DE1286657B - Verfahren zur herstellung eines bistabilen halbleiter-schaltelements und danach hergestelltes halbleiter-schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stallin. Ein solches kristallines Material ist bei den Herstellung eines bistabilen Halbleiter-Schaltele- bisherigen Untersuchungen bistabiler Schaltelemente ments, dessen Material eine amorphe Phase, die unberücksichtigt geblieben, weil es von vornherein hochohmig ist, und eine kristalline Phase, die nieder- niederohmig ist und dieser Zustand durch keine der ohmig ist, einnehmen kann, und auf ein nach diesem 5 üblichen elektrischen Maßnahmen in einen hoch-Verfahren hergestelltes bistabiles Halbleiter-Schalt- ohmigen Zustand zu überführen war. element. Wenn man jedoch ein solches normalerweise

Es sind Drei-Stoff-Systeme bekannt, die innerhalb kristallines Material in einer die Kristallisation untereines genau umgrenzten Mischungsbereichs beim Ab- drückenden Weise zum Halbleiterkörper formt, kühlen aus der Schmelze glasartig oder amorph er- io nimmt das Material zwangsweise einen amorphen starren. Innerhalb dieses Mischungsbereichs befinden Zustand ein. In diesem amorphen Zustand ist es sich Gläser, die durch Phasenwechsel zwei stabile fixiert und besitzt, wie die früher betrachteten glaselektrische Zustände einnehmen können. Sie sind in artig erstarrenden Materialien, einen hochohmigen der amorphen Phase hochohmig und in der kristalli- Zustand. Allerdings schaltet das Material besonders nen Phase niederohmig. Ein Beispiel hierfür ist das 15 leicht in den niederohmigen Zustand um und verSystem Arsen—Tellur—Jod, das innerhalb eines bleibt auch in diesem Zustand, da es ja von Natur genau beschreibbaren Mischungsbereichs glasartige aus bestrebt ist, den kristallinen Zustand einzuneh-Halbleitermaterialien zu erzeugen gestattet, die einen men, wenn die Voraussetzungen dafür gegeben sind, hochohmigen Zustand von 10⁵ bis 10⁶ Ohm · cm und Umgekehrt hat aber der sich im Betrieb einstellende einen niederohmigen Zustand von 10² bis 10³ Ohm-cm 20 kristalline Strompfad einen außerordentlich kleinen einnehmen können. Querschnitt. Wenn innerhalb dieses Querschnitts

Praktische Verwertung haben diese bistabilen durch einen sehr starken Strom der Schmelzzustand Halbleiter-Schaltelemente allerdings nicht erlangt, da erreicht und alsdann der Strom abgeschaltet wird, es nicht gelungen ist, reproduzierbare Elemente herzu- wird wegen der geringen Querschnittsfläche die stellen, die in jedem einzelnen Fall erstens mit Sicher- 25 Wärme so rasch abgeführt, daß die Schmelze wiederheit vom stabilen hochohmigen Zustand in den um nicht in der Lage ist, kristallin zu erstarren; der niederohmigen Zustand schalten, zweitens nicht von Strompfad kehrt daher in den amorphen, hochohmiselbst in den hochohmigen Zustand zurückkehren, gen Zustand zurück.

sondern im niederohmigen Zustand verbleiben, und Ein besonders empfehlenswertes Verfahren, die

drittens auf Wunsch wieder in den hochohmigen Zu- 30 Kristallisation bei der Herstellung des Halbleiterstand zurückgeführt werden können. Zwar fanden Schaltelements zu unterdrücken, besteht darin, daß sich unter einer Mehrzahl von Proben immer einige, — wenn das Halbleitermaterial aus mindestens zwei die — in der gewünschten Weise — beim Überschrei- Komponenten besteht — diese Komponenten durch ten des Schwellenwerts einer angelegten Spannung Kathodenzerstäubung auf eine Unterlage, z.B. eine vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand 35 Elektrode, aufgetragen werden. Bei der Kathodenschalteten und beim Überschreiten eines Grenzwertes zerstäubung werden so kleine Teilchen aufgestäubt, des hindurchfließenden Stromes wieder in den hoch- daß sich keine Kristalle bilden können, ohmigen Zustand zurückkehrten. Es gelang jedoch Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß das

nicht, hieraus eine Herstellungsvorschrift abzuleiten. Halbleitermaterial geschmolzen und so rasch abge-

In manchen Fällen war man auch bestrebt, glas- 40 kühlt wird, daß es im amorphen Zustand erstarrt, artige Körper aus einem Drei-Stoff-System zu erzeu- Die rasche Abkühlung kann auf verschiedene

gen, die beim Anlegen einer genügend großen Span- Weise erzielt werden, beispielsweise durch Abnung von einem hochohmigen in einen niederohmi- schrecken in Eiswasser, durch Beblasen mit einem gen Zustand umschalten, am Ende des hindurchflie- Kühlluftstrom u. dgl. Wesentlich ist lediglich eine so ßenden Stromimpulses aber selbsttätig in den hoch- 45 rasche Abkühlung, daß der amorphe Zustand des an ohmigen Zustand zurückkehren. sich kristallinen Halbleitermaterials erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein- Die Abkühlungsgeschwindigkeit sollte mindestens

wandfrei reproduzierbare, bistabile Halbleiter-Schalt- 5 °C/s betragen. Dieser Wert ist um ein Vielfaches elemente der eingangs beschriebenen Art anzugeben. größer als die normale Abkühlung bei Raumtempera-Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- 5° tür in stehender Luft.

löst, daß der für das Halbleiter-Schaltelement vorge- Das zuletzt beschriebene Verfahren kann zu einer

sehene Körper aus einem bei normaler Abkühlung weiteren Vereinfachung der Herstellung ausgenutzt kristallin erstarrenden Material hergestellt wird, wel- werden, wenn das Halbleitermaterial aus mindestens ches einen so hinreichend großen Unterschied zwi- zwei Komponenten besteht und diese in dem der sehen der Umwandlungstemperatur zwischen dem 55 raschen Abkühlung vorzuschaltenden Schmelzvoramorphen und dem kristallinen Zustand (Kristalli- gang miteinander legiert werden. Hierbei wird also sationstemperatur) einerseits und der Schmelztempe- die Legierungsschmelze gleich als Ausgangsbasis für ratur andererseits besitzt, daß der diesem Tempera- die erfindungsgemäß vorgesehene Abkühlung benutzt, turbereich entsprechende stabile kristalline Zustand Es ist zwar bereits bekannt, die Schmelze eines

reproduzierbar eingenommen werden kann, und daß 60 glasartigen Halbleitermaterials in Eiswasser abzudas Material in einer die Kristallbildung unterdrük- schrecken, um dadurch der Gefahr einer Entglasung kenden Weise zum Halbleiterkörper geformt wird. vorzubeugen. Dies war einer der Versuche, die be-

Bei der Erfindung wird bewußt von den bisherigen kannten Halbleitergläser zu verbessern, er betraf je-Überlegungen, das Halbleitermaterial im glasartigen doch nicht ein bisher als unbrauchbar angesehenes, Bereich zu suchen, abgewichen und ein Material 65 normalerweise kristallin erstarrendes Material, außerhalb dieses glasartigen Bereichs gewählt. Dieses Es hat sich herausgestellt, daß die für den Erfin-

Material erstarrt bei einer normalen Abkühlung aus dungszweck am besten brauchbaren Halbleitermateder Schmelze in Raumtemperatur grundsätzlich kri- rialien einen Unterschied zwischen der Kristalli-

Claims (11)

1. I 286 657

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   sationstemperatur und der Schmelztemperatur größer Wenn dann die Abkühlung erfolgt, wird bei D der als 120° C, vorzugsweise größer als 150° C, besitzen. Erstarrungspunkt erreicht, der bei etwa 320 ⁰C liegt. Es wird also ein relativ großer Temperaturbereich Das Diagramm entspricht einem erfindungsgemäß angestrebten welchem das Material einen kristallinen behandelten Material, das trotz seiner Tendenz zum stabilen Zustand einnehmen kann. Es ist daher nicht 5 kristallinen Erstarren im amorphen Zustand »gemehr möglich, daß wegen der engen Nachbarschaft boren« wurde. Demzufolge ist der Abschnitt zwischen von Kristallisationspunkt und Schmelzpunkt im dem Nullpunkt und dem Kristallisationspunkt B für Strompfad eine die Kristallisation ergebende Erwär- den hochohmigen Zustand kennzeichnend, während mung unmittelbar darauf zum Schmelzen führt, so der Abschnitt zwischen dem Kristallisationspunkt B daß beim Abschalten des Stromes der Strompfad in io und dem Schmelzpunkt C, welcher Abstand 170 ⁰C den amorphen, hochohmigen Zustand zurückkehrt. beträgt, für den niederohmigen Zustand verantwort-Möglicherweise ist der große Abstand zwischen lieh ist. Wenn über den Strompfad ein Strom zuge-Kristallisationspunkt und Schmelzpunkt auch als führt wird, der eine Erwärmung über den Schmelz-Merkmal dafür anzusehen, daß das Material bevor- punkt C hinaus bewirkt, erfolgt bei der Abkühlung zugt im kristallinen Zustand erstarrt. 15 i_m Punkt D die Erstattung, die wegen des kleinen

   Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß das Strompfadquerschnitts so plötzlich vor sich geht, daß

   für den Erfindungszweck geeignete Halbleitermaterial der Strompfad in den amorphen Ursprungszustand

   eine Kristallisationstemperatur besitzen sollte, die zurückkehrt. Wäre das Material nicht in der erfin-

   zwischen 150 und 300 ⁰C liegt. Ferner sollte der Er- dungsgemäßen Weise vorbehandelt worden, hätte es

   weichungspunkt zwischen 100 und 200 ⁰C liegen. ao im Nullpunkt bereits den niederohmigen Zustand; es

   Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her- ergäbe sich ein nur schwach ausgeprägter oder übergestelltes bistabiles Halbleiter-Schaltelement ist da- haupt kein Kristallisationspunkt B. Es wäre nicht durch gekennzeichnet, daß beide angelegten Elektro- möglich, dieses Material in der üblichen elektrischen den als Flächen- oder breiter Punktkontakt ausgebil- Weise in den hochohmigen Zustand zu bringen,
   det sind. Großflächige Elektroden können besser als as In F i g. 2 ist ein Drei-Stoff-Diagramm für Arsen— Spitzenelektroden die Wärme von der Kontaktfläche Tellur—Jod gezeigt, wie es in der Literatur zu finden wegführen. Demzufolge helfen diese Elektroden mit, ist. Innerhalb des umrandeten Bereichs G findet man daß der Strompfad, wenn er über die flüssige Phase glasartige Halbleitermaterialien, die bisher für die in den hochohmigen Zustand zurückgeführt werden Eignung als bistabile Halbleiter-Schaltelemente untersoll, auch tatsächlich rasch genug abkühlt, um eine 30 sucht worden sind. Erfindungsgemäß werden Mi-Kristallisation zu verhindern. schungen außerhalb dieses Bereichs G verwendet,

   Für den Erfindungszweck kommen beispielsweise beispielsweise das Gemisch E, das aus 40 Atom-Halbleitermaterialien aus nur zwei Komponenten in gewichtsprozent Arsen und 60 Atomgewichtsprozent Frage. Speziell verwiesen sei auf ein Gemisch aus Tellur besteht. Ein anderes brauchbares Material ist Germanium und Tellur, vorzugsweise im Mischungs- 35 beispielsweise durch den Punkt F gegeben, der das verhältnis von 16 Atomprozent Germanium und Mischungsverhältnis von 30 Atompozent Arsen, 84 Atomprozent Tellur. 60 Atomprozent Tellur und 10 Atomprozent Jod

   Es kommen auch Halbleitermaterialien aus be- kennzeichnet.

   kannten Drei-Stoff-Systemen in Frage, wenn sie In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des bistabilen

   außerhalb des glasartigen Bereichs liegen. Speziell 40 Halbleiter-Schaltelements schematisch veranschau-

   verwiesen sei auf das Drei-Stoff-System Arsen—Tel- licht. Es besteht aus einer ersten Elektrode 1, der

   lur—Jod und vorzugsweise auf ein Mischungsverhält- Halbleiterschicht 2 und einer zweiten Elektrode 3.

   nis von 30 Atomprozent Arsen, 60 Atomprozent Tel- An die Elektroden sind Zuleitungen 4 und 5 ange-

   lur und 10 Atomprozent Jod. lötet. Bei der Herstellung wurde auf die Elektrode 1

   In den Zeichnungen werden noch einige zusatz- 45 das Halbleitermaterial 2 durch Kathodenzerstäubung

   liehe Erläuterungen zur Erfindung gegeben. Es zeigt aufgebracht und auf diese Schicht die zweite Elek-

   F i g. 1 ein DTA-Diagramm für ein erfindungsge- trode 3 aufgelegt,

   maß verwendbares Halbleitermaterial, Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind 2 g

