DE1489198A1

DE1489198A1 - Elektronisches Festkoerper-Schaltelement

Info

Publication number: DE1489198A1
Application number: DE19641489198
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: General Electric Information Systems SpA
Current assignee: General Electric Information Systems SpA
Priority date: 1963-10-30
Filing date: 1964-10-30
Publication date: 1969-10-16
Also published as: US3483445A; GB1072136A; DE1489198B2

Description

Die Erfindung bezieht sioh auf elektronische Festkörper» Sohaltelenente«

Bei den bisher bekannten pn~Fläohen~Halbleiterdioden, bei denen der Stromleitungsmeohanisous im wesentlichen Minoritäts-Ladungsträger umfasst, ist die maximale Arbeitsfrequenz durch Minoritätsträger-Speioherwirkungen an der Grenzfläohe streng begrenzt. Besonders bei Verwendung der Diode in Schaltkreisen erweist sioh die Erholungs- oder Freiwerdezeit der Diode von ihrer Flussleitung bis zu ihrer Sperrleitung infolge der langsamen Rekombination und der Sperrwirkung der gespeicherten TrUger als ttusserst lang.

Ausserdem Müssen die in den Schaltkreisen verwendeten Dioden einen niedrigen Flusswiderstand und einen hohen Sperrwider» stand haben. Die bisher bekannten pn-Fläohen-Dioden, von denen nan zugleich einen niedrigen Flusswiderstand, einen

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hohen Sperrwiderstand, eine kurze Umschaltzeit sowie einen hohen maximal zulässigen Flußstrom verlangt, führen zn einer sol oh genauen Bestimmung der geometrisohen Ahme β sun·» gen sowie Steuerung der Leitfähigkeitsverteilung im Inneren des Halbleiters, dass ihre Herstellungsverfahren aufwendig und kompliziert werden.

Ferner zeigen die elektrischen Kennlinien dieser bekannten Dioden eine unzureichende Stabilität infolge der Veränderung der Oberfläohenzustände, so dass kostspielige Schutzmittel, wie beispielsweise eine hermetische Abdichtung, vorgesehen werden müssen« Ein weiterer Nachteil der bekannten Dioden ist ihre Temperaturempfindliohkeit«

Nun wurde bereits eine Diode vorgeschlagen, die eine zwischen zwei Metallschiohten angeordnete Isolierschicht enthält« Bei einer solchen Diode werden einige der vorstehend erörterten Mängel behoben, da die Stromleitung zu einem Durchtunneln von Elektronen aus dem Metall in den Isolator hinein führt«

Jedoch hat diese Diode infolge einer weitgehenden Symmetrie in ihren Strom-Spannungs—Kennlinien sohlechtβ Gleichrichter« eigenschaften«

Ferner ist bekannt, dass eine Halbleitersohioht, die über einen aus isolierendem Material hergestellten sogenannten «künstlichen Wall" mit einer Metallschicht in Berührung

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steht, Gleiohriohtereigensohaften aufweist« Jedoch sind diese Gleiohriohtereigensohaften auf Löcher und sonstige Unvollkommenheiten der Isolierschicht zurückzuführen, so dass die Leitung ia wesentlichen auf der fehlenden Gleiotutileeigkelt der Isolierschicht beruht» Deshalb erweist sich der auf örtliohem Durchschlagen infolge physikalischer UnTOllkommenheiten beruhende Leitungsmeohanismus als weitgehend unstabil und ungesteuert, so dass er als Folge xu schlechten oder Mangelhaften äusseren Kennlinien führt.

Darüber hinaus weisen die bekannten Dioden bei ihrer Verwendung als Drehkondensatoren bei Veränderung der angelegten Spannung unzureichend scharfe Kapazitätsveränderungen auf.

Demzufolge liegt der Erfindung als Aufgabe die Schaffung eines elektronischen- Festkörper-Schaltelements zugrunde, das das Erzielen einer hohen Arbeitefrequenz und einer kurzen Erholungs— oder Freiwerdezeit gestattet»

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektronischen Feetkörper-Sohaltelements, das gegenüber Temperatur—, Feuohtigkeits- und sonstigen Veränderungen der Umgebungsbedingungen weitgehend unempfindlich ist.

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Die Erfindung hat weiter die Schaffung eines elektronischen Festkörper-Schaltelements rait hochwertigen Gleichrichter— eigenschaften zur Aufgabe,

Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Sohaffung . eines elektronischen Festkörper-Schaltelements, das sich bequem herstellen und ausserdem bequem in integrierte Schaltungen einbauen lässt.

Diese und weitere Ziele werden mit dem Schaltelement gemäss der Erfindung erreicht, das eine zwisohen einer Halbleiterschicht und einer leitenden Schicht eingelegte, die Halbleiterschicht und die leitende Schicht berührende Isolier-·'

schicht enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Isolierschicht im wesentlichen gleiohmässig ist und eine solche Dicke aufweist, dass sie Strom mittels Tunneleffekt durchlässt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten, beispielsweise jedoch nicht beschränkend eine ihrer Ausführungsformen darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigern

FI 1 den schematischen Aufbau eines elektronischen Festkörper-Schal telements naoh der Erfindung,

Fig, 2 und 5 bis 11 die Strom-Spannungs-Kennlinien des Schaltelements naoh der Erfindung,

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Fig· 3 die Kapazitats—Spannungs-Kennlinien des Schaltelements nach der Erfindung und

Fig« 4a, 4b und 4c ein Diagramm der Energieniveaus in dem Schaltelement nach der Erfindung bei unterschiedlichen Vorspannungsbedingungen·

Das elektronische Festkörper-Schaltelement nach der Erfindung (Fig, i) enthält eine zwischen einer Halbleitersohicht S und einer leitenden Schicht M eingelegte Isolierschicht D. Die Auss—enschichten M und S haben gesonderte, an ihnen be— festigte KontaktanschlUsse 1 und 2 mit niedrigem Widerstand. In der nachfolgenden Beschreibung wird der mit der leitenden Schicht verbundene Anschluss i als positiver Anschluss und der auf die Halbleiterschicht gelötete Anschluss 2 als negativer Anschluss bezeichnet.

Nach einer AusfUhrungsform der Erfindung sind die Halbleiterschicht S₁ die Isolierschicht D und die leitende Schicht M aus Silizium, Siliziumdioxyd bzw. Aluminium hergestellt.

Es wurden einige Musterstücke des Schaltelements nach Fig, I mit Hilfe des nachstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt.

Es wurde ein Einkristall-n-Siliziumblöckohen mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 1,6 bis 2,4 SiI. cm gezüchtet,

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Das Blöckohen wurde in Plättchen mit zu der (lll)-Ebene des Kristalls parallelen ebenen Oberflächen zersägt. Die Plättchen wurden mit einem Karborundumpulver mit einer einer Maschengrösse 1200 entsprechenden Korngrösse (1200 mesh) geschliffen und dann in einer CPg Lösung gebeizt«

Naoh dem Beizen wurden die Plättchen mit Diamantstaub mechanisch poliert, wobei der Poliervorgang mit Pulver abnehmender Korngrösse wiederholt wurde, bis eine bessere Oberflächenglätte erreicht war als die nach dem Beizen erscheinende Oberflächenglätte· Gemäss einem anderen Verfahren wurde zum Erzielen der erforderlichen Glätte das Beizen mit HCl in Gasphase durchgeführt«

Darauf wurde bei einer Temperatur von 900⁰C + 2°C in einer offenen Ouarzröhre auf die Siliziumoberfläche Siliziumdioxyd thermisch gezüchtet, indem man sie 20 min einem Strom aus reinem Sauerstoff von 7,7 cm /min.cm aussetzte«

Bevor die Plättchen in den Ofen eingebracht wurden, wurden sie in einer 49#igen HF-Lösung benetzt, worauf sie, nachdem sie in entionisiertem Wasser gewaschen worden waren, etwa 1 min bei Raumtemperatur in einer 7O^6igen HNO--Lösung behandelt wurden« Die letztgenannte Behandlung erzeugt auf der Siliziumoberfläche einen sehr dünnen passivierten Film«

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Naoh thermischer Oxydation wurde ein lichtempfindlicher Film auf eine Seite des oxydierten Plättchens gestrichen. Dann wurde naoh einer geeigneten Wärmebehandlung diese Seite duroh eine eine Vielzahl von voneinander getrennten kreisrunden Bereiohen mit einem Durchmesser von 310 /um unexponiert lassende Glasmaske hindurch ultraviolettem Lioht ausgesetzt, worauf der exponierte lichtempfindliche Film entwiokelt und der Film von den unentwickelten Bereiohen entfernt wurde·

Darauf wurde die behandelte Oberfläche der Plättchen in einer Glimmentladung gereinigt, worauf auf die behandelte Fläche in einer Vakuumkammer bei einem Druck von etwa 5*10 Torr Aluminium aufgedampft wurde, Duroh Benetzen in Aceton wurde der mit Aluminium bedeckte lichtempfindliche Film entfernt, so dass sohliesslioh auf der oxydierten Oberfläche voneinander getrennte Aluminiumsoheibchen surUokblleben«

Darauf wurden die Plättchen in Vierkantstückchen zerschnitten, die je eines der vorerwähnten Aluminiumscheibchen enthielten. Jedes Vierkantstüokohen wurde in einem Gehäuse so angeordnet, dass die unbedeckte Siliziumseite der leitenden Basisflache des Gehäuses zugekehrt war, worauf sie mit Hilfe einer Gold-Antimon-Legierung mit ihr verlötet wurde. Kontakt mit dem Aluminiumscheibohen wurde erzielt, indem mit Hilfe von Värmeverdichtung ein Golddraht mit ihm ver-

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bunden wurde. Darauf wurden die Gehäuse mit Stickstoff gefüllt und abdichtend verschlossen«

Danach wurden die Musterstüoke bei 300°θ für die Dauer von 60 Stunden einem Alterungsverfahren unterworfen»

Dem Fachmann ist klar, dass zur Herstellung des Schaltelemente nach der Erfindung viele andere Verfahren verwendet werden können·

Die so erhaltenen Musterstücke wurden zum Untersuchen ihrer äusseren elektrischen Kennlinien geprüft,

Fig. 2 zeigt die Strom—Spannungs-Kennlinien eines typisohen MusterstUcks eines Festkörper—Schaltelemente nach der Er— findung.

Die angelegte Spannung V wird als positiv bezeichnet, wenn der mit der Metallschicht M verbundene positive Anschluss ein höheres Potential aufweist als das Potential des anderen negativen Anschlusses des Schaltelemente, und der durch das Schaltelement hindurchfliessende Strom I wird als positiv bezeichnet, wenn er von dem positiven Ansohluss zu dem negativen Anschluss gerichtet ist.

Die Fluss-I-V-Kennlinie, d.h. der Bereich, in dem positive Spannungen angelegt werden, zeigt einen ersten Abschnitt,

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in dem der Stroe I praktisch Null ist, und einen zweiten Abschnitt, in dem der Strom I unter Erhöhung der angelegten Spannungen Y rasch ansteigt,

Die Sperr-I-V-Kennlinie, d.h. der Bereich, in den negative Spannungen angelegt werden, zeigten einen ersten Abschnitt, in den der Strom I praktisch Null ist, und einen zweiten Abschnitt, in dem der Strom unter Erhöhung der angelegten Spannungen V in ihrer absoluten Grosse rasch ansteigt.

Im einzelnen zeigt die Fluss—I—V—Kennlinie einen ersten Bereich (Fig, 6), in dem der Strom I nach dem Ohmsohen Gesetz linear ansteigt. In Fig, 6 sind viel» verschiedene Kurven Ta, Tb, Tc und Td eingetragen, um das Verhalten des Schaltelemente bei verschiedenen Temperaturen Ta=17°C, Tb=4i,*°C, Tc=64,i°C und Td=93,Vc darzustellen.

Mit dem Ansteigen der angelegten Spannung entsteht in der Fluss—I-V—Kennlinie ein zweiter Bereich, in dem der Strom I

i/o gemäss der annähernden Formel IsIo.expAV ' ansteigt oder zunimmt, in der Io und A temperaturabhängige Parameter bedeuten. In Fig. 7 zeigen die vier Kurven Ta, Tb, To, Td das Verhalten des Schaltelemente bei den vier vorstehend spezifizierten entsprechenden Temperaturen, während sich die Kurve Te auf die Temperatur bei flüssigen Stickstoff bezieht. Mit dem weiteren Ansteigen der angelegten Spannung V entsteht in der Fluss-I-V-Kennllnie ein dritter Bereich, in dem der Strom I, wie in Fig. 8 gezeigt, zunimmt.

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Auoh hier beziehen sich die drei Kurven Ta, Td und Te auf die vorstehend spezifizierten drei entsprechenden Temperaturen.

Bei höherer Flußspannung entsteht ein vierter, negativen Widerstand aufweisender Leitungsbereioh. Bei eine» typischen Musterstück eines erfindungsgemässen Schaltelemente wurde negativer Viderstandbei etwa h V und 100 mA (FIg₉ 5) ermittelt.

Die Sperr-I-V—Kennlinie zeigt einen ersten Bereich (Fig« 9)» in dem der Sperrstrom nach der annähernden Formel I = Io·; expA'V ' ansteigt, in der Io' und A¹ temperaturabhängige Parameter bedeuten. In Fig, 9 zeigen die drei Kurven Tb₉ To, Td das Verhalten des Schaltelements bei den vorstehend spezifizierten entsprechenden Temperaturen, während sich die Kurve Tf auf die Temperatur Tf=19,i°C bezieht.

Mit dem Ansteigen des absoluten Wertes der angelegten Sperrspannung V entsteht ein zweiter Bereich (Fig, 1O)₉ in dem der Sperrstrom I gemäss der annähernden Formel

γ-Ι = Io",expy^ ansteigt, in der Vo etwa gleich 0,1 Y und praktisoh von der Temperatur unabhängig let· Fig, Il zeigt einen Abschnitt der Sperr—I—V—Kennlinie bei den drei Temperaturen Td, Te, Tf an einem linearen MaBstab.

Es leuchtet ein, dass man bei ansteigender Temperatur steigende Sperrströme erhält,

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Bei einigen unterschiedlichen, der Prüfung unterzogenen MusterstUoken des Schaltelemente nach der Erfindung wurde bei angelegten Sperrspannungen im Bereich von 15 V bis 20 V oder «ehr das Auftreten von.Durchsohlagersoheinungen beobaohtet. Man hat festgestellt, dass naoh diesem Durchschlagen die Fluss» und Sperrleitungskennlinien vollständig reproduzierbar sind« Somit ist offensichtlich, dass der während des Durchschlagene durch das Schaltelement fliessende starke Sperrstrom weder das Schaltelement zerstört, nooh die vorstehend in Betraoht gezogene Leitungseigensohaften unverrUokbar ändert«

Die äusseren elektrischen Kennlinien des Schaltelemente naoh der Erfindung lassen sioh auf naohfolgender Basis erklären«

Fig« 4a zeigt die Elektronenenergie^veaus in dem Sohalteleaent naoh FIg* i, wenn die angelegte Spannung V gleich Null ist,.

