DE102020116068A1 - Transparente Resonante Tunneldiode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine resonante Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16),wobei die Metallschicht (14) auf dem Substrat (12) aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht (16) auf der Metallschicht (14) aufgebracht ist,und wobei die Metallschicht (14) und die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweisen.Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer resonanten Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16), umfassend die Schritte:a) Bereitstellen des Substrates (12),b) Beschichten des bereitgestellten Substrates (12) mit der Metallschicht (14) mittels direkten Sputterns derart, dass die Metallschicht (12) eine amorphe Struktur aufweist,c) Beschichten der Metallschicht (14) mit der Übergangsmetalloxidschicht (16) mittels reaktiven Sputterns derart, dass die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine resonante Tunneldiode umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Metallschicht und eine Übergangsmetalloxidschicht.
• Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der resonanten Tunneldiode.
• Eine Tunneldiode ist ein Halbleiterbauelement, das aufgrund des quantenmechanischen Effektes des Tunnelns eine Strom-Spannungscharakteristik zeigt, die in einem Bereich einen negativen differentiellen Widerstand aufweist. In diesem Bereich führt eine Erhöhung der Spannung nicht wie für gewöhnliche Dioden üblich zu einer Erhöhung der Stromstärke, sondern zu einem Absinken der Stromstärke.
• Eine resonante Tunneldiode ermöglicht dieses Verhalten, indem die Potentialverteilung der resonanten Tunneldiode mehrere Potentialbarrieren aufweist, welche von den Elektroden durchtunnelt werden müssen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns ist abhängig vom Niveau des quantisierten Energiezustandes zwischen den Tunnelbarrieren, wodurch sich der negative differenzielle Widerstand ergibt.
• In der Regel weisen resonante Tunneldioden einen komplexen Aufbau mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf. Einige Tunneldioden werden aus einer n-dotierten Germanium- oder Galliumarsenid-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus Indium einlegiert wird. Aufgrund des komplexen Schichtaufbaues ist auch die Herstellung von resonanten Tunneldioden aufwändig.
• Das Patent US 10 600 961 B2 beschreibt eine auf Vanadiumdioxid (VO₂) basierende Schwellwertschaltvorrichtung, die einen stromgesteuerten negativen differenziellen Widerstand aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren für die Schwellwertschaltvorrichtung.
• Das Patent US 6,534,784 B2 beschreibt eine Elektronen-Tunneling-Vorrichtung, wobei zum Transport von Elektronen zwischen zwei nicht isolierenden Schichten zwei voneinander unterschiedliche Metalloxidschichten zwischen den zwei nicht isolierenden Schichten ausgebildet sind.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine resonante Tunneldiode bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, durch welches ohne großen Aufwand eine resonante Tunneldiode hergestellt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Erfindungsgemäß wird somit eine resonante Tunneldiode umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Metallschicht und eine Übergangsmetalloxidschicht bereitgestellt, wobei die Metallschicht auf dem Substrat aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht auf der Metallschicht aufgebracht ist, und wobei die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweisen.
• Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer resonanten Tunneldiode umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Metallschicht und eine Übergangsmetalloxidschicht bereitgestellt, umfassend die Schritte:
1. a) Bereitstellen des Substrates,
2. b) Beschichten des bereitgestellten Substrates mit der Metallschicht mittels direkten Sputterns derart, dass die Metallschicht eine amorphe Struktur aufweist,
3. c) Beschichten der Metallschicht mit der Übergangsmetalloxidschicht mittels reaktiven Sputterns derart, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweist.
• Ein Kernaspekt der Erfindung ist, dass die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweisen. Resonante Tunneldioden weisen in der Regel komplexe Strukturen mit wenigstens drei Schichten auf, die auf dem Substrat aufgebracht sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind allerdings lediglich zwei Schichten, nämlich die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht, auf dem Substrat aufgebracht. Dadurch dass die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht in ihrer Struktur amorph sind, gelingt es der vorliegenden Erfindung mit lediglich zwei Schichten, die auf dem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht sind, eine Strom-Spannungscharakteristik einer resonanten Tunneldiode zu zeigen. Der Aufbau der resonanten Tunneldiode ist somit stark vereinfacht, so dass auch die Herstellung der resonanten Tunneldiode weniger aufwändig ist.
• Unter einer Schicht wird vorliegend ein dreidimensionales Objekt verstanden, dessen Ausdehnung in einer zweidimensionalen Fläche um ein Vielfaches größer ist als seine Ausdehnung senkrecht dazu. Im Gegensatz zu der Übergangsmetalloxidschicht, bei der die Übergangsmetallatome oxidiert sind, liegen die Metallatome in der Metallschicht bevorzugt im Oxidationszustand Null vor. Somit zeigt die Metallschicht bevorzugt metallische Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Unter einem Übergangsmetalloxid wird eine Verbindung eines Übergangsmetalls mit Sauerstoff verstanden.
• Vorliegend wird unter einer resonanten Tunneldiode ein Halbleiterbauteil verstanden, dessen Strom-Spannungscharakteristik wenigstens einen Bereich mit einem negativen differenziellen Widerstand aufweist.
• Die resonante Tunneldiode umfasst also das elektrisch isolierende Substrat, die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht. Das Substrat stellt bevorzugt wenigstens eine zweidimensionale Fläche bereit, auf die die Metallschicht und Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht sind. Die zweidimensionale Fläche kann eine ebene Fläche sein oder auch gekrümmt. Die Metallschicht ist bevorzugt derart auf das Substrat aufgebracht, dass das Substrat flächig von der Metallschicht bedeckt ist. Auf der Metallschicht ist die Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht. Bevorzugt ist auch die Übergangsmetalloxidschicht derart auf der Metallschicht aufgebracht, dass die Metallschicht flächig von der Übergangsmetalloxidschicht bedeckt ist. In anderen Worten weist die resonante Tunneldiode also einen Aufbau auf, bei dem sich zwischen dem elektrisch isolierenden Substrat und der Übergangsmetalloxidschicht die Metallschicht befindet. Bevorzugt liegen zwischen dem Substrat und der Übergangsmetalloxidschicht außer der Metallschicht keine weiteren Schichten.
• Wie bereits erwähnt, weisen die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur auf. Dies bedeutet, dass die Atome in der Metallschicht und die Atome in der Übergangsmetalloxidschicht keine Fernordnung, insbesondere keine Translationssymmetrie wie in einer kristallinen Schicht, aufweisen. Bevorzugt lässt sich mittels Transmissionselektronenmikroskopie, und/oder Röntgen-Diffraktometrie unter streifendem Einfall der Strukturzustand der Metallschicht und/oder der Übergangsmetalloxidschicht ermitteln.
• Die erfindungsgemäße resonante Tunneldiode eignet sich besonders zur Anwendung in selbstabstimmbaren Schaltern, Hochgeschwindigkeitsoszillatoren, Speicherzellen und/oder Logikschaltungen.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung beträgt eine Schichtdicke der Metallschicht zwischen 10 nm und 25 nm und/oder eine Schichtdicke der Übergangsmetalloxidschicht zwischen 15 nm und 50 nm. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der Metallschicht 20 nm +/- 2 nm und die Schichtdicke der Übergangsmetalloxidschicht 40 nm +/- 2 nm. Die Schichtdicke ist bevorzugt die Ausdehnung der Schicht parallel zur Flächennormalen der vom Substrat bereitstellten zweidimensionalen Fläche. Derart dünne Schichten haben den Vorteil, dass die resonante Tunneldiode besonders gut miniaturisierbar ist. Weiterhin wird zur Herstellung der resonanten Tunneldiode nur sehr wenig Material benötig.