlicher Absorbermaterialien gemacht werden. Das Photobauelement kann als Solarzelle mit beliebig gestaltbaren elektrischen Feldverteilungen im Absorbermaterial verwendet werden. Ein Hauptvorteil ist, dass das Absorbermaterial in dieser Solarzelle ohne die bisher notwendigen intrinsischen elektrischen Feldern auskommt und nicht durch Kontaktelektroden abgeschattet wird. Dadurch werden größere Photoströme zwischen der integrierbaren statisch geladener Elektrode und Gegenelektrode generiert. Möglich ist bei der Verwendung der Anordnung Solarzelle, verschiedene Absorbermaterialien wie in einer Tandem-Solarzelle anzuordnen. Ein Hauptvorteil ist, dass die in einem Absorbermaterial photogenerierten Ladungsträger durch die schaltbare Verteilung des elektrischen Feldes nicht notwendigerweise in ein anderes benachbartes Absorbermaterial der Tandem-Solarzelle driften und dass dadurch die Rekombinationswahrscheinlichkeit für photogenerierte Ladungsträger auf dem Weg zwischen Anode und Katode reduziert wird.
  • Kapazitiver Energiespeicher
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann als nichtflüchtiger kapazitiver Energiespeicher eingesetzt werden. Die Realisierung erfolgt nach heutigem Stand der Technik vorzugsweise als integrierbare Elektrode mit statisch geladener Grenzschicht mit großer Fläche, wobei die Position der geladenen Grenzschicht beim Be- und Entladen des kapazitiven Energiespeichers nichtflüchtig verschoben wird. Die kapazitiv gespeicherte Energie (0,5 × Kapazität × Spannung × Spannung) beträgt in integrierbaren Elektroden Ci mit dem ferroelektrischen Material BiFeO3 in zwei verschiedenen Phasen ungefähr 8 J/cm2. Für Nanomotoren und anderen Lab-on-the-Chip-Anwendungen werden Energien in der Größenordnung von wenigen nJ/cm2 benötigt. Die kapazitiv gespeicherte Energie hängt besonders von den Polarisationseigenschaften, hier der Polarisationsladung angrenzender piezo- oder ferroelektrischer Materialien Xi, Xi+1 ab. Der Unterschied in der Polarisationsladung beträgt maximal einige 100 μC/cm2 und es sind maximal kapazitiv speicherbare Energiedichten von einigen 100 μJ/cm2 erreichbar. Die wirksame Fläche (foot print) kann jedoch durch Nanostrukturierung oder durch Roll-up-Verfahren bis zu 100 bis 1000 verkleinert werden, so dass kapazitiv speicherbare Energiedichten von 104 bis 107 μC/cm2 denkbar sind.
  • Ein Hauptvorteil ist, dass die erfindungsgemäße Anordnung als Solarzelle mit der erfindungsgemäßen Anordnung als kapazitiver Energiespeicher kombiniert ausgeführt werden kann. Dadurch wird die Erzeugung und Speicherung von Energie auf Schaltkreisen kostengünstiger und energieeffizienter.
  • Bezugszeichenliste
    • S, O
    Oberflächenkontakt und zugehöriger Gegenkontakt
    d
    Gesamtdicke der piezo- oder ferroelektrischen Materialien zwischen S und O
    C, Ci, Cj
    integrierbare Elektrode
    GCi
    statisch geladene Grenzschicht in der integrierbaren Elektrode Ci
    GCi
    statisch geladene Grenzschicht in der integrierbaren Elektrode Ci
    pCi
    Position der statisch geladenen Grenzschicht GCi in der integrierbaren Elektrode Ci zwischen den Kontakten S und O
    17
    Substrat
    20
    Gegenelektrode zur integrierbaren Elektrode C
    11
    Material in und/oder außerhalb der integrierbaren Elektrode C zum Aufbau und zur Integration der integrierbaren Elektrode C, wobei die Funktionalität der integrierbaren Elektrode C durch das Material 11 nicht beeinflusst wird
    X, Xi
    Bereiche aus piezo- oder ferroelektrischem Material mit unterschiedlichen strukturellen, elektronischen und/oder Polarisationseigenschaften
    Y, Yi
    aktives Gebiet eines Halbleiterbauelementes
    AY, VY
    Ober-/Unterfläche und Volumen des aktiven Gebietes Y
    22
    elektromagnetische Wellen, Teilchen
    Uci
    von außen angelegte Spannung zur Positionierung der statisch geladenen Grenzschicht GCi in der integrierbaren Elektrode Ci
    Qi, Ti
    elektrisch schaltbare Quantengräben Q und Tunnelbarrieren T
    Zi
    Bereich zwischen der statisch geladenen Grenzschicht GCi in der integrierbaren Elektrode Ci und der zugehörigen Gegenelektrode 20, in dem sich ein elektrisches Feld ausbildet
    Zij
    Bereich zwischen der statisch geladenen Grenzschicht GCi in der integrierbaren Elektrode Ci und der zugehörigen statisch geladenen Grenzschicht GCi in der integrierbaren Gegenelektrode Cj, in dem sich ein elektrisches Feld ausbildet
    IP
    Strom der durch die Absorption von elektromagnetischen Wellen 22 im Absorbermaterial Yi im Photobauelement erzeugten, freien Ladungsträger, die in Zi oder Zij getrennt werden und die zugehörigen Elektroden C, Ci, Cj, 20 erreichen oder Strom, der durch die eingefangenen Teilchen 22 im Teilchendetektor erzeugt wird
    GS
    Source-Elektrode
    GD
    Drain-Elektrode
    USD
    Spannung zwischen Source-Elektrode GS und Drain-Elektrode GD
    RL
    Lastwiderstand
    AS
    kapazitiver Energiespeicher
    CAS
    integrierbare Elektrode im kapazitiven Energiespeicher AS
    GCAS
    statisch geladene Grenzschicht in der integrierbaren Elektrode CAS
    AAS
    Fläche der statisch geladenen Grenzschicht GCAS des kapazitiven Energiespeichers AS
    pAS
    Position der statisch geladenen Grenzschicht GCAS