   F i g. 2 ein Drei-Stoff-Diagramm, in welches erfin- Halbleitermaterial aus 16 Atomgewichtsprozent Gerdungsgemäß verwendbare Halbleitermaterialien ein- 50 manium und 84 Atomgewichtsprozent Tellur in einer getragen sind und geschlossenen Ampulle geschmolzen worden, worauf

   F i g. 3 eine schematische Darstellung eines erfin- diese Ampulle in Eiswasser abgeschreckt wurde. AIs-

   dungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements. dann wurde die Ampulle zerbrochen und das ge-

   F i g. 1 zeigt ein DTA-Diagramm (Differential wonnene Halbleitermaterial mit zwei Metallelektro-

   Thermal Analysis) des Halbleitermaterials Ge₁₆-Te₈₄. 55 den bedeckt. Das so gewonnene Halbleiter-Schalt-

   Zur Aufnahme eines solchen Diagramms wird das element arbeitet in der angestrebten Weise als bi-

   Halbleitermaterial in einem langsam erwärmten bzw. stabiler Schalter.

   abgekühlten Körper untergebracht und die Differenz Der Ausdruck »kristallin« soll im vorliegenden

   zwischen der Temperatur dieses Körpers und der Fall Einkristalle, einen polykristallinen Zustand oder

   Temperatur des Halbleitermaterials gemessen. Irgend- 60 einen mikrokristallinen Zustand umfassen. Selbstver-

   welche Materialumwandlungen machen sich durch ständlich können auch bei einem solchen Material bei

   spezielle Ausprägungen am Diagramm bemerkbar. normaler Abkühlung amorphe Flecken auftreten.

   Bei langsamer Erwärmung wird zunächst der Punkt A Hierdurch soll die Kennzeichnung als »kristallin« je-

   erreicht, in welchem das Material zu erweichen be- doch nicht beeinträchtigt werden,

   ginnt. Er liegt bei etwa 150 ⁰C. Der Punkt B ent- 65

   spricht der Kristallisation. Die Kristallisationstempe- Patentansprüche:

   ratur liegt bei etwa 240 ⁰C. Der Punkt C entspricht 1. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen

   der Schmelztemperatur. Diese liegt bei etwa 420 ⁰C. Halbleiter-Schaltelements, dessen Material eine

   amorphe Phase, die hochohmig ist, und eine kristalline Phase, die niederohmig ist, einnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der für das Halbleiter-Schaltelement vorgesehene Körper aus einem bei normaler Abkühlung kristallin erstarrenden Material hergestellt wird, welches einen so hinreichend großen Unterschied zwischen der Umwandlungstemperatur zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand (Kristallisationstemperatur) einerseits und der Schmelztemperatur andererseits besitzt, daß der diesem Temperaturbereich entsprechende stabile kristalline Zustand reproduzierbar eingenommen werden kann, und daß das Material in einer die Kristallbildung unterdrückenden Weise zum Halbleiterkörper geformt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus mindestens zwei Komponenten besteht und diese Komponenten durch Kathodenzerstäubung auf eine Unterlage aufgetragen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial geschmolzen und so rasch abgekühlt wird, daß es im amorphen Zustand erstarrt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Komponenten des Halbleitermaterials in dem der raschen Abkühlung vorzuschaltenden Schmelzvorgang miteinander legiert werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit mindestens 5 °C/s beträgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial verwendet wird, bei dem der Unterschied zwischen der Kristallisationstemperatur und der Schmelztemperatur größer als 120 ⁰C, vorzugsweise größer als 150 ⁰C ist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial verwendet wird, dessen Kristallisationstemperatur zwischen 150 und 300° C liegt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial verwendet wird, dessen Erweichungspunkt zwischen 100 und 200° C liegt.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial aus Germanium und Tellur, vorzugsweise im Mischungsverhältnis 16 Atomprozent Germanium und 84 Atomprozent Tellur, verwendet wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial aus Arsen, Tellur und Jod außerhalb des glasartigen Bereichs, vorzugsweise im Mischungsverhältnis 30 Atomprozent Arsen, 60 Atomprozent Tellur und 10 Atomprozent Jod, verwendet wird.
11. 11. iSfach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestelltes bistabiles Halbleiter-Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß beide angelegten Elektroden als Flächen- oder breiter Punktkontakt ausgebildet sind.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen