DE1514372A1

DE1514372A1 - Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE1514372A1
Application number: DE19651514372
Authority: DE
Inventors: Zanoni Louis Anthony; Harrison Sol Esther; Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1964-10-26
Filing date: 1965-10-25
Publication date: 1970-09-24
Also published as: DE1514372B2; US3449824A; GB1118149A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Feldeffekttransistoren mit einer durch ein Ferroelektrikum isolierten Steuerelektrode.

Feldeffekttransistoren, deren Steuerelektrode durch eine Schicht aus einem ferroelektrischen Isoliermaterial von einem steuerbaren, mit ohmschen Elektroden versehenen Kanal getrennt iet, sind bekannt. Die bekannten Feldeffekttransistoren dieses Typs enthalten einen relativ massiven Halbleiterkörper und sind kompliziert im Aufbau sowie teuer in der Herstellung. Außerdem ist es schwer, in der Fertigung eine geringe Exemplarstreuung zu erreichen.

Ein Feldeffekttransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Schicht aus einem eine Bandlücke aufweisenden Werkstoff, also einen halbleitenden oder isolierenden Werkstoff, die mit zwei im Abstand voneinander angeordneten ohmschen Elektroden versehen ist, die im Betrieb

009839/0164

_ ρ — ■

als Quelle und Abfluß dienen, sowie eine von dieser Schicht durch einen Körper aus einem zwei Hauptflächen aufweisenden Körper aus ferroelektrischem Isoliermaterial getrennte Steuerelektrode. Der ferroelektrisch^ Körper stellt die tragende Struktur für das ganze Bauelement dar und das die Bandlücke aufweisende Material hat die Form einer Schicht oder eines Überzuges auf einer der Hauptflächen des ferroelektrischen

™ Körpers. Die Steuerelektrode besteht ebenfalls aus einer Schicht oder einem Überzug, die von der anderen Hauptfläche des ferroelektrischen Körpers getragen werden. Bei einem solchen Aufbau können die Schichten oder Überzüge auf den Hauptflächen des ferroelektrischen Körpers .,so niedergeschlagen werden, daß keine warnehmbaren Diskontinuitäten zwischen der Steuerelektrode und dem die Bandlücke aufweisenden Material entstehen. Hierdurch werden ein hoher Wirkungsgrad und eine ausgezeichnete Stabilität de3 Bauelementes erreicht. Außerdem

" wird durch den neuen Aufbau die Herstellung sowohl einzelner als auch mehrfacher Einheiten mit wesentlich geringeren Kosten als bisher ermöglicht. Schließlich wird beim Erfindungsgegenstand auch kein pn-übergang benötigt, um den Kanal oder einen Teil davon zu begrenzen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, es zeigen:

009839/0164

Pig. 1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung mit einer typischen Schaltungsanordnung}

Fig. 2 eine Kurvenschar, die idealisiert die Abhängigkeit der ferroelektrischen Verschiebung (elektrische Polarisation) des ferroelektrischen Körpers von dem am ferroelektrischen Körper des in Mg· 1 dargestellten Bauelementes liegenden elektrischen Feldes angibt;

Fig. 3 eine Kurvenschar, die für den Fall eines p-leiten- M den Halbleitermaterials die ideale Übertragungsfunktion (Abhängigkeit des Abflußstromes von der Steuerelektrodenspannung) des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes angibt;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind für gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden.

Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel' der Erfindung einen Feldeffekttransistor 21, der einen ferroelektrischen Körper 23 mit zwei entgegengesetzten Hauptflächen 25, 27 enthält. Der ferroelektrisch^ Körper 23 kann monokristallin oder polykristallin sein und dient als Träger für die anderen Teile des Bauelementes. Auf der Hauptfläche 25 befindet sich eine

009839/0164

15U372

AW₇

Schicht 29 aus einem eine Bandlücke aufweisenden /die den Kanal des Bauelementes bildet. Die Enden e -A tr omweges durch die Schicht 29 werden durch zwei ohmsche Kontakte 31, 33 begrenzt, die im Abstand voneinander an der Schicht angebracht sind und im Betrieb als Quellen- bzw. Abfluß! arbeiten. Auf der anderen Hauptfläche 27 des ferroelektrischen Körpers 23 befindet sich eine Steuerelektrode 35, die der Schicht 29 zwischen den ohmschen Kontakten 31, 33 gegenüberliegen.