Claims (8)

  1. Integrierbare Elektrode (Ci), umfassend einen Oberflächenkontakt (S), einen zugehörigen Gegenkontakt (O) und mindestens zwei Bereiche mit piezo- oder ferroelektrischem Material (Xi , Xi+1) zwischen den Kontakten (S) und (O), a. wobei sich die strukturellen, elektronischen und/oder Polarisationseigenschaften angrenzender piezo- oder ferroelektrischer Materialen (Xi, Xi+1) unterscheiden, und b. wobei die Bereiche mit piezo- oder ferroelektrischem Material (Xi, Xi+1) in Reihe zwischen den beiden Kontakten (S) und (O) angeordnet sind, und c. wobei sich an den Grenzflächen zwischen den piezo- oder ferroelektrischen Materialien (Xi, Xi+1) jeweils eine statisch geladene Grenzschicht (GCi) im Abstand (pCi) vom Oberflächenkontakt (S) ausbildet, und d. wobei der Abstand (pCi) der statisch geladenen Grenzschicht (GCi) durch Anlegen einer Spannung nichtflüchtig eingestellt oder verschoben werden kann.
  2. Integrierbare Elektrode (Ci) nach Anspruch 1 mit drei Bereichen piezo- oder ferroelektrischer Materialen (X1, X2 und X3) zwischen den Kontakten (S) und (O), wobei die elektronischen Eigenschaften des piezo- oder ferroelektrischen Materials (X2), das zwischen (X1) und (X3) angeordnet ist, sich derart von den elektronischen Eigenschaften der Materials (X1) und (X3) unterscheidet, dass die Bandlücke des Materials (X2) kleiner als die Bandlücke der Materialien (X1) und (X3) ist oder die Bandlücke des Materials (X2) größer als die Bandlücke der Materialien (X1) und (X3) ist.
  3. Integrierbare Elektrode (Ci) nach Anspruch 1, wobei die Fläche (AAS) der statisch geladenen Grenzschicht (GCAS) möglichst groß gewählt ist.
  4. Halbleiterbauelement mit mindestens einer integrierbaren Elektrode (Ci) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem aktivem Gebiet (Y, Yi) und mindestens einer Gegenelektrode (20) oder einer Gegenelektrode (Ci) mit mindestens einer statisch geladenen Grenzschicht, wobei an jedes aktive Gebiet (Y, Yi) mindestens zwei Elektroden Ci(i), 20(i), Cj(i)) an unterschiedlichen Stellen angrenzen ohne sich dabei direkt zu berühren und sich im Bereich (Zi) zwischen der integrierbaren Elektrode (Ci(i)) und der zugehörigen Gegenelektrode (20(i), Cj(i)) ein elektrisches Feld ausbildet.
  5. Photobauelement mit mindestens einer integrierbaren Elektrode (Ci) gemäß dem Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei das aktive Gebiet (Y, Yi) ein Absorbermaterial zur Absorption elektromagnetischer Wellen ist.
  6. Teilchendetektor mit mindestens einer integrierbaren Elektrode (Ci) gemäß dem Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei das aktive Gebiet (Y, Yi) ein Absorbermaterial zur Absorption geladener und ungeladener Teilchen ist.
  7. Logikbauelement mit mindestens einer integrierbaren Elektrode (Ci) gemäß dem Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei an das aktive Gebiet (Y, Yi) eine Source-Elektrode (GS) und eine Drain-Elektrode (GD) angeschlossen ist und mindestens eine der Elektroden (Ci(i), 20(i), Cj(i)) als Steuerelektrode verwendet wird und das aktive Gebiet (Y, Yi) den leitenden Kanal des Logikbauelementes bildet.
  8. Halbleiterbauelement, umfassend eine Kombination mindestens zweier Anordnungen gemäß der Ansprüche 5 bis 7 und 3, wobei jede der integrierbaren Elektroden unterschiedliche Aufgaben, Detektion von elektromagnetischen Wellen, Detektion von Teilchen, nichtflüchtige kapazitive Energiespeicherung, Energieerzeugung und/oder Energienutzung, erfüllt.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060239060A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor memory device and method for operating the same

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices. In: Nature Nanotechnology, Bd. 5, 143 - 147. *
Light-induced size changes in BiFeO3 crystals. In: Nature Materials, 2010, 803 - 805. *
Switchable ferroelectric diode and photovoltaic effect in BiFeO3. In: Science, 2009, 63 - 66. *
Tip-enhanced photovoltaic effects in bismuth ferrite. In: Nature Communications, Bd. 2, 256/1 - 256/5. *

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