Die Linien Dl und D2 stellen die Oberflächen der isolierenden Zwisohensohioht D dar, an denen Kontakt mit der HaIbleitersqhioht S bzw, der leitenden Metallschicht M besteht. Die Linien ECS und EVS stellen die untere Grenze des Leitungsbandes bzw, die höhere Grenze des Valenzbandes für das Halbleitermaterial der Schicht S dar, wobei diese Dänder durch einen verbotenen Energiebereich voneinander getrennt

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sind. Die Linie EGD stellt die untere Grenze des Leitungsbandes für das dielektrische Material der Isolierschicht D dar. Die Linie EFM stellt das Fermi-Niveau für das Metall M dar und die Linie EFS das Fermi-Niveau für das Halbleitermaterial S, wobei die beiden·Fermi—Niveaus in dem vorerwähnten Null-Vorspannungszustand zusammenfallen.

In dem Oberflächenbereich des Halbleiters S in der Nähe der Halbleiter-Isolator-Zwischenfläche sind die Linien EVS und ECS, die die obere Grenze des Valenzbandes bzw. die untere Grenze des Leitungsbandes darstellen, infolge der Elektronenansammlung in diesem Oberflächenbereich nach unten gekrümmt.

Durch positives Vorspannen der Metallschicht M in Bezug auf die llalblei !erschient S durch äusseres Anlegen einer positiven Spannung Vl zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des Schaltelements ändert sich das Energieniveaudiagramm wie in Fig. kh dargestellt.

Im einzelnen wird das Fermi—Niveau EFM des Metalls M in Bezug auf das Fermi-Xiveau EFS in der Masse des Halbleiters S um einen der aussen angelegten Spannung Vl entsprechenden Betrag gesenkt.

Ausserdem nimmt in dem Oberflächenbereich des Halbleiters S in der Nähe der Zwischenflache Dl die Abwärtskrümmung der Bandgrenzen ECS und EVS zu.

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EAD CRiGtNAL

Die Flussleitung beruht auf dem Durchtunneln von Elektronen aus dem Leitungsband des Halbleiters S in das Leitungsband des Isolators durch den an der Ilalblei ter— Isolator—Zwischen— fläche Dl erzeugten Potentialwall hindurch. Darauf bewegen sich die Elektronen in dem Leitungsband des Isolators D unter dem Einfluss des infolge der äusseren Vorspannung in dem Isolator D erzeugten elektrischen Feldes in das Metall M hinein. Dieses Durchtunneln der Elektronen durch den Potentialwall an der Zwischenfläche 1)1 findet statt, wenn hinter dem Wall freie Energieniveaus bei gleichem Energieniveau der Elektronen in dem oberen Band des Halbleiters S vorhanden sind unter der Voraussetzung, dass die Länge des von diesen durchtunnelnden Elektronen zurückzulegenden Weges gering genug ist für eine ausreichende Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieses Durchtunnelns. Der von den die verschiedenen Energieniveaus des oberen Leitungsbandes des Halbleiters S besetzenden Elektronen zurückzulegende Abstand nimmt mi' dem Abnehmen der Niveaus zu und ist in Fig, ^lih durch das zuischon der ^wischenfläche Dl und der oberen ßandgrenze ECD des Isolators enthaltene horizontale Segment dargestellt. Dieser Abstand ist die Breite des von den durchtunnelnden Elektronen zu durchquerenden Potential— walles, Aus Fig, hh ist ersichtlich, dass bei jedem dieser Niveaus mit der Zunahme der aussen angelegten Flußspannung Vl die wallbreite abnimmt infolge der zunehmenden Schräglage der Linie ECD der oberen Bandgrenze, Deshalb ist der vorerwähnte Zustand für das Auftreten eines nennenswerten Durchtunnelns nicht erreicht, bevor nicht die aussen angelegte Spannung Vl einen bestimmten von den Abmessungen und den physikalischen Materialeigenschaften des Schaltelemente abhängigen Wert erreicht. Aus dieser Tatsache erklärt sich das Vorhandensein einer Leitungsschwelle in den Fluss-l-V-Kennlinien (Fig. 2),

BAD ORSGSNAL -*'*"

Bei weiterem Anstieg der aussen angelegten Flussspannung V nimmt die Durchschnittsbreite des von den durchtunnelnden Elektronen zu durchquerenden Potentialwalls infolge der zunehmenden Schräglage der oberen Bandgrenze ECD des Isolators D ab. Ferner krümmen sich die Bandgrenzen ECS und EVS des Halbleiters S in dem dem Isolator gegenüberliegenden Oberflächenbereich mehr und mehr infolge der zunehmenden Breite und der Konzentration der in der Nähe der Zwischenfläche D1 in dem Halbleiter S erzeugten Elektronenansammlungsschicht, so dass bei dem Durchtunnelungsvorgang mehr Elektronen und mehr (niedrigere) Energieniveaus mitspielen. Darüber hinaus nimmt die elektrische Feldstärke in der Isolierschicht D zu, so dass die aus dem Halbleiter S an der Zwischenfläche D1 durch den Potentialwall in den Isolator D injizierten Elektronen schnell zu dem Metall M hingezogen werden. Diese sämtlichen Fakten erklären das rasche Ansteigen des Flussstromes I, wenn die angelegte Flussspannung die Grenze überschreitet, an der ein nennenswertes Durchtunneln aufzutreten beginnt (Fig. 2).

Die vorerwähnte Elektronenansammlung in der Nähe der Zwischenfläche D1 lässt an der Oberfläche des Halbleiters S einen Raumladungsbereich entstehen. Somit ist klar, dass das Phänomen des Durchtunnels von dem Halbleiter zu dem Metall bei dem Schaltelement nach der Erfindung durch das Vorhandensein dieses Raumladungsbereichs unterstützt

BAD GRiGSNAL

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Wie vorstehend herausgestellt, sinkt die Durchtunnelwahrscheinlichkeit mit der Zunahme der Dicke des von den durchtunnelnden Elektroden zu durchquerenden Po ten ti al walles rasch ab.

Aus Fig. 4b ist nämlich ersichtlich, dass bei einer gegebenen äusseren Vorspannung V1 die Durchschnittsdicke des von den durchtunnelnden Elektronen zu durchquerenden Potentialvalles sowohl von der Dicke der Isolierschicht als auch von dem senkrechten Unterschied zwischen der oberen Grenze ECS des Leitungsbandes des Halbleiters S und der unteren Grenze ECD-des Leitungsbandes des Isolators D an der Zwischenfläche D1 abhängig ist.

Mittels theoretischer Betrachtungen entsprechend den in dem Aufsatz "Rectification by Means of Metal-Dielectric-Metal Sandwiches" in "Il nuovo Cimento", Gruppe X, Band 31, Seite 1246 bis 1257, vom 16. März 1964 von F. Forlani und N. Minnaja, lässt sich nachweisen, dass die Durchlässigkeit des Potentialwalles für die durchtunnelnden Elektronen annähernd eine abnehmende Funktion der Grosse s ■ V* fi_s-X

ist, in der s_D die durchschnittliche Dicke der Isolierschicht D, 0_C die Arbeitsfunktion des Halbleiters S und X-, die Elektronenaffinität des Isolators D bedeuten, wobei die Grosse 0_-X_D dem vorerwähnten Unterschied zwischen der. Leitungsbandgrenzniveaus an der Zvischenfläche D1 entspricht.

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Theoretische Betrachtungen und Versuchsergebnisse zeigen übereinstimmend, dass für das Auftreten eines nennenswerten DurchtunneltB der Wert der vorstehend erörterten Grosse s_D· V p„ - X~ weniger als 300 betragen muss,

wenn s_D in A° und j6„ und X_ß in Volt gemessen werden.

Bei der spezifischen Aus füh rungs form -des vorstehend anhand des Beispiels des Herstellungsverfahrens beschriebenen Schaltelements trifft man die Werte s_D = 180 A° und ^S ~ ^XD ^{= 0>ö V an}* ^{so dass die} vorstehend erörterte Bedingung reichlich erfüllt ist.

Wie vorstehend herausgestellt, werden die nach dem Durchtunneln in die Isolierschicht D injizierten Elektronen unter dem Einfluss des in der eigentlichen Isolierschicht aufgebauten elektrischen Feldes zu der Metallschicht M hingezogen. Jedoch unterliegen die Elektronen der Fangwirkung in den Fangzentren der Isolierschicht. Die eingefangenen Elektronen lassen in der Isolierschicht eine Raumladung entstehen, so dass die die untere Grenze des Leitungsbandes (Fig. 4b) darstellende Linie BCD mit der Wölbung zu der Metallschicht M gekrümmt wird, so dass der durchschnittliche horizontale Abstand zwischen der Zwischenfläche D1 und der oberen Bandgrenze ECD vermehrt wird. Dadurch wird die durchschnittliche Dicke des durch die durchtunnelnden Elektronen zu durchquerenden Potentialwalles an den verschiedenen Snergieniveaus erhöht. Nach dem Vorstehenden ist klar, dass die in der Isolierschicht D

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eingefangenen Elektronen in der Weise einwirken, dass sie die Durchtunnelwahrscheinlichkeit für die die unteren Energiezustände des Leitungsbandes des Halbleiters besetzenden Elektronen verringern und somit die Flussleitung negativ beeinflussen. Darüber hinaus beeinflusst jedes in der Isolierschicht eingefangene Elektron den Flussstrom negativ insofern, als sein unmittelbarer Beitrag zu dem Leitungsmechanismus als beweglicher Ladungsträger aufgehoben wird. Aus diesem Grund muss die Konzentration der Fangzentren in der Isolierschicht D so niedrig sein, dass sie eine ausreichende Driftbeweglichkeit für die Ladungsträger zulässt. Mit anderen Worten muss die freie Hauptbahn der Elektronen vor ihrem Einfangen in der Isolierschicht D die Dicke s_D der eigentlichen Isolierschicht überschreiten.

Darüber hinaus werden in der Isolierschicht D infolge der Erzeugung von ionisierten Zentren unter Einwirkung des angelegten Feldes feststehende positive Ladungen erzeugt. Somit ist der durch die eingefangenen Elektronen erzeugten negativen Raumladung eine positive Kaumladungsverteilung überlagert. Diese positive Raumladungsverteilung wirkt in der Weise ein, dass die obere Bandgrenze SCD in entgegengesetzter Richtung der durch die eingefangenen Elektronen erzeugten Krümmung gekrümmt wird. Es leuchtet also ein, dass die in der Isolierschicht D aufgebaute

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positive Raumladung durch Verringerung der Durchschnittsbreite des Potentialwalles den DurchtunnelVorgang unterstützt.

Der in dem letzten (Hochspannungs-) Bereich der Flusskennlinie beobachtete negative Widerstand scheint auf Lawinenvorgängen zu beruhen, die zu einer Ionisierung der Verunreinigungen in der Isolierschicht führen. Die Lawine bewirkt ein dielektrisches Durchschlagen, das anscheinend die äussere elektrische Kennlinie des Schaltelements unverrückbar verändert, da in der Struktur Löcher gebildet werden und ihre Einwirkung auf die Leitung vorherrschend wird.

Durch negatives Vorspannen der Metallschicht M in Bezug auf die Halbleiterschicht S durch äusseres Anlegen einer negativen Spannung V2 zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des Schaltelements ändert sich das Energieniveaudiagramm wie in Fig. 4 dargestellt.

Im einzelnen wird mit dem Ansteigen der absoluten Grosse der angelegten Sperrspannung V2 das Ferminiveau EFM der leitenden Schicht M in bezug auf das Ferminiveau EFS in der Masse des Halbleiters S um einen der angelegten Spannung V2 entsprechenden Betrag erhöht. Darüber hinaus krümmen sich die die obere Grenze des Valenzbandes bzw. die obere Grenze des Leitungsbandes darstellenden Linien EVS und ECS in dem Oberflächenbereich des Halbleiters 5

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in der Nähe der Halbleiter-Isolator-Zwischenfläche D1 nach oben, da sich in diesem Oberflächenbereich des Halbleiters eine Elektronensperrschicht bildet.

Deshalb tritt ein wesentlicher Teil des in dem Schaltelement beim Anlegen der äusseren Vorspannung V2 erzeugten kumulativen Potentialabfalls in dieser Sperrschicht auf, so dass das Aufwärtskrümmen der Linien ECS und EVS bewirkt, dass die Schräglage der Grenzlinie ECD des oberen Bandes in dem Isolator D geringer ist als die Schräglage, die entstehen würde, wenn der gesamte Potentialabfall in der Isolierschicht aufgetreten wäre.

Es ist also einleuchtend, dass diese Oberflächensperrschicht die Wahrscheinlichkeit eines Durchtunnelns von Elektronen aus dem Metall M zu dem Isolator D verringert, da sie die Breite des von den durchtunnelncen Elektronen zu durchquerenden Potentials vermehrt. Deshalb wirkt der an der Oberfläche des Halbleiters S erzeugte Raumladungsbereich negativ auf die Sperrleitung ein, während seine Wirkung auf die Flussleitung eine unterstützende ist.

Dies erklärt den in dem ersten Bereich der Sperr-I-V-Kennlinien gemessener, niedrigen Sperrstrom.

Bei weiterem Erhöhen der absoluten Grosse der angelegten Sperrspannung V2 wird aus der Oberflächensperrschicht eine Umkehrschicht (Umschaltschicht), so dass in dem

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Schaltelement nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Leitfähigkeit dieses Oberflächenbereichs des Halbleiters von n- in p-Leitfähigkeit umgeändert wird.

Ein Durchtunneln von Elektronen aus dem Metall M zu dem Halbleiter S hin findet nur beim Anlegen hoher Sperrspannungen statt. Der entstehende Sperrstrom steigt rasch an und führt zu Durchschlagerscheinungen in dem Halbleiter 3, so dass also der wie in Fig., 2 gezeigte zweite Bereich der Sperr-I-V-Kennlinien entsteht.

Aus der vorangehenden Hypothese hinsichtlich des inneren Verhaltens des Schaltelements ist klar, dass in dem Leitungsmechanismus die Aufgabe der Minoritäts-Ladungsträger des Halbleiters S unwesentlich ist. Dies wird bestätigt durch die Versuchsmessung der Erholungs- oder Freiwerdezeit des erfindungsgemässen Schaltelements. Die Erholungs- oder Freiwerdezeit, d.h. die zum Umschalten des durch das Schaltelement fliessenden Stromes von einem vorbestimmten Flusswert auf einen vorbestimmten Sperrwert verstreichende Zeit, ist nämlich äusserst kurz, da keine eine Rekombination von angesammelten Minoritatsträgern nach sich ziehende Verzögerungswirkung auftritt.

Bei der vorher beschriebenen Ausführung^brm wird als Halbleitermaterial S Silizium verwendet. Diese Wahl beruht auf der Gelegenheit der Nutzung von auf dem Gebiete

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der Halbleiterherstellung einwandfrei erstellten Technologien zum Züchten einer Siliziumdioxydschicht auf einem Siliziumplättchen,

Bin weiterer Vorteil des Schaltelements nach der Erfindung liegt nämlich darin, dass es grundsätzlich keine neue Fertigungstechnik erforderlich macht. Es kann jedoch für die Halbleiterschicht auch jedes beliebige andere geeignete Halbleitermaterial, beispielsweise Germanium, III'V-Verbin'dungen oder II·VI-Verbindungen, verwendet werden.

Die Art der Leitfähigkeit, d.h. sowohl n- als auch p-Leitfähigkeit, ist unwesentlich, da sie im Grunde lediglich das Vorzeichen des Stromes und der über das Schaltelement angelegten Spannung beeinträchtigt.

Hinsichtlich der Kristallstruktur werden keine besonderen Anforderungen gestellt, Zum Erleichtern des gleichmässigen Wachsens der Oxydschicht wurde bei der beschriebenen Ausführungsform entlang der (111)-Kristallebene geschnittenes Einkristall-Silizium verwendet. Die Verwendung von Einkristallen ist jedoch nicht zwingend.

Der spezifische Durchgangswiderstand des Halbleitermaterials muss angemessen niedrig sein zum Vermeiden einer Austauschentartung, die die Gleichrichtereigenschaften des Schaltelements erheblich abschwächen würde, indem eine

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entartete Halblexterschicht S wie eine Metallschicht in den bekannten Metall-Oxyd-Metall-Schaltelementen wirken würde.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird aus der. vorstehend erörterten technologischen Gründen thermisch gezüchtetes Siliziumdioxyd verwendet.

Jedoch kann auch jeder beliebige andere Isolator von anderer chemischer Struktur verwendet werden unter der Voraussetzung, dass der verbotene Energiebereich zwischen der unteren Grenze EDD des Leitungsbandes und der oberen Grenze des Valenzbandes ausreichend breit ist.

Beispielsweise kann der Isolator aufgedampftes Siliziummonoxyd, Aluminiumoxyd, Tantaloxyd, Nobiumoxyd oder ein organischer Polymerfilm sein.

Als leitende Schicht wurde Aluminium verwendet, weil sich u.a. Golddrahtanschlüsse mittels Wärmeverdichtung bequem mit ihm verbinden lassen. Jedoch kann anstelle von Aluminium für die leitende Schicht M auch jedes andere beliebige geeignete Metall oder Metallegierung, wie beispielsweise Kupfer, Silber, Gold-Chrom-Legierung, Niekel-Chrom-Legierung oder ein beliebiges sonstiges Metall verwendet werden, das sich im Vakuum leicht aufdampfen lässt. Zum Erzeugen eines gleichmässigen Übergangs muss die leitende Schicht M an der Isolierschicht ρ haften,

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In der vorstehenden Erörterung wurde der Isolator D als eine sowohl in ihrer Dicke als auch in ihrem physikalischen Aufbau gleichmässige Schicht geschildert.

Jedoch soll Gefügegleichmässigkeit nicht bedeuten, dass die Schicht ein Einkristall sein"muss. Die vorerwähnten Versuchsergebnisse sind nämlich unter Verwendung von amorphen Siliziumdioxydschichten erzielt worden. Die Isolierschicht muss im wesentlichen von Löchern oder sonstigen Unvollkommenheiten frei sein, da die Stromleitung infolge dieser Unvollkommenheiten über den Strom infolge Tunnelefekts nicht vorherrschen darf.

Hinsichtlich der Gleichmässigkeit der Dicke des Isolators bestehen keine strengen Anforderungen. Eine Isolierschicht mit einem zwischen der Höchst- und der Mindestdicke 50 % der durchschnittlichen Dicke nicht übersteigenden Unterschied hat sich als zufriedenstellend erwiesen, wobei jedoch die einzige wesentliche Anforderung darin besteht, dass jeglicher unmittelbarer Kontakt zwischen dem Halbleiter S und dem Leiter M vermieden werden muss.

Demzufolge leuchtet ein, dass der Wert der Dicke s^ der Isolierschicht, auf den in der Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen Bezug genommen wird, als Durchschnittswert zu verstehen ist.

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In gleicher Weise beeinträchtigen geringfügige Übergangsoder Grenzflächenunvollkommenheiten an den Zvischenflachen D1 und D2 das äussere Verhalten des Schaltelements nach der Erfindung nicht nennenswert.

Durch Parallel schalten von zwei entgegengesetzt gepolten Schaltelementen nach der Erfindung l'ässt sich ein auf nach den unmittelbaren Kennlinien der beiden Schaltelemente arbeitender symmetrischer Varistor erzielen.

Aus einer überprüfung der I-V-Kennlinien der untersuchten Musterstücie wird klar, dass der durch Anlegen einer niedrigeren Sperrvorspannung als die Sperrdurchschlagspannung erzeugte Sperrstrom dem Sperrstrom der z.Zt. verfügbaren besten pn-Flächen-Gleichrichter vergleichbar ist und dass das Schaltelement gemäss der Erfindung hinsichtlich seiner Gleichrichtereigenschaften den pn-Flächen-Schaltelementen vergleichbar ist. Die Stabilität der äusseren elektrischen Eigenschaften bei Veränderung der Temperatur ist höher als bei den besten Silizium-pn-Flächen-Dioden, da der Durchtunnelungsvorgang gegenüber Temperaturbelastungen unempfindlich ist.

Es sei bemerkt, dass bei dem Schaltelement nach der Erfindung die exponierte Oberfläche der Zvischenisolierschicht einen grossen Flächenbereich hat, so dass der Einfluss von Oberflächenstreustromwegen verringert vird.

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Deshalb ist die Uhstabilität der elektrischen Kennlinien infolge von Veränderungen in den Oberflächenleitungen der Vorrichtung bei Veränderung der Umgebungsbedingungen selbst bei nicht hermetisch verschlossenen Musterstücken solcher Schaltelemente reichlich tolerierbar. Da die hermetische Abdichtung einen vesentlichen Teil der Kosten eines elektronischen Schaltelements ausmacht, wird also ein veiterer Vorteil des Schaltelements nach der Erfindung offenbar.

Zu dem Fertigungsverfahren sei bemerkt, dass die Fertigungszeit im Vergleich zu der Fertigungszeit der pn-diffundierten Flächen-Dioden mit gleichen Gleichrichtereigenschaften erheblich verringert vird, da »an auf den langwierigen Arbeitsgang der Verunreinigungsdiffusion verzichten kann. Ausserdem werden verschiedene komplizierte, zur Steuerung des örtlichen Wachsens von Oxyd- oder Metallschichten erforderliche Abdeckungsarbeitsvorgänge in ihrer Anzahl und Kompliziertheit erheblich reduziert, so dass das Gesamtverfahren infolge sowohl der herabgesetzten Anforderungen als auch der geometrischen Genauigkeit vereinfacht wird.

Darüber hinaus lässt sich das Schaltelement nach der Erfindung leicht in integrierte Schaltungen, beispielsweise in Gleichrichtermatrixen, bequem einbauen. Bine besondere Form von zusammenhängenden Schaltungen lässt sich erzielen, indem man auf einer gemeinsamen Halbleiter-

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unterlage gesonderte, d.h. voneinander getrennte, Isoliermaterialbereiche aufbringt, auf die dann in geeigneter Weise miteinander verbundene Metallschichten aufgebracht werden. Somit findet das Problem des Hersteilens zusammenhängender Schaltungen nit aufgebrachten Gleichrichterelementen, das bisher praktisch noch ungelöst geblieben var, durch das Schaltelement nach der Erfindung eine gute Lösung.

Eine veitere vesentliche Eigenschaft des Schaltelements nach der Erfindung ist seine starke Kapazitätsveränderung bei angelegter veränderbarer Spannung.

In Fig.3 ist die Kapazität C gegen die angelegte Spannung V aufgetragen.

Bei angelegten positiven Spannungen hat die Kapazität einen im vesentliehen konstanten Wert, der annähernd gleich der Kapazität eines Kondensators mit einer dielektrischen Schicht wie die zwischen den beiden ebenen Elektroden eingelegte Isolierschicht D ist.

Dagegen weist das Schaltelement bei angelegten negativen Spannungen eine stark veränderbare Kapazität auf. Das höchste Gefälle tritt bei einigen untersuchten Muster-Stücken im Bereich von 0,5 V bis 2 V auf, wobei das Maximum-Minimum-Kapazitätsverhältnis bei diesen Musterstücken im Bereich von 10 bis 20 liegt. -v >-:'■!

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Es sei bemerkt, dass sich bei den bekannten Dioden mit veränderbarer Kapazität vergleichbare Werte des Maximum-Minimum- Kapazitätsverhältnisses erzielen lassen- Jedoch zeigen sie keine vergleichbar scharfe Kapazitätsveränderung. Demzufolge lässt sich das Schaltelement gemäss der Erfindung überall dort, wo eine veränderbare Kapazität verlangt wird, vorteilhaft an die Stelle d»-r bisher bekannten Schaltelemente setzen.

Die Tatsache, dass die höchste Gleichrichterleistung bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff beobachtet wurde, regt eine Verwendung des Schaltelements nach der Erfindung bei Kristall Speichervorrichtungen und bei Schaltkreisen an.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und b/w. oder in dor Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, vas abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Patentansprüche: Pd/Hi - 16 659

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Claims

Tn-J. C. Olivetti & C, S. p. A., Ivrea (Italien) ϊ a t α η t a η r- j r■ ϋ c h e J

1. iilektioriisches Fest.körper-Schaltelement rait einer rvischon einer Hall;] eil c-rschicht und einer J.eitenden Schicht Ringel ogter;, die Halbleiterschicht und die. leiteiicl'.- Schicht berührenden Isolierschicht, dadurch" gek'_znn7eichuet, dan-, die Isolierschicht im wesentlichen Ui eichmas.sij ist und eine solche Dicke aufveist, dass sie 3tiom mittels Tunneleffekt durchlässt.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht aus Silizium und die Isolierschicht aus Siliziumoxyd besteht.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht aus Aluminium besteht.

4. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolierschicht geringer ist als der freie Hauptveg der Elektronen in der Isolierschicht.

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5. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in A° gemessene Durchschnittsvert der Dicke der Isolierschicht D weniger als 300/V #_s - X_D beträgt, vobei JZig die in Volt gemessene Arbeitsfunktion des Halbleiters und Xp die in Volt gemessene Elektronenaffinität des Isolators bedeuten.

6. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolierschicht veniger als 300 A° beträgt.

7. Integrierte Festkörperschaltung mit mehreren Schaltelementen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht die gemeinsame Unterlage der Schaltelemente ist.

8. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Drehkondensator.

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