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein optischer Transmissionsgrad durch die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht senkrecht zu den Schichten > 50 % beträgt. Der optische Transmissionsgrad ist eine Größe für die Durchlässigkeit der Metallschicht und der Übergangsmetalloxidschicht für Lichtwellen und gibt an, wie groß die Intensität der Lichtwelle nach Durchlaufen der beiden Schichten im Vergleich zur Ausgangsintensität der Lichtwelle ist. Bevorzugt beträgt die optische Transmission für Licht mit Wellenlänge zwischen 420 nm und 750 nm > 50 %, besonders bevorzugt ≥ 55 %. Bevorzugt kann durch Variation der Schichtdicke der Metallschicht, der Übergangsmetalloxidschicht und/oder des Oxidationszustandes des Übergangsmetalls die optische Transmission für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 420 nm bis 750 nm über 55 % hinaus gesteigert werden. Die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht sind für das menschliche Auge also transparent. Somit hat die resonante Tunneldiode den Vorteil, dass sie als Bauelement in photonischen Systemen, bei denen optische Verfahren und Technologien zum Übertragen, Speichern und Verarbeiten von Informationen verwendet werden, eingesetzt werden kann. Insbesondere eignet sich die resonante Tunneldiode als Bauelement bei optischen neuronalen Netzwerken, bei denen mit optischen Schaltungen neuronale Netzwerke realisiert werden. Somit eignet sich die transparente, resonanten Tunneldiode besonders für transparente selbst-tunende Schalter, Hochgeschwindigkeits-Oszillatoren, Speicherzellen und/oder logische Schaltkreise in Displays, optischen Kommunikationssystemen, Smart Windows und/oder Smart Glas. Für derartige Anwendungen sind optisch transparente Schalter essenziell.
• Hinsichtlich der Metallschicht und der Übergangsmetalloxidschicht können grundsätzlich unterschiedliche Metalle und Übergangsmetalloxide verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht und/oder die Übergangsmetalloxidschicht eine Vanadium(V)-Oxidschicht ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei diesen Materialien der beschriebene Schichtaufbau schon bei Raumtemperatur eine Strom-Spannungscharakteristik einer resonanten Tunneldiode zeigt. Bei Vanadium(V)-Oxid, das auch als Vanadiumpentoxid bezeichnet wird, handelt es sich um eine stabile Vanadium-Sauerstoff-Verbindung mit der Verhältnisformel V₂O₅. Aufgrund der Stabilität des Materials ist die resonante Tunneldiode nicht anfällig für Oxidation und somit sehr robust und langlebig. Weiterhin ist es auch nicht notwendig die Vanadium(V)-Oxidschicht mit einer weiteren Schicht vor Umwelteinflüssen zu schützen, so dass der Aufbau der resonanten Tunneldiode sehr einfach ist. Die Schicht aus dem Übergangsmetalloxid V₂O₅ kann geringe Anteile an Eigenoxid-Verunreinigungen umfassen. Die minoren Oxidationszustände können VO₂, V₂O₃ oder andere typische Vanadium enthaltende Oxidphasen sein. Weiterhin kann eine Reinheit des V₂O₅ in der Vanadium(V)-Oxidschicht zwischen 90 % bis größer 99 % variieren.
• Alternativ oder zusätzlich zu Aluminium als Metallschicht kann die Metallschicht aus Kombinationen oder Kompositen der folgenden Elemente oder Verbindungen bestehen: Pt, Pd, Cu, Ni, Mo, Ta, W und/oder Si. Weiterhin können als Materialien für die Metallschicht TiN, TaN und/oder WN verwendet werden. Obwohl das Metall in diesen Nitridverbindungen nicht im Oxidationszustand Null vorliegt, weisen diese Werkstoffe metallische Eigenschaften auf und sind somit als Material für die Metallschicht geeignet.
• Wie bereits erwähnt handelt es sich beim Substrat um ein elektrisch isolierendes, sprich ein nicht elektrisch leitendes Substrat. Dies bedeutet bevorzugt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Substrates kleiner als 10^-8 S cm^-1 ist. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Substrat optisch transparent ist und/oder das Substrat aus Glas und/oder einem Polymer ist. Durch Wahl eines optisch transparenten Substrates ist die resonante Tunneldiode optisch transparent. Bevorzugt weist die resonante Tunneldiode eine optische Transmission von > 50 % auf, wobei die optische Transmission besonders bevorzugt senkrecht zu den Schichten, sprich parallel zur Flächennormalen der vom Substrat bereitgestellten zweidimensionalen Fläche, bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 750 nm > 50 % beträgt. Dies hat den Vorteil, dass die resonante Tunneldiode in Situationen, bei denen durch die Bauteile möglichst wenig Licht absorbiert werden soll, wie beispielsweise in photonischen Systemen oder in Solarzellen, eingesetzt werden kann. Glas hat den Vorteil, dass es einfach verfügbar und robust ist. Polymere haben den Vorteil, dass sie günstig sind. Weiterhin können Polymere flexibel sein, wodurch die zweidimensionale Fläche des Substrates, besonders einfach gekrümmt sein kann. Bevorzugt ist das Substrat aus Quarzglas oder aus dem Polymer Polyimid.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die resonante Tunneldiode zwei Elektroden, wobei die Elektroden in einem Abstand zueinander auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Kontaktierung der resonanten Tunneldiode. Die Elektroden können grundsätzlich aus jedem elektrisch gut leitenden Material bestehen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Elektroden aus Gold, Silber, Platin, Kupfer, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder OFHC Kupfer oder aus Legierungen und/oder Komposite aus diesen Materialien sind. OFHC Kupfer ist eine Legierung aus Kupfer, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und bevorzugt einen Sauerstoffanteil unter 0,001 % hat. Besonders bevorzugt sind die Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid, da dieses Material den Vorteil aufweist, dass damit optisch transparente Elektroden zur Verfügung gestellt werden können. Derart kann die optische Transmission der resonanten Tunneldiode und/oder der Metallschicht und Übergansmetalloxidschicht aufrechterhalten werden. Besonders bevorzugt sind die Elektroden mittels eines lithographischen Verfahrens auf die Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht, wobei ein flächiger, physikalischer Kontakt zwischen der Übergangsmetalloxidschicht und der Elektrode besteht. Alternativ können die Elektroden als Mess-Spitzen mit der Übergangsmetalloxidschicht in physikalischen Kontakt gebracht werden. Die Formulierung, dass die Elektroden voneinander beabstandet sind, bedeutet vorliegend bevorzugt, dass sich die beiden Elektroden nicht in physikalischem Kontakt zueinander auf der Übergansmetalloxidschicht befinden. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen den Elektroden wenige Nanometer bis mehrere Centimeter betragen.
• In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden die resonante Tunneldiode bei Raumtemperatur eine Strom-Spannungscharakteristik mit wenigstens einem negativen differentiellen Widerstand aufweist. Dies bedeutet, dass bei grafischer Auftragung der Stromstärke gegen die Spannung die Strom-Spannungscharakteristik wenigstens einen Bereich aufweist, bei dem die Stromstärke trotz größer werdender Spannung geringer wird. Raumtemperatur bedeutet in diesem Sinne eine Temperatur zwischen 0 °C und 40 °C.
• Weitere technische Effekte und Vorteile der resonanten Tunneldiode ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen der resonanten Tunneldiode, sowie aus der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen und den Figuren.
• Wie bereits erwähnt, sieht das Verfahren vor, dass die Metallschicht mittels direkten Sputterns und die Übergangsmetalloxidschicht mittels reaktiven Sputterns aufgebracht werden. Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein Beschichtungsverfahren bei dem eine Materialquelle durch Beschuss mit energiereichen Ionen in die Gasphase überführt wird, sprich zerstäubt wird, um sich anschließend als Schicht auf dem Substrat abzusetzen. Bevorzugt wird in einer Vakuumkammer durch Anlegen einer Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode ein Plasma gezündet. Die vorwiegend im Kathodenfall beschleunigten Ionen können durch ihre hohe kinetische Energie beim Aufprall auf die Materialquelle Atome aus der Oberfläche der Materialquelle herausschlagen und die Materialquelle derart zerstäuben. Um reaktives Sputtern handelt es sich, wenn einem inerten Arbeitsgas ein oder mehrere reaktive Gase, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff zugesetzt sind. Die reaktiven Gase reagieren mit der zerstäubten Materialquelle und bilden neue Materialien, die sich anschließend auf dem Substrat als Schicht absetzten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem ersten Schritt vor, dass das elektrisch isolierende Substrat bereitgestellt wird. In einem weiteren Schritt wird mittels direkten Sputterns die Metallschicht aufgebracht. Die Metallschicht wird derart auf dem Substrat aufgebracht, dass sich eine amorphe Struktur der Metallschicht ausbildet. In einem weiteren Schritt wird die Übergangsmetalloxidschicht auf der Metallschicht mittels reaktiven Sputterns aufgebracht. Auch die Übergangsmetalloxidschicht wird derart auf der Metallschicht aufgebracht, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweist. Das Verfahren ermöglicht somit auf einfache und robuste Weise, den Schichtaufbau der resonanten Tunneldiode zu erzeugen.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt b) und/oder Schritt c) bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Dies ermöglicht besonders einfach die amorphe Struktur der Metallschicht und/oder der Übergangsmetalloxidschicht zu erzeugen. Ebenfalls führt dies dazu, dass das Verfahren besonders einfach durchzuführen ist, da beim Beschichten weder geheizt noch gekühlt werden muss. Raumtemperatur bedeutet in diesem Sinne eine Temperatur zwischen 0 °C und 40 °C.
• In Zusammenhang mit der amorphen Struktur der Metallschicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht ist und in Schritt b) in einem inerten Arbeitsgas unter einer angelegten Leistung von 15 W bis 30 W aufgetragen wird. Bevorzugt handelt es sich beim inerten Arbeitsgas um Argon in einer Reinheit von 99,998 %. Weiter bevorzugt beträgt die angelegte Leistung 25 W +/- 3 W. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Bedingungen, besonders gut und zuverlässig eine amorphe Aluminiumschicht auf dem Substrat erzeugen lässt. Weiter bevorzugt lässt sich die Schichtdicke über eine Dauer des Beschichtungsprozesses steuern.
• In Zusammenhang mit der amorphen Struktur der Übergangsmetalloxidschicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine Vanadium(V)-Oxidschicht ist und in Schritt c) ein Sauerstoffanteil in einem inerten Arbeitsgas zwischen 33 %V/V und 67 %V/V beträgt und/oder die Vanadium(V)-Oxidschicht bei einer angelegten Leistung zwischen 35 W bis 45 W auf die Metallschicht aufgetragen wird. Wie in Schritt b) handelt es sich beim inerten Arbeitsgas bevorzugt um Argon. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Sauerstoff-Anteil von bevorzugt 35 %V/V und der Leistung von 35 W bis 40 W besonders gut und zuverlässig eine amorphe Vanadium(V)-Oxidschicht auf der Metallschicht und besonders bevorzugt auf der Aluminiumschicht erzeugen lässt.
• Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass Schritt b), sprich das Beschichten des Substrates mit der Metallschicht und Schritt c), sprich das Beschichten der Metallschicht mit der Übergansmetalloxidschicht zeitlich direkt nacheinander erfolgt, ohne dass die auf dem Substrat aufgebrachte Metallschicht zwischenzeitlich einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.
• Hinsichtlich der Kontaktierung der Übergangsmetalloxidschicht mit den Elektroden ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst:
1. d) Lithographisches Aufbringen zweier zueinander beabstandeter Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht.
• In anderen Worten werden die Elektroden also bevorzugt mittels des lithographischen Verfahrens auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht. Bevorzugt umfasst dies ein Erzeugen einer lithographischen Maske umfassend offene Maskenbereiche auf der Übergangsmetalloxidschicht. Weiter bevorzugt wird die lithographische Maske erzeugt, indem ein lichtempfindlicher Fotolack auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht wird und mit Hilfe eines Belichtungsprozesses ein Bild der lithographischen Maske auf den lichtempfindlichen Fotolack übertragen wird. In einem weiteren Schritt werden bevorzugt die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst oder alternativ die unbelichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst, um derart die lithographische Maske zu erzeugen. Anschließend wird bevorzugt Elektrodenmaterial in die offenen Maskenbereiche der lithographischen Maske eingebracht, um die Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht aufzubringen.
• Weitere technische Effekte und Vorteile des Verfahrens erschließen sich für den Fachmann aus der Beschreibung der resonanten Tunneldiode, sowie aus der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen und den Figuren.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail beschreiben.
• In den Zeichnungen zeigt
• 1 eine schematische Darstellung in zwei Ansichten einer transparenten resonanten Tunneldiode gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
• 2 eine Strom-Spannungscharakteristik der transparenten resonanten Tunneldiode aus 1 bei einer Schichtwiderstandsmessung.
• In 1a) ist schematisch eine Explosionsdarstellung und in 1b) schematisch eine Schnittdarstellung einer transparenten resonanten Tunneldiode 10, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ersichtlich. Die resonante Tunneldiode 10 umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat 12, eine Metallschicht 14 und eine Übergangsmetalloxidschicht 16. Vorliegend ist das Substrat 12 ein Glassubstrat 12, die Metallschicht 14 eine Aluminiumschicht 14 und die Übergangsmetalloxidschicht 16 eine Vanadium(V)-Oxidschicht 16 mit Verhältnisformel V₂O₅. Die Metallschicht 14 und die Übergangsmetalloxidschicht 16 sind in ihrer Struktur amorph, sprich die Atome weisen keine Fernordnung auf. Aus 1a) und 1b) ist ersichtlich, dass die Metallschicht 14 flächig auf eine ebene Fläche 18 des Substrates 12 aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht 16 die Metallschicht 14 flächig bedeckt. Im vorliegend bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Schichtdicke 20 der Metallschicht 14 20 nm und eine Schichtdicke 22 der Übergangsmetalloxidschicht 40 nm, wobei die Angaben zu den Schichtdicken 20 und 22 sich jeweils auf eine Ausdehnung senkrecht zur ebenen Fläche 18 bzw. parallel zur Flächennormale der Fläche 18 beziehen.
• Die Metallschicht 14 wurde mit direktem Sputtern und die Übergangsmetalloxidschicht 16 mit reaktivem Sputtern erzeugt, wobei das direkte Sputtern wie auch das reaktive Sputtern bei Raumtemperatur, vorliegend 20 °C, zeitlich direkt hintereinander durchgeführt wurden. Das Beschichten des Substrates 12 mit der Metallschicht 14 wurde in einer inerten Atmosphäre unter Argongas mit einer Reinheit von 99,998 % durchgeführt. Weiterhin wurde zwischen Kathode und Anode eine elektrische Leistung von 25 W angelegt. Beim Beschichten der Metallschicht 14 mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 betrug der Sauerstoffanteil in dem Argongas 33 %V/V. Bei diesem Schritt wurde zwischen Kathode und Anode eine elektrische Leistung von 40 W angelegt, wobei die Metallschicht vor dem Beschichten mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 nicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wurde.
• Ebenfalls ist in 1b) ersichtlich, dass die resonante Tunneldiode 10 optisch transparent ist. Vorliegend weist die resonante Tunneldiode 10 für Licht 24 mit einer Wellenlänge 532 nm eine optische Transmission von 55 % auf. Dies bedeutet, dass eine Intensität It des Lichtes 24 nach Durchlaufen der resonanten Tunneldiode 10 senkrecht zur Fläche 18 noch 55 % der Anfangsintensität I₀ beträgt.
• 2 zeigt eine Strom-Spannungscharakteristik 26 der transparenten resonanten Tunneldiode 10 aus 1 bei einer Schichtwiderstandsmessung. Bei der Schichtwiderstandsmessung wurden zwei Elektroden (nicht gezeigt) als Mess-Spitzen physisch mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 in Kontakt gebracht. Zwischen den Mess-Spitzen der Elektroden betrug ein Abstand 0,5 cm. An die Elektroden wurde eine Spannung angelegt und der zwischen den Elektroden fließende Strom aufgezeichnet. Im Diagramm in 2 ist die angelegte Spannung auf der X-Achse 28 in Volt aufgetragen und der Stromfluss auf der Y-Achse 30 in Milliampere angegeben. Die Strom-Spannungscharakteristik 26 zeigt bei etwa 4,5 bis 5 V einen Bereich mit negativem differentiellen Widerstand 32. In diesem Bereich fällt trotz ansteigender Spannung der Stromfluss ab. Die Strom-Spannungscharakteristik 26 wurde mit einem Messgerät „Semiconductor Characterization system“ (Modell: Keithley SCS - 4200) bei Raumtemperatur (20 °C) ermittelt.
• Bezugszeichenliste

10

transparente resonante Tunneldiode

12

Substrat, Glassubstrat

14

Metallschicht, Aluminiumschicht

16

Übergangsmetalloxidschicht, Vanadium(V)-Oxidschicht

18

Fläche

20

Schichtdicke der Metallschicht

22

Schichtdicke der Übergangsmetalloxidschicht

24

Licht

26

Strom-Spannungscharakteristik

28

X-Achse, angelegte Spannung in Volt

30

Y-Achse, Stromfluss in Milliampere

32

Bereich mit negativem differentiellen Widerstand

I0

Anfangsintensität des Lichtes

It

Intensität des Lichtes nach Transmission

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 10600961 B2 [0006]
• US 6534784 B2 [0007]

Claims (12)

1. Resonante Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16), wobei die Metallschicht (14) auf dem Substrat (12) aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht (16) auf der Metallschicht (14) aufgebracht ist, und wobei die Metallschicht (14) und die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweisen.
2. Resonante Tunneldiode (10) nach Anspruch 1, wobei eine Schichtdicke (20) der Metallschicht (14) zwischen 10 nm und 25 nm beträgt und/oder eine Schichtdicke (22) der Übergangsmetalloxidschicht (16) zwischen 15 nm und 50 nm beträgt.
3. Resonante Tunneldiode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein optischer Transmissionsgrad durch die Metallschicht (14) und die Übergangsmetalloxidschicht (16) senkrecht zu den Schichten (14, 16) > 50 % beträgt.
4. Resonante Tunneldiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (14) eine Schicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium (14), Platin, Palladium, Kupfer, Nickel, Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan Silizium und/oder Mischungen davon ist und/oder die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine Vanadium(V)-Oxidschicht (16) ist.
5. Resonante Tunneldiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12) optisch transparent ist und/oder das Substrat (12) aus Glas und/oder einem Polymer ist.
6. Resonante Tunneldiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zwei Elektroden, wobei die Elektroden in einem Abstand zueinander auf der Übergangsmetalloxidschicht (16) aufgebracht sind.
7. Resonante Tunneldiode (10) nach dem vorherigen Anspruch, wobei bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden die resonante Tunneldiode (10) bei Raumtemperatur eine Strom-Spannungscharakteristik (26) mit wenigstens einem negativen differentiellen Widerstand (32) aufweist.
8. Verfahren zum Herstellen einer resonanten Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des Substrates (12), b) Beschichten des bereitgestellten Substrates (12) mit der Metallschicht (14) mittels direkten Sputterns derart, dass die Metallschicht (12) eine amorphe Struktur aufweist, c) Beschichten der Metallschicht (14) mit der Übergangsmetalloxidschicht (16) mittels reaktiven Sputterns derart, dass die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt b) und/oder Schritt c) bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Metallschicht (14) eine Aluminiumschicht (14) ist und die Aluminiumschicht in Schritt b) in einem inerten Arbeitsgas unter einer angelegten Leistung von 15 W bis 30 W auf das Substrat aufgetragen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine Vanadium(V)-Oxidschicht (16) ist und in Schritt c) ein Sauerstoffanteil in einem inerten Arbeitsgas zwischen 33 %V/V und 65 %V/V O:Arg beträgt und/oder die Vanadium(V)-Oxidschicht (16) bei einer angelegten Leistung zwischen 35 W bis 45 W auf die Metallschicht aufgetragen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend den Schritt: d) Lithographisches Aufbringen zweier zueinander beabstandeter Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht (16).

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