DE1252335B - - Google Patents
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Description
deutsches 4»TSw patentamt Deutsche Kl.: 21 g - 41/00
PATENTSCHRIFT
. Nummer: 1 252 335
Aktenzeichen: J 27382 VIII c/21 g ^ 252 335 Anmeldetag: 22. Januar 1965
Auslegetag: 19. Oktober 1967
Ausgabetag: 2. Mai 1968
Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein
Ausgabetag: 2. Mai 1968
Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein
Die Erfindung betrifft ein elektrisches, nichtlineares Festkörperbauelement mit einem zwischen je zwei
benachbarten Metallelektroden angeordneten dünnen Halbleiterfilm, dessen Dicke einerseits nur so groß ist,
daß die von dem Halbleiterfilm gebildete Potentialschwelle von Elektronen unter dem Einfluß eines eine
kritische Größe übersteigenden elektrischen Feldes durchtunnelt wird, und andererseits so groß ist, daß
bei den angelegten Feldern eine Koronaentladung vermieden wird und mindestens 50 A beträgt.
Die elektronische Industrie ist an der Erzeugung mikrominiaturisierter Schaltungsanordnungen sehr
interessiert, die individuelle Bauelemente, sowohl aktive als auch passive, in einem einzigen Block
enthalten. Man spricht deshalb von Funktionsblocks, die auch infolge ihres Herstellungsverfahrens monolithische
Schaltungen genannt werden. Diese Schaltungen sind kombinierbar mit aus dünnen Filmen
aufgebauten Festkörperanordnungen, die ebenfalls eine Miniaturisierung der Schaltung hervorrufen.
Derartige bekannte Festkörperanordnungen weisen eine zwischen zwei metallischen Elektroden angeordnete
Isolierschicht auf. Hierzu werden dünne Filme aus polymerem Material für Isolations- und auch für
Einkapselungszwecke verwendet. Dünne polymere Filme sind deshalb geeignet, weil dieselben stabil sind,
wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt sind, eine genügend hohe dielektrische Konstante aufweisen und genügend
dauerhaft sind, um physischen und thermischen Stößen zu widerstehen. In Übereinstimmung mit den
gegenwärtigen Verfahren können polymere Dünnfilme durch photolytische Verfahren oder Elektronenstrahlverfahren
in bestimmten Mustern hergestellt werden. Ein photolytisches Verfahren zur Herstellung ausgewählter
Muster polymerer Dünnfilme im Vakuum und auch in einer neutralen Atmosphäre wurde bereits
vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren werden die auf einem Substrat abgelagerten Moleküle eines monomeren
Materials durch die Adsorption einer besonderen Wellenlänge der Bestrahlung im ultravioletten
Bereich in einen angeregten Zustand gehoben. Die angeregten Moleküle reagieren bei einer Vinyl-Addition-Polymerisation,
um einen ununterbrochenen Film zu bilden, der fest an der Oberfläche des Substrats
anhaftet. Auch ein Vorgang zur Bildung polymerer Dünnfilme durch Elektronenstrahlverfahren ist bereits
bekannt. Bei den Elektronenstrahlpolymerisationsverfahren werden die Moleküle des monomeren
Materials in einen angeregten Zustand gebracht, so daß sie polymerisieren, im allgemeinen durch einen
Bindungsaufspaltungsmechanismus auf Grund übermäßiger Energien des Elcktionenstrahlcs.
Elektrisches, nichtlineares Festkörperbauelement
Patentiert für:
International Business Machines Corporation.
Armonk. N.Y. (V. St. A.)
Armonk. N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H.-E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
1S Peter White, Little Hallingbury, Hertsfordshire
(Großbritannien)
1S Peter White, Little Hallingbury, Hertsfordshire
(Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Januar 1964 (340 067)
V. St. v. Amerika vom 24. Januar 1964 (340 067)
Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, ein neues Festkörperbauelement zu schaffen, das polymere
Dünnfilme aufweist, deren feldempfindliche Charakteristiken benutzt werden, und das eine nichtlineare
Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist und sich für Massenfertigung durch übliche Herstellungsverfahren
eignet.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine dünne, aus einem oder mehreren äthylenisch ungesättigten
Monomeren hergestellte polymere Schicht. Ein nach der Erfindung aufgebautes Festkörperbauelement weist
im Gegensatz zu bekannten den Vorteil auf, daß es allein ganze logische Schaltungseinheiten bilden kann.
Erfindungsgemäß stellt der polymere Halbleiterfilm innerhalb eines geringen Bereiches der angelegten
Spannungen eine unüberwindbare Potentialschwelle gegenüber den kernfernen Elektronen zwischen den
metallischen Elektroden derart dar, als ob er isolierend sei oder einen geöffneten Schalter darstellen würde.
Diese Potentialschwelle umfaßt sowohl die innermolekularen Potentialschwellen, d. h. die Beweglich-
keit der kernfernen Elektronen entlang den einzelnen Molekülen, als auch die zwischenmolekularen Potentialschwellen,
d. h. die Beweglichkeil der kernfernen Elektronen zwischen benachbarten Molekülen, wobei
die letzteren die Elektronenfortleitung durch den dünnen polymeren Film wirksam begrenzen. Wenn die
Spannung über den metallischen Elektroden erhöht und ein elektrisches I ekl mit einer kritischen Größe
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von /. Β. 5· IO5 Volt/cm an den dünnen polymeren I Ialbleitcrlilm angelegt wird, erhöht sich die Fortleitting
der Elektronen durch einen solchen Film exponentiell. Das über den polymeren Halbleiterfilm
angelegte elektrische Feld moduliert tatsächlich die innermolckulaie Potentialschwelic auf eine Höhe, bei
der die keml'ernen Elektronen genügend Energie haben, um die einzelnen Schwellen zu durchdringen
und zwischen den metallischen Elektroden zu fließen. Die resultierende Strom-Spaniuings-Kennlinie des
zweipoligen Festkörperbauelementes ist genügend nichtlinear, so daß dasselbe ein ähnliches Verhalten
aufweist, wie es bei Halbleiterdioden oder gasgefüllten Dioden anzutreffen ist. Daher finden diese Bauelemente
eine besondere Anwendung als Schaltungselemente.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein dreipoliges Schaltungselement dadurch
erzielt, daß zwischen den beiden äußeren Elektroden mit ununterbrochenen Flächen eine aus einer unterbrochenen
Fläche bestehende Elektrode angeordnet ist. die von den beiden äußeren Elektroden durch
jeweils eine polymere Schicht getrennt ist. Wird bei einem derartigen Festkörperbauelement an die dritte
oder sogenannte Steuerelektrode eine Vorspannung angelegt, können mit den resultierenden Feldern die
Potentialschwellen im ersten dünnen polymeren Film zwischen den ersten und zweiten Elektroden moduliert
werden. Dementsprechend und infolge der übereinander gelagerten elektrischen Felder werden die nichtlinearen Stroni-Spaniuings-Kennlinien der stromführenden
Elektroden entlang der Spannungsachse \erschoben, und diese Verschiebung ist eine Funktion
der Höhe des augelegten Feldes. Mit anderen Worten, für eine festgelegte Spannung Cjirf zwischen den beiden
stromführenden Elektroden wird der durch dieselben fließende Strom /.„; durch die an die Steuerelektrode
angelegten Vorspannungen l't, moduliert.
Es wurden bereits Mechanismen zur Darstellung der Elekironenleitting durch normalerweise isolierende
Vlaierialien vorgeschlagen. Zum Beispiel wurde berichtet, daß die Elektronenleitung durch Mengenproben
von stabilen organischen freien Radikalen, d. h. einige Größenordnungen größer als 10000 Ä. nur eine
allmähliche Abweichung vom Ohmschen Gesetz zeigt. I s wurden auch zahlreiche Leitungsmechanismen zur
Unterstützung der Leitungsfähigkeit dünner isolierender Filme postuliert. Zum Beispiel wurde die quantenmeehanische
Duichtunnelung erörtert. Die Schottky-Emission und auch die Feldemission wurden erörtert.
Der Mechanismus, welcher die Elektronenleitung bei der Erfindung unterstützt, unterscheidet sich von dem
allen vorgeschlagenen Dünnfilmbauelementen zugrunde liegenden Mechanismus dadurch, daß die
kernfernen Elektronen eine ungenügende Energie haben, um die Potentialschwelle des polymeren
Filmes zu überwinden und zwischen den Metallelektroden zu fließen. Die Leitung durch den polymeren
Film wird durch Feldmodulierung der innermolekularen Potentialschwellen erzielt; demgemäß
sind die Festkörperbauelemente gemäß der Erfindung, richtig betrachtet. Feldeffekteinrichtungen. Die nichtlinearen Charakteristiken der Festkörperbauelemente
gemäß der Erfindung, die eine erkennbare Abweichung vom Ohmschen Gesetz aufweisen, werden erhalten,
weil elektrische Felder von genügender Stärke zur Nfodulierung der innermolekularen Schwellen in den
dünnen polymeren Filmen erzeugt werden durch das
Anlegen von Spannungen, die nicht hoch genug sind, um Spriihentladungen oder Durchschläge infolge der
Dünne solcher Filme, z. B. von 50 bis 800 A, zu verursachen. Die polymeren Filme können durch
bekannte Verfahren hergestellt werden, z. B. durch Beschießung mit phoiolytisch aufgeladenen Teilchen,
durch katalytische Verfahren usw. Solche polymeren Filme sollten frei von Gasporcn und vorzugsweise frei
von strnktiirellen Fehlern, z. B. Löchern usw.. sein, ίο um inhomogene elektrische Felder zu vermeiden.
Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand von in den Figuren veranschaulichten, bevorzugten
Aiisführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt Fig. la einen Querschnitt eines zweipoligen
Festkörperbauelementes gemäß der Erfindung,
Fig. 2a einen Querschnitt eines dreipoligen Festkörperbauelementes gemäß der Erfindung.
Fig. Ib und 2 b die Strom-Spannungs-Kurven der in den Fig. la und 2 a dargestellten Festkörperbauelemcnte.
Fig. Ic und 2 c die Arbeitsschritte des Herstellungsverfahrens der in den F i g. 1 a und 2 a dargestellten
Festkörperbauelemente.
Fig. 3 einen Querschnitt einer zur Herstellung der in den F i g. i a und 2 a dargestellten Festkörperbauelementen
geeigneten Vakuumanlage,
F i g. 4 eine Draufsicht auf die Maskierungsanordnung der Vakuumanlage der Fig. 3,
F i g. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Leitfähigkeit polymerer Filme mit unterschiedlichen
Dicken in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld E und
Fig. 6. 7 und 8 weitere Ausführungsformen von dreipoligen Festkörperbauelementen gemäß der Erflndung
in auseinandergezogener Darstellung.
Die Diode in der Fig. Ia ist in laminarer Weise auf dem Substrat 1 aufgebaut und umfaßt einen
dünnen polymeren Film 3 zwischen einer ersten dünnen metallischen Elektrode 5 und einer zweiten
dünnen metallischen Elektrode 7. Die Elektroden 5 und 7 sind gegeneinander ausgerichtet und an ihren
Anschlußstegen 9 und 11 mit einer regulierbaren Spannungsquelle 13 bzw. über einen Widerstand 15
mit Erde verbunden. Beim Anlegen einer Spannung an den Stegll wird der polymere Film einem elektrischen
Feld E ausgesetzt, das durch das Verhältnis V: d gegeben ist. worin V die angelegte Spannung
und c1 die Dicke des Filmes bedeutet. Wenn die angelegte Spannung eine kritische Höhe Ve übersteigt.
bekommt das elektrische Feld E eine genügende Höhe, um die normalen isolierenden Eigenschaften
des polymeren Filmes 3 zu überwinden und einen Strom zwischen den Elektroden 5 und 7 einzuleiten.
Wenn die Difcke des polymeren Filmes 3 gering, z. B.
kleiner als 1000 Ä ist. ist die Spannung V nicht ausreichend, um eine Sprühentladung zwischen den
Elektroden 5 und 7 zu erzeugen. Wenn, wie in der Fig. Ib gezeigt, die über die Elektroden 5 und 7
angelegte Spannung erhöht wird, weist die Ent-Iadungskurve eine lineare Region mit hohem Widerstand
t'ibsr einen niedrigen Spannungsbereich auf. dem eine bei der kritischen Spannung Ve beginnende
Region hoher Spannung folgt, in welcher sich die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden S und 7 exponentiell
vergrößert. Wie später noch mit Bezug auf die Fig. Ib beschrieben wird, ist die kritische Spannung
Ve von der Dicke d des polymeren Filmes 3
abhängig.
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Die Triode in der F i g. 2a ist ebenfalls in laminarer Form auf dem Substrat 16 aufgebaut und umfaßt
dünne metallische Elektroden 17, 19 und 21 und dünne polymere Filme 23 und 25. Die dünnen metallischen
Elektroden 17. 19 und 21, die in der weiteren Beschreibung als stromführende Elektroden bzw. Steuerelektrode
bezeichnet werden, sind viereckig und sind mit Anschlußansätzen 27, 29 bzw. 31 versehen. Die
Quellenelektrode 17 und die Steuerelektrode 21 sind gegeneinander ausgerichtet, während die Ableituiigselektrode
19 ein wenig verschoben ist, so daß Teile der gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 17 und 21
nur durch die polymeren Filme 23 und 25 getrennt sind. Wie dargestellt, ist der Anschlußansatz 27 der
Quellenelektrode 17 geerdet, die Ableitungselektrode 19 ist an ihren Anschlußansatz 31 über einen Lastwiderstand
mit der Spannungsquelle 33 verbunden, und die Steuerelektrode 21 ist über ihren Anschlußansatz 29
und einen Widerstand 34 mit einer veränderlichen Spannungsciuelle 35, der Vorspannung l')„ verbunden.
Wie später beschrieben wird, wird die Leitfähigkeit zwischen der Quellenelektrode 17 und der Ableitungselektrode 19 durch an den polymeren Film 23 angelegte
elektrische Felder moduliert, wenn die Vorspannung Vh an die Steuerelektrode 21 angelegt wird.
Wie in der F i g. 2b gezeigt, werden die nichtlinearen Charakteristiken des aus der Quellenelektrode 17.
der Ableitungselektrode 19 und den polymeren Film 23 gebildeten Bauelementes entlang der Spannungsachse
verschoben, wenn die an die Steuerelektrode 21 angelegte Vorspannung l'j, geändert wird, was später noch
iu Verbindung mit der F i g. 2b beschrieben wird.
Der in der Fig. la bzw. 2a dargestellte Aufbau kann durch bekannte Verfahren hergestellt werden,
und eine Einrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens, die indessen nicht zum Gegenstand der
Erfindung gehört, ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Eine solche Einrichtung umfaßt das Vakuumgehäuse36,
bestehend aus dem zylindrischen Teil 37. der oberen Platte 39 und der unteren Platte 41. Die Vakuumpumpe
42 von üblicher Bauart ist mittels des Auslaßrohres 44 durch die Platte 41 mit dem Innenraum des
Gehäuses 36 verbunden.
Der Träger 43 ist im oberen Teil des Gehäuses 36 angeordnet und stützt das Substrat 45. z. B. die
Substrate 1 und 16 der Festkörperbauelemente in den Fig. la und 2 a, ab. Der Träger 43 ist um die Achse 47
drehbar montiert, die sich durch die Wand des zylindrischen Teiles 37 erstreckt und mit dem Drehknopf 49
versehen ist. Wenn der Trägerhalter 43 in der Stellung .1 durch den Anschlag 51 abgestützt wird, ist er
unmittelbar über dem Verdampfer 53 eingestellt. Der Verdampfer 53 kann von üblicher Bauart sein und
enthält ein zu verdampfendes und auf das Substrat 45 niederzuschlagendes Metall. Der Träger 43 ist im
Uhrzeigerdrehsinn mittels des Knopfes 49 in die Stellung B verschwenkbar, die durch gestrichelte
Linien gezeigt ist. Während der Lage in der Stellung B wird der Träger 43 v on dem Anschlag 55 unterhalb
der optischen Einrichtung 57 abgestützt. Die optische Einrichtung, welche die Lichtquelle 59 für ultraviolettes
Licht von ausgewählter Frequenz, die Sammellinse 61 und die optische Maske 63 umfaßt, bestrahlt das
Substrat 45 in vorherbestimmten Mustern. Die durch die Maske 63 bestimmten optischen Muster werden
entlang dem durch die Platte 39 in die Vakuumkaminer des Gehäuses 36 ragenden Quarz-Lichtrohr 65
geleitet und wirken zur Unterstützung der photolytischen Polymerisation des auf ausgewählten Flächen
des Substrats 45 anhaftenden monomeren Materials, wie noch beschrieben wird.
Das auf dem Substrat 45 in ausgewählten Mustern zu polymerisierende monomere Material wird durch
den Einlaß 67 im zylindrischen Teil 37 eingeführt und im Vakuumgehäuse 36 selbst zwischen der Dampfphase
und den absorbierten Schichten auf den inneren Flächen verteilt, d. h. auf dem Substrat 45. Bei der
ίο Bestrahlung durch das optische System 57 werden die Moleküle des monomeren Materials empfindlich
und polymerisieren durch eine Viiiyladditioii zur Bildung eines ununterbrochenen Filmes nur über den
bestrahlten Flächen des Substrates 45. Das nicht durch das optische System 57 bestrahlte monomere
Material bleibt in einer unempfindlichen monomeren Form und kann, wie später erläutert wird, anschließend
mittels der Vakuumpumpenanlage 42 durch den Auslaß 44 ausgepumpt werden.
Außerdem wird eine Mustermaske 71 (F ig. 4) zwischen dem Verdampfer 53 und dem Substrat 45
während seiner Lage in der Siellung .1 eingestellt. In dem beschriebenen Verfahren wird eine einzige
Mustermaske 71 verwendet zur Bestimmungder Iorm eines jeden der metallischen Filme zur Bildung der
Festkörperbauelemente nach den Fig. I a bzw. 1 b. In den F i g. 3 und 4 ist die Musterniaske 71 z.B.
kreisförmig ausgebildet und schließt eine Vielzahl von musterbestimmenden Öffnungen ein. von denen jede
einen quadratischen Hauptteil und eine mit diesem zusammenhängende Fingerverlängerung 77 aufweist.
Übereinstimmende musterbestimmende Öfl'tiungen 73 und 73' usw. sind in einem festgelegten Abstandsverhältnis
bzw. räumlichen Verhältnis angeordnet, wodurch bei der Drchungder Mustcrmaske 71 um 90
die Hauptteile 75 der Cnlsprechenden Öfi'nungen 73. 73' usw. über einen gleichen Flächenbereich des Substrats
45 eingestellt werden, während die entsprechenden Fingerverlängerungen 77 in verschiedenen Richtungen
orientiert sind. Die Mustermaske 71 wird von Schultern 79 in dem Maskenrahmen 81 abgestützt, an
dem der Zahnkranz 83 angebracht ist. der in das auf der Welle 87 verstiftete Kegelratl 85 eingreift. Die
Welle 87 ist außerhalb des zylindrischen Teiles 37 mit dem Steuerknopf 89 verbunden. Die Mustermaske
71 ist auf dem Maskeiirahmen 81 mittels Lappen 91 und Paßstifte 93. die durch Linstellöcher
in der Maske 71 ragen, in ihrer Lage fixiert. Der Maskenrahmen 81 ist innerhalb des Tragteiles 97 in
Kugellagern 99 gelagert. Die Drehung des Maskenrahmens 81 und der Mustermaske 71 im Tragteil 97
um jeweils 903 wird durch die Federrasteinrichtung 98, die mit den Nuten 100 zusammenwirkt, festgelegt Der
Tragteil 97 gleitet in Bahnen 101 auf der an der inneren Wand des zylindrischen Teiles 37 montierten Abstützung
103. Die Feineinstellschraube 105 erfaßt den Maskenrahmen 81. und an ihrem Schaft 107 ist
außerhalb des Vakuumgehäuses 36 der Steuerknopf 109 befestigt. Die Feineinstellschraube 105 steuert genau
die horizontale Verschiebung des Maskenrahmens 81 und der Mustermaske 71 hinsichtlich des Substrats 455
in der Stellung A.
Die Arbeitsschriite im Herstellungsverfahren der Festkörperbauelemente in den F i g. 1 a und 1 b sind
in den F i g. 1 c bzw. 2c dargestellt. Einleitend wird das Gehäuse 36 durch die Vakuumpumpe 42 auf einen
genügenden Unterdruck gebracht, z. B. auf 10 sTorr. um das Vakuummetallisierungsverfahren durchzu-
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führen. Der Träger 43 wird mit dem Substrat 45 in die Stellung A gedreht. Während der Schritte 1 in den
F i g. Ic znd 2c, welche identisch sind, wird der Verdampfer 53 betätigt, um das zu verdampfende Metall,
z. B. Blei, Kupfer, Gold, oder jedes geeignete leitfähige Material zu verdampfen, welches durch die Mustermaske 71 aufwärts strömt, um sich auf dem Träger 45
abzusetzen. Das Muster des durch die Mustermaske 71 auf dem Träger 45 niedergeschlagenen Verdampfungsmaterials ist in den beiden F i g. Ic und 2c dargestellt
und entspricht den metallischen Elektroden 5 und 17 in den F i g. la bzw. 2a. Die Dicken der metallischen
Elektroden 5 und 17 sind mindestens so stark, z. B. 500 bis 1000 Ä, um den elektrischen Zusammenhang
zu sichern.
Auch die Schritte 11 in den Fig. Ic und 2c zur Bildung der polymeren Filme 3 und 23 sind identisch.
Wenn die metallischen Elektroden 5 und 17 aufgedampft sind, wird der Verdampfer 53 abgeschaltet
und der Träger 43 in die Stellung B gedreht und unterhalb des optischen Systems 57 eingestellt. Ein zur
photolytischen Polymerisation befähigtes, äthylenisch ungesättigtes Monomer wird in Dampfform durch den
Einlaß 67 eingeführt.
Zu den äthylenisch ungesättigten Monomeren gehören alle bekannten photolytisch polymerisierbaren
organischen Vinylverbindungen, d. h. Verbindungen, die eine CH2 — C
<-Gruppe als die einzige Stelle der Additions-Polymerisation enthalten. Zu typischen
geeigneten Monomeren gehören Acryl- und Alkaliverbindungen, z. B. Acrylsäure, Halogenacrylsäuren
und Methacrylsäure, Ester, Nitrile und Amide, wie Acrylnitril, Methylmethacrylat, Äthylmethacrylat, Butylmethacrylat, Octylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat, Methoxymethylmethacrylat, Chloräthylmethacrylat, Methacrylsäure, Äthylacrylat, Calciumacrylat
und a-Chloracrylsäure; Vinyl- und Vinylidenhalogenide, wie Vinylchlorid, Vinylfluorid, Vinylidenfluorid;
Vinylcarboxylate, wie Vinylacetat, Vinyllaurat, Vinylpropionat, Vinylstearat; N-Vinylimide, wie N-Vinylphthalimid und N-Vinylcaprolactam; Vinylarylverbindungen, wie Styrol und andere Vinylderivate, einschließlich Vinylpyrrolidon. Mischungen von irgendwelchen zwei oder mehr der oben aufgeführten Monomeren können ebenfalls verwendet werden.
Andere geeignete äthylenisch ungesättigte Monomere sind:
Acrolein,
Allylamin,
sec.-Butylacrylat,
tert. -Butylacrylat,
2-Chlor-l,3-butadien,
Isopren,
isopropylstyrol,
Acrylamid,
n-Butylacrylat,
lsobutylacrylat,
n-Buty lmethacrylat,
2-Chlorstyrol,
Pentadien,
Der Monomerdampf verteilt sich selbst innerhalb des Vakuumgehäuses 36 und bildet eine anhaftende
Schicht mindestens an der Oberfläche des Substrats 45 und über der vorher abgelagerten metallischen Elektrode. Die abgelagerte Monomerschicht wird durch
die optische Einrichtung 57 in einem vorherbestimmten, durch die optische Maske 63 begrenzten Muster
bestrahlt. Die musterbestimmenden Öffnungen in der optischen Maske 63 haben eine rechteckige Gestalt,
wodurch die gleichen Flächenbereiche am Substrat 45 durch das optische System 57 bestrahlt werden, die bei
der horizontalen Verschiebung der Mstermaske 71 hinsichtlich des Substrats 45 exponiert werden, wie
weiter unten mit Bezug auf den Schritt III in der Fig. 2c beschrieben ist. Wenn beispielsweise die
optische Maske 63 der Mustermaske 71 (F i g. 4) übergelagert ist, dann haben die in ihr vorgesehenen
musterbestimmenden Öffnungen eine Form, die durch die gestrichelten Linien 63' in der F i g. 4 dargestellt
ist. Bei der Bestrahlung werden die Moleküle des ausgelagerten monomeren Dampfes durch die Absorption
des Lichtes mit einer bestimmten Wellenlänge im ultravioletten Bereich in einen angeregten Zustand
versetzt und werden durch einen Vinyladditionsprozeß wirksam, um einen ununterbrochenen polymeren
Film 3 und einen polymeren Film 23 zu bilden, wie diese in den F i g. la bzw. 2a gezeigt sind. Der beschriebene Vinyladditions-Polymerisations-Prozeß sieht
strukturelle Besonderheiten und auch eine Filmbeständigkeit vor. Die Dicke der resultierenden
polymeren Filme hängt ab erstens von den Drücken des in das Vakuumgehäuse 36 eingeführten monomeren Dampfes und zweitens von der Intensität und
der Dauer der Bestrahlung des Substrats 45. Wenn, wie später beschrieben wird, ein polymerer Film mit
einer gewünschten Dicke geformt ist, wird die Bestrahlung des Substrats 45 und die Einführung des
monomeren Dampfes in das Gehäuse 36 beendet; das nicht reaktionsfähig gemachte monomere Material
und auch die Nebenprodukte des photolytischen Prozesses werden durch die Vakuumpumpe 42 durch
den Auslaß 44 abgesaugt.
Der Druck innerhalb der Vakuumkammer 36 wird wieder bis auf IO-6 Torr mittels der Vakuumpumpe 42
reduziert, und der Träger 43 wird zur Ausführung des Schrittes III in die Stellung A geschwenkt. Die Maske
71 wird auch im Uhrzeigersinn mittels des Knopfes 89 um eine Viertelumdrehung verschwenkt und mittels
der Sperreinrichtung 98 blockiert. Demzufolge werden identische Bereiche des Substrats 45 dem Verdampfer
53 durch die Hauptteile 75 der entsprechenden Öffnungen 73, 73' usw. ausgesetzt; die Fingerverlängerungen 77 sind jedoch dabei um 90° verdreht.
Der SchrittUI in der Fig. Ic unterscheidet sich vom Schritt III in der F i g. 2c dadurch, daß die
Mustermaske 71 nicht gegenüber dem Substrat 45 horizontal verschoben ist. Beim Schritt Ul (F i g. Ic)
wird der Verdampfer 53 nach der Drehung der Mustermaske 71 eingeschaltet, um die zweite metallische
Elektrode 7 über den im Arbeilsschritt 11 abgesetzten
polymeren Film 3 und in Ausrichtung mit der im Schritt I abgesetzten metallischen Elektrode 5 abzulagern.
Die Drehung der Mustermaske 71 hat nur den Zweck, daß sich die Anschlußansätzt 9 und 11 nicht
überlagern, um die elektrischen Verbindungen, z. B. wie in der F i g. 1 a gezeigt, zu erleichtern. Die Herstellung
des zweipoligen Festkörperbauelementes nach der F i g. 1 a ist nun vollendet.
Im Schritt III (Fig. 2c) wird jedoch der Knopf 89 gedreht, um die Mustermaske 71 horizontal gegenüber
dem Substrat 45 zu verschieben. Die Verschiebung der Mustermaske 71 in diesem Zeitpunkt ergibt, daß
die zu bildende metallische Elektrode 19 nicht mit der im Schritt 1 gebildeten metallischen Elektrode 17 und
mit der im Schritt V gebildeten metallischen Elektrode 21, wie später noch beschrieben wird, ausgerichtet
ist, wodurch ein Teil der gegenüberliegenden Flächen der letzteren Elektrode nur durch das polymere
Material voneinander getrennt sind. Der Verdampfer 53 wird erneut betätigt, um die metallische
Elektrode 19 über dem polymeren Film 23 zu erzeugen. Darauffolgend und in Übereinstimmung mit dem
Schritt IV in der F i g. 2c wird ein zweiter polymerer Film 25 in der gleichen Weise wie im Schritt II niedergeschlagen.
Zur Ausführung des Schrittes IV wird der Träger 43 in die Stellung B gedreht und der monomere
Dampf in das Gehäuse 36 eingelassen, um durch das optische System 57 photolytisch zu polymerisieren.
Wenn der polymere Film 23 geformt ist, wird der Schritt V des Verfahrens ausgeführt, bei welchem der Träger 43
wieder in die Stellung A gedreht und der Trägerteil 97 mittels der Feineinstellschraube 105 in seine ursprüngliche
Stellung während des Schrittes I zurückgeführt wird. Der Träger 43 wird nun durch eine weitere
Drehung um 90°, d. h. um 180° aus seiner Stellung während des Schrittes I, gedreht. Wenn daher der
Verdampfer 43 arbeitet, wird die metallische Elektrode 21 auf dem zweiten polymeren Film in Ausrichtung
mit der ersten metallischen Elektrode 17 abgesetzt, während der Anschlußansatz 31 mit keiner der
Fingerverlängerungen 27 oder 29 ausgerichtet ist. Das Aufdampfen der metallischen Elektrode 21 über den
polymeren Film 25 vervollständigt den Aufbau in der F i g. 2a.
Die Strom-Spannungs-Charakteristiken des zweipoligen Festkörperbauelementes nach der Fig. la
gleichen auffallend jenen der Halbleiter- und gasgefüllten Dioden. Wenn die an die metallische Elektrode
7 angelegte Spannung von 0 Volt erhöht wird, bietet der polymere Film 3 anfänglich einen sehr
hohen Widerstand oder einen Zustand eines offenen Stromkreises. Der Leitungsstrom erhöht sich linear
mit einer sehr geringen Geschwindigkeit entlang des niedrigen Spannungsteiles der Charakteristikkurve.
Die Leitung durch den polymeren Film 3 und zwischen den metallischen Elektroden 5 und 7 erhöht sich im
wesentlichen exponentiell und ist bestrebt linear zu werden, wenn die angelegte Spannung über eine
kritische Spannung Vc hinaus erhöht wird. Die Höhe dieser kritischen Spannung Vc ist stark von der Dicke
des polymeren Filmes 3 abhängig. Wenn daher die polymeren Filme beispielsweise aus Butadien geformt
•sind, kann die kritische Spannung Vc von annähernd
0,5 Volt für Filmdicken von 50 A und bis ungefähr 7,5 Volt für Filmdicken von 800 Ä schwanken, wie dies
durch die Kurven 1 und II in der F i g. 1 b gezeigt ist.
Die Strom-Spannungs-Charakteristiken der Festkörperbauelemente nach der Fig. la, in welchen
dünne polymere Filme mit einer Stärke von beispielsweise 50 Ä verwendet werden, sind im allgemeinen
gleich jenen, welche normalerweise erwartet werden würden, wenn der Leitungsmechanismus auf quantenmechanischer
Tunnelung beruhen würde. Die angenommene Theorie schließt jedoch die quantenmechanische
Tunnelung durch isolierende, d. h. polymere Filme mit einer Dicke von mehr als 50 Ä aus. Die
Leitung durch polymere Filme muß ungeachtet der
ίο Dicke unter Bedingungen eines einfachen Mechanismus erläutert werden, da die Energie für das Empfindlichmachen
zur Leitfähigkeit in der linearen oder niedrigen Spannungsregion die gleiche ist wie in der exponentialen
oder hohen Spannungsregion. Nochmals, da die Form oder die Ungeradheit der Strom-SpannungsCharakteristiken
unabhängig von den Filmdicken zu sein scheint, ist es naheliegend zu unterstellen, daß der
gleiche Mechanismus die Leitung in jedem der polymeren Filme stützt, d. h. bei Filmen mit Stärken von
50 bis 800 Ä. Mit anderen Worten, die gleichen Arten von Substraten und die gleichen Eigenschaften in den
polymeren Filmen regeln die Fortleitung entlang den linearen und exponentialen Regionen der Charakteristikkurve.
In der F i g. 5 ist die Leitfähigkeit als Funktion des an die polymeren Filme mit veränderlichen
Dicken angelegten elektrischen Feldes E aufgetragen. Die Leitfähigkeit der polymeren Filme mit
veränderlichen Dicken sinkt innerhalb eines engen und hauptsächlich linearen Bereiches ab, wodurch
eine wesentliche Abhängigkeit der Stromleitung durch die polymeren Filme, ohne Rücksicht auf deren Dicke
angezeigt wird.
Der Leitungsmechanismus des Festkörperbauelementes nach der F i g. 1 a scheint auf einem dem
FeldefTekt ähnlichen Effekt zu beruhen und unterscheidet sich von der quantenmechanischen Tunnelung,
von der Schottky-Emission und von der Feldemission. Die Leitfähigkeit zwischen den metallischen Elektroden
5 und 7 und durch den polymeren Film 3 kann unter den Bedingungen einer bekannten Anordnung
erläutert werden unter Betrachtung der Leitung durch Mengenproben stabiler, fester, organisch freier Radikale.
Bei einer solchen Anordnung findet die Leitung in organischen polymeren Materialien durch einen
Anhebemechanismus statt, bei welchem die Leitungselektronen entlang den benachbarten Molekülen
strömen und von einem Molekül zum anderen über eine Potentialschwelle springen; eine solche Leitung
ist durch die Elektronenbeweglichkeit entlang der einzelnen Moleküle begrenzt, d. h. durch intermolekulare
Potentialschwellen. Da die Beweglichkeit der Leitungselektronen entlang den polymeren Molekülen
relativ hoch ist, ist die Leitung durch das polymere Material direkt durch die intermolekularen PotentiaI-schwellen
begrenzt. Da die Durchlässigkeit, welche von der Höhe und der Breite der intermolekularen Potentialschwellen
abhängig ist, für die Elektronenleitung feldabhängig ist, ist die Leitung durch den polymeren
Film 3 in der F i g. la eine Funktion der zwischen den metallischen Elektroden 5 und 7 angelegten Spannung.
Wenn die über die metallischen Elektroden 5 und 7 angelegte Spannung erhöht wird, wird die Durchlässigkeit
der intermolekularen Potentialschwellen auf eine Höhe vergrößert, bei welcher eine quaruenmechanische
Tunnelung durch Leitungselektronen eintritt und eine exponentiell Abhängigkeit des
Stromes auf das angelegte Fckl erhalten wird. Die Leitung durch den dünnen polymeren Film 3 wird
809 54? 3 J»
ii
daher durch die Elektronenbeweglichkeit entlang jedem der benachbarten Moleküle, durch die Durchlässigkeit
der intermolekularen Potentialschwelle und durch die Stärke der über den polymeren Film angelegten elektrischen
Felder bestimmt. Die Durchlässigkeit der intermolekularen Potentialschwellen für die Leitungselektronen ist der begrenzende Faktor. Es können
jedoch elektrische Felder /; von genügender Stärke innerhalb praktischer Grenzen der angelegten Spannung,
z. B. zum Vermeiden des Korona-EIVektes, nur erhalten werden, wenn der polymere Film 3 eine
kleinere Dicke als rund 1000 A hat.
Die Leitungselektronen können z. B. im polymeren Film 3 vorhanden sein und können auch durch die von
der mehr negativ vorgespannten metallischen Elektrode >."> bestimmten Metall-Polymer-Berührungsfläche geliefert
werden. Die durch die Metall-Poiymer-Berührungslläche gelieferten Elektronen sollten eine niedrige
thermische Energie besitzen, um beim Fehlen der angelegten elektrischen Felder E unwirksam zu sein
für die Überwindung der intermolekularen und innermolekularen Potentialschwellen im polymeren Film.
Demzufolge sollte die Metall-Polymer-Berührungsfläclic, durch welche die Leitungselekironen geliefert
werden, eine minimale Austrittsarbeit aufweisen, um keine »heißen« Elektronen in den polymeren Film zu
injizieren. Solche »heiße« Elektronen würden eine genügende Energie besitzen, so daß die Modulation
der intermolekularen Potentialschwelien zur Steuerung der Fortleitung unwirksam sein würde. Durch Einhaltung
extremer Reinheit an der Trennfläche Metall— Polymer lassen sich durch Potentialschwellen dieser
Fläche hervorgerufene Schwierigkeiten vermeiden.
Die Triode nach der F i g. 2a kann als von zwei niclulinearen Anordnungen zusammengesetzt betrachtet
werden, von denen eine die Quellen- und Ableitungselektioden 17 und 19 getrennt durch den
polymeren Film 21 und die andere Einrichtung den entgegengesetzten Flächenbereich der Quellen- und
Steuerelektroden 17 und 21 getrennt durch die polynieren Filme 23 und 25 umfaßt. In der F i g. 2b sind
die zusammengesetzten Charakteristiken dargestellt, wobei der Quellen-Ableitungs-Strom Iili als Funktion
der zwischen den Quellen- und Ableitungselektroden 17 und 19 angelegten Spannung Fs,/ aufgetragen ist. Beim
Fehlen einer angelegten Vorspannung Vb an der Steuerelektrode 21 wird die Strom-Spannungs-Charakteristik
der Anordnung nach der F i g. 2a im wesentlichen durch die Quellen-Ableitungs-Elektrodenstruktur
(Kurven UI und III' in den Fig. Ib bzw. 2b) bestimmt. Wenn Vorspannungen Vb an die Steuerelektrode
21 angelegt werden, werden die resultierenden elektrischen Felder E6 dem polymeren Film 23
zwischen den Quellen- und Ableitungselektroden 17 und 19 übergelagert. Diese übergelagerten elektrischen
Felder Es bewirken die horizontale Verschiebung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes entlang
der Spannungsachsejeweils in den entsprechenden Quadranten in Richtung der Ordinate. Wenn z. B.
eine positive Vorspannung — Fft an die Steuerelektrode 21 augelegt wird, werden die Strom-Spannungs-Kennlinien
im ersten Quadranten nach links und im dritten Quadranten nach rechts verschoben, wie durch
die gestrichelte Kurve dargestellt ist, so daß für eine festgelegte Quellen-Ableitungs-Spannung Vsa ein erhöhter
Quellen-Ableitungs-Strom ha erhalten wird. Wenn eine Betriebsbelastungslinie L bestimmt ist.
wird der Strom hi wirksam durch die an die Steuer-
elektrode 21 angelegten Vorspannungen Vb moduliert.
Um die Ströme von der Quellen- zur Steuerelektrode und von der Ableitungs- zur Steuerelektrode während
des dynamischen Betriebes auf ein Mindestmaß herabzusetzen, wird der polymere Film 25 zwischen
der Ableitungselektrode 19 und der Steuerelektrode 21 genügend dick, z. B. von mehr als 1000 A, gemacht,
um eine Leitung zu verhindern. Der gleiche Effekt wird auch erzielt, wenn für das zwischen der Ab-Ieitungs-
und der Steuerelektrode geformte polymere Material ein solches mit einem höheren Widerstand,
d. h. mit einer hohen innermolekularen Potentialschwelle ausgewühlt wird. Der polymere Film 23
kann z. B. aus Butadien geformt werden, welches einen Widerstand von IO8 Ohm pro Zentimeter bietet,
während der polymere Film 25 aus Acrolein geformt werden kann, welches einen Widerstand von IO14 Ohm
pro Zentimeter bietet. Wie in dem mit Bezug auf das zweipolige Festkörperbauelement nach der Fig. la
beschriebenen Fall ist die Austrittsarbeit der durch die Quellenelektrode 17 bestimmten Berührungsfläche
genügend niedrig, um den Eintritt »heißer« Elektronen in den polymeren Film 23 zu verhindern, wodurch die
Modulation der intermolekularen Potentialschwellen durch die übergelagerten, durch die Vorspannungen Vh
erzeugten elektrischen Felder /;.,· wirksam wird zur Steuerung der Leitung zwischen der Quellenelektrode
17 und der Ableitungselektrode 19. Andererseits sollte die von der Steuerelektrode 21 bestimmte Berührungsfläche
genügend hoch sein, um die Elektronenleitung vom polymeren Film 25 zur Steuerelektrode
21 zu verhindern.
Abgeänderte Ausführungsformen des Festkörperbauelementes gemäß der Erfindung sind in den F i g. 6,
7 und 8 dargestellt, in denen die polymeren Filme 23 und 25 zum Zweck der besseren Klarheit weggelassen
wurden. Die besonderen Anordnungen der in der Mustermaske 71 vorzusehenden musterbestimmenden
Aussparungen sind aus der Betrachtung zu erkennen; eine gleiche optische Maske 63. wie sie weiter oben
beschrieben ist, kann verwendet werden. In jeder dieser Ausführungen werden durch an die Steuerelektrode
21 angelegte Vorspaiinungen Vb erzeugte elektrische Felder f., an den polymeren Film 23
zwischen der Quellenelektrode 17 und der Ableitungselektrode 19 angelegt. Zum Beispiel ist (F i g. 6) die
Abmessung der Steuerelektrode 21 verringert, um halbwegs mit dem freigelegten Bereich der Quellenelektrode
17 übereinzustimmen, wobei die Steuerelektrode in der Ebene der Ableitungselektrode 19
abgesetzt wird. Bei der in der F i g. 7 dargestellten Abänderung kann die Ableitungselektrode 19 gabelförmig
sein, so daß die von den an die Steuerelektrode 21 angelegten Vorspannungen Vb erzeugten Felder
zwischen dem Muster durchgreifen, um die intermolekularen Potentialschwellen im polymeren Film 23
zu modulieren. Der Aufbau in der F i g. 7 kann außerdem so abgeändert werden, wie in der F i g. 8 gezeigt
ist, um eine erste und eine zweite in einem ineinandergreifenden gabelförmigen Muster geformte Steuerelektrode
2Γ und 22' quer zum Muster der Ableitungselektrode 19 zu bestimmen.. An eine oder an beide
Steuerelektroden 2Γ und 21" angelegte Vorspannungen Vb legen daher elektrische Felder an den polymeren
Film 23 zwischen der Quellenelektrode 17 und der Ableitungselektrode 19 an. Der Aufbau der Einrichtung
nach der F i g. 8 ist besonders zur Aus-
Claims (11)
1. Elektrisches, nichtlineares Festkörperbauelement mit einem zwischen je zwei benachbarten
Metallelektroden angeordneten dünnen Halbleiterfilm, dessen Dicke einerseits nur so groß ist, daß
die von dem Halbleiterfilm gebildete Potentialschwelle von Elektronen unter dem Einfluß eines
eine kritische Größe übersteigenden elektrischen Feldes durchtunnelt wird, und andererseits so groß
ist, daß bei den angelegten Feldern eine Koronaentladung vermieden wird, und mindestens 50 Ä
beträgt, gekennzeichnet durch eine dünne aus einem oder mehreren äthylenisch ungesättigten
Monomeren hergestellte polymere Schicht (3 bzw. 23,25).
2. Festkörperbauelement nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch die Verwendungeines aus einem
äthylenisch ungesättigten Monomer durch Vinyl-Additions-Polymerisation hergestellten Halbleiterfilmes.
3. Festkörperbauelement nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die Verwendung eines aus
monomerem Butadien hergestellten Halbleiterfilnies.
4. Festkörperbauelement nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch die Verwendung eines aus
monomerem Styrol hergestellten Halbleiterfilmes.
5. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines aus
monomerer Acrylsäure hergestellten Halbleiterfilmes.
6. Festkörperbauelement nach Anspruch 1. gekennzeichnet duich die Verwendung eines aus
monomerem Acrolein hergesteilten Halbleiterfilmes.
7. Festkörperbauelement nach Anspruch 1 mit drei Metalleiektroden, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den beiden äußeren E-Iektroden mit unterbrochenen Flächen (17, 21: F i g. 7) eine
aus einer unterbrochenen Fläche bestehende Elektrode (19; F i g. 7) angeordnet ist, die von den
beiden äußeren Elektroden durch jeweils eine polymere Schicht getrennt ist.
8. Festkörperbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden
kongruente Formen besitzen.
9. Festkörperbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine zwischen einer
äußeren und der mittler-.n Fiektrode angeordnete Halbleiterfilm (23) für die Elektronenleitung eine
größere Potentialschwelle bildet als der andere, zwischen der mittleren und der anderen äußeren
Elektrode angeordnete (25).
10. Festkörperbauelement nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden
äußeren Elektroden aus einer Vielzahl von Teilelcktioden (2Γ. 21"; F i g. 8) besteht, die alle
gegenüber der mittleren Elektrode (19) isoliert sind und daß die einzelnen Elektroden der genannten
Vielzahl gleichartig sind und im Bereich der anderen äußeren Elektrode (17) liegen.
11. Festkörperbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vielzahl
von Teilelektroden (21'. 21 "1 in einer einzigen Ebene angeordnet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 139 586;
USA.-Paientschrifien Nr. 3 025 438. 3 056 073:
Electro Technologg. Januar 1961. S. 11.
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 139 586;
USA.-Paientschrifien Nr. 3 025 438. 3 056 073:
Electro Technologg. Januar 1961. S. 11.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 678/341 10. 67 ® BnniiKdruckerei Berlin
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US340067A US3303357A (en) | 1964-01-24 | 1964-01-24 | Polymeric film field-sensitive devices |
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ID=23331723
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JP (1) | JPS4216477B1 (de) |
DE (1) | DE1252335B (de) |
GB (1) | GB1079891A (de) |
Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
US5175114A (en) * | 1989-01-13 | 1992-12-29 | Seiko Epson Corporation | Method for production of a bidirectional nonlinear resistor, active matrix liquid crystal panel using bidirectional nonlinear resistor |
US5294560A (en) * | 1989-01-13 | 1994-03-15 | Seiko Epson Corporation | Bidirectional nonlinear resistor, active matrix liquid crystal panel using bidirectional nonlinear resistor, and method for production thereof |
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1964
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1965
- 1965-01-15 GB GB1796/65A patent/GB1079891A/en not_active Expired
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3303357A (en) | 1967-02-07 |
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