Der Transistor 21 kann in der dargestellten typischen Schaltung betrieben werden. Die Schaltung enthält eine Quellenleitung 41, durch die die als Quelle geschaltete ohmsche Elektrode 31 mit Masse 43 verbunden ist, einen Eingangsteil mit einer Steuerelektrodenleitung 45, die die Steuerelektrode 35 über eine Vorspannungsquelle 47 und eine mit dieser in Reihe geschaltete Signalquelle 49 mit Masse verbindet, und einen Ausgangsteil, der eine Abflußleitung 51 enthält, durch die die als Abfluß geschaltete ohmsche Elektrode 33 über einen als Widerstand 53 dargestellten Verbraucher und eine mit diesem in Reihe geschaltete Abflußspannungsquelle 55 mit Masse 43 verbunden ist. Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung, das ein verstärktes Abbild des von der Signalquelle 49 an die Steuerelektrode 35 gelieferten Signalee eein kann, steht an

009839/0164

15U372

Klemmen 57 zur Verfügung, die dem Arbeitswiderstand 53 parallel geschaltet sind.

Bei Pig. 1 und den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Signalquelle 49 ein hochfrequentes Signal und die Vorspannungsquelle 47 ein anderes Signal liefern, z.B.

eine Rückkopplungsspannung, die von irgendeiner Hilfsschaltung

stammt. Ganz allgemein können die Quellen 47» 49 jeweils ein M GIeichspannungssignal, niederfrequentes oder hochfrequentes Wechselspannungssignal oder ein Impulssignal liefern.

In Fig. 2 ist eine Schar von Kurven 59a, 59b, 59c dargestellt, die idealisiert die ferroelektrische Verschiebung, also die Abhängigkeit der Polarisation von dem angelegten Feld, für den ferroelektrischen Körper 23 des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes zeigen. Fig. 3 enthält eine entsprechende Schar von Kurven 61a, 61b, 61c die idealisiert die Übertragungsfunktion (Abhängigkeit des Abflußstromes von der Steuerelektro- (^ denspannung) des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes darstellen, wenn die Schicht 29 aus einem p-leitenden Material mit Bandlücke besteht. Die einzelnen Kurven der in Fig. 3 dargestellten Schar entsprechen verschiedenen Werten der Abflußspannung an der Elektrode 33 und damit verschiedener Stärke des elektrischen Feldes an der Schicht 29.

0 0 9 8 3 9 / 0 1 6 A

Die ungewöhnlichen Eigenschaften des Bauelementes beruhen auf der nichtlinearen Polarisierbarkeit des ferroelektrischen Körpers, der die Steuerelektrode 35 gegen die Schicht 29 isoliert. Bei der ersten Polarisierung entsprechend dem Ast I ("jungfräuliche Kurve") der Kurve 59c ist die Polarisation im ferroelektrischen Körper 23 stark von dem am Körper 23 liegenden elektrischen Feld abhängig. Da sich die eine Seite 25 des ferroelektrischen Körpers 23 im Kontakt mit der eine Bandlücke aufweisenden Schicht 29 befindet, ändern sich die Ladung in der Schicht 29 und der die Schicht parallel zur ferroelektrischen Bandlückengrenzfläche fließende Strom in einer Weise, die charakteristisch für die Polarisation des ferroelektrischen Körpers 23 ist.

Wenn die Polarisation des ferroelektrischen Körpers 23 den Sättigungsbereich II erreicht hat, wird die Ladung in der Schicht 29 bei einer weiteren Erhöhung der Steuerelektrodenspannung nur noch verhältnismäßig wenig beeinflußt und der Abflußstrom bleibt dementsprechend ziemlich konstant. Wenn die Steuerelektrodenspannung von dem großen positiven Wert auf Null herabgesetzt wird, verbleibt im ferroelektrischen Körper 23 eine remanente Polarisierung und die Ladung in der Schicht 29 wird durch die Steuerelektrodenspannung nicht nennenswert beeinflußt. Dieses Verhalten setzt sich auch bei negativen Steuerelektrodenspannungen fort, bis ein kritischer Feldetärke-

009839/0164

wert, das sogenannte "Koerzitivfeld" erreicht ist, bei dessen Überschreitung die Polarisation herabgesetzt v/ird und schließlich ihr Vorzeichen umkehrt (Bereich III), bis schließlich der entgegengesetzte Sättigungsbereich IV erreicht ist. Im Bereich III muß sich dementsprechend auch der Abflußstrom rasch ändern. Ein ähnliches Verhalten ergibt sich, wenn der oben beschriebene Vorgang umgekehrt wird, was durch die Bereiche IV und V dargestellt ist. Bei Abwesenheit von Oberflächenzuständen führt dieses Verhalten zu einer Schar von Abflußstrom/Steuerspannungskurven, die eine Hysteresischarakteristik ähnlich der des ferroelektrischen Körpers 23 aufweisen, wie die in Pig. 3 dargestellte Kurvenschar zeigt, die der Kurvenschar der Fig. 2 zugeordnet ist.

Die relative Änderung der Leitfähigkeit zwischen Quelle und Abfluß ist für den Bereich der Steuerfeldstärke zwischen Null und Sättigung für den ferroelektrischen Körper durch die folgende Gleichung gegeben:

dabei bedeuten:

P₈ * spontane Polarisierung des ferroelektrischen Körpers; /u = Beweglichkeit der Träger in der Schicht aus dem eine Bandlücke aufweisenden Material;

009839/016A

15U372

ο = spezifischer Y/iderstand des Schichtmaterials; t β Dicke der Schicht.

Ein optimales Verhalten kann also erwartet werden, wenn die den Kanal bildende Schicht aus einem Material mit hoher Trägerbeweglichkeit und hohem spezifischen Widerstand besteht und die spontane Polarisation des ferroelektrischen Körpers einen hohen Wert hat.

Feldeffekttransistoren mit Ferroelektrikum als Isolator können u.a. als "rastbarer" Transistor oder als Speicher mit mehreren Speicherpegeln verwendet werden. Das Bauelement läßt sich deshalb als Speicher mit mehreren Speicherpegeln verwenden, da sich bei einem beliebigen Wert der Steuerspannung zwischen Null und dem Sättigungswert nach Abschalten dieser Spannung ein Abflußstrom einstellt, der der vorher angelegten Steuerelektrodenspannung entspricht.

Die hier beschriebenen Bauelemente lassen sich in den verschiedensten Schaltungsanordnungen verwenden. In der in Pig. 1 dargestellten Schaltung kann das Bauelement bei geeigneter Vorspannung beispielsweise als Schalter arbeiten. Wenn man der Steuerelektrode eine periodische Spannung zuführt, die der Kurve 61c in Fig. 3 entspricht, hat die Schaltung zwei stabile Zustände, obwohl sie nur ein aktives Bauelement enthält. Die Schaltung kann also beispielsweise als Plipflop oder Gatter

009839/0164

oder Speicherkreis verwendet werden. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung kann außerdem als Mischstufe oder Oberwellengenerator dienen, wenn man von den Spannungsquellen 47 und 49 oder 49 und 55 zwei verschiedene Signale zuführt.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem der Fig* 1 entspricht mit der Ausnahme, daß der eine, im Betrieb z.B. als Quelle arbeitende ohmsche Kontakt 31a und der andere ohmsche Kontakt 53a direkt auf dem ferroelektrischen Körper 23a anstatt auf der Schicht 29a angeordnet sind. Bei diesem Beispiel besteht der ferroelektrisch^ Körper 23a aus einem Bariumtitanat-Einkristallplättchen, das etwa 5 mm lang, 7,5 mm breit und 0,075 mm dick ist. Die Schicht 29a ist polykristallin und etwa 0,4 /um dick und besteht aus isolierendem Kupferphthalocyanin (spezifischer Y/iderstand etwa 10¹¹ bis 10¹² Ohm-cm) das aus der Dampfphase auf der einen Oberfläche 25a des ferroelektrischen Körpers 23a niedergeschlagen wurde. Die Schicht 29a erreicht von dem beispielsweise als Quelle arbeitenden ohmschen Kontakt 31a zu dem als Abfluß arbeitenden Kontakt 33a. Die Kontakte 31a, 33a sind Goldschichten, die in einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,075 (3 Mil) angeordnet sind und jeweils etwa 2,5 mm lang und etwa 1,25 mm breit (Richtung zwischen Quelle und Abfluß) sind. Die Übertragungsfunktionskurvenschar di eses Bauelements ähnelt den in Fig. 3 dargestell-

009839/0 164

15U372

ten idealisierten Kurven mit der Ausnahme, daß sie etwas nach positiven Steuerelektrodenspannungen verschoben sind. Die Abflußströme bei den Sättigungswerten II und IV sind etwa 1 χ ΙΟ" bzw. 8 χ 10"^ Ampere bei Steuerelektrodenspannungen von +10 V bzw. +5 V.

Das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht dem der Fig. 1 mit der Ausnahme, da3 der im Betrieb beispielsweise als Quelle arbeitende Kontakt 31b und der andere Kontakt 33b direkt von dem ferroelektrischen Körper 23b getragen werden, und daß die Schicht 29b aus dem eine Bandliicke aufweisenden Material die Kontakte 31b, 33b über lappt. Der ferroelektrische Körper 23b besteht bei diesem Beispiel aus einem Bariumtitanat-Einkristallplättchen, dessen Abmessungen etwa 12,7 x 12,7 x 0,1 mm betragen. Die Schicht 29b ist eine etwa 50 Ä dicke polykristalline Schicht aus elementarem halbleitendom Tellur (spezifischer Widerstand ungefähr 1 bis 10 Ohm-cm) die auf die eine Oberfläche 25b des ferroelektrischen Körpers 23b aufgedampft wurde. Die Kontakte 31b, 33b, die im Betrieb als Quelle und Abfluß dienen, bestehen aus Goldschichten, die einen gegenseitigen Abstand von etwa 25 /um haben und etwa 2,5 mm lang und etwa 0,5 mm breit (Richtung zwischen den ohmschen Kontakten) sind. Die Steuerelektrode besteht aus einer Goldschicht, die etwa 25 /um lang und etwa 2,5 mm breit 1st und der Tellurschicht gegenüberliegt. Die über-

009839/0 164

tragungsfunktionskurven dieses Bauelementes entsprechen der in Pig. 2 dargestellten idealisierten Kurvenschar mit der Ausnahme, daß sie etwas in Richtung auf positive Steuerelektrodenspamr.m^c'r, verschoben sind. Der Abflußstrom beträgt bei den Sättigungsv/orten II und IV etwa 0,2 und 0,6 mA bei Steuerelektrodenspannunf-on von etwa +20 V bzw. -5 V.

Das in Pig. 5 dargestellte Bauelement kann auf folgende V/eise hergestellt werden: Das Bariumtitanatplättchen 23b wird chemisch in heißer wässeriger Phosphorsäure geätzt, um seine Oberfläche zu reinigen. Anschließend wird das Plättchen getrocknet und in ein Vakuumaufdampfgerät gebracht, das auf einen Druck von etwa 5 x 10""^ Torr evakuiert wird. Das Plättchen 23b wird dann über seine Curie-Temperatur erhitzt, vorzugsweise für etwa 15 Minuten auf etwa 200⁰C, und die Oberflächen des Plättchens werden dann zur endgültigen Reinigung für etwa drei Minuten einer Grlimmentladung ausgesetzt. Durch die Glimmentladung wird die Oberfläche mit Ionen bombardiert, die alle etwa noch vorhandenen unerwünschten Teile von der Oberfläche entfernt. Durch das Erhitzen des Kristalles über seine Curie-Temperatur wird eine Polarisation des Kristalles während der Glimmentladung vermieden. Der Druck im Aufdampfgerät wird dann auf etwa 2 χ 10 Torr verringert und über der einen Oberfläche 25b des Plattchens 23b wird eine Maske für die im Betrieb als Quelle und Abfluß arbeitenden Elektroden angeordnet. Durch

BAD ORIGHNAL 009839/0164

diese Maske wird dann Gold aufgedampft, das sich, auf der Oberfläche 25b niederschlägt und die Kontakte 31b, 33b bildet. Die Elektrodenmaske wird dann durch eine Kanalmaske ersetzt. Y/ährend sieh das Plättchen 23b immer noch über seiner Curie-Temperatür befindet, wird dann durch die Kanalmaske elementares Tellur aufgedampft, das sich auf der Oberfläche 25b niederschlägt und die Elektroden 31b, 33b mindestens zum Teil überlappt. Das Tellur kann jedoch auch aufgedampft werden, während sich das Ferroelektrikum unterhalb der Curie-Temperatur befindet, nachdem die Reinigung beendet ist. Die Kanalmaske wird dann entfernt und über der anderen Oberfläche 27b wird eine Steuerelektrodenmaske angeordnet. Durch diese Maske wird dann wieder Gold aufgedampft, das sich auf der Oberfläche 27b des Plättchens 23b niederschlägt, während die Temperatur des Plättchens noch über der Curie-Temperatur liegt. Die Steuerelektrode kann gewünschtenfalls auch bei einem anderen als dem bei den vorhergehenden Verfahrensschritten verwendeten Druck aufgedampft werden. Das so gebildete System wird dann aus dem Aufdampfgerät entnommen und an den verschiedenen Elektroden werden Ansehlußleitungen angebracht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht dem in Fig. 5 dargestellten Bauelement mit der Ausnahme, daß der ferroelektrische Körper 23b ein Einkristallplättchen aus Triglycinsulfat ist, dessen Abmessungen etwa 12,5 x 12,5 x 0,64 mm betragen. Die Ubertragungsfunktionskurven dieses Ausfüh-

009839/0164

_ 15U372

rungsbeispiels ähneln den in Fig. 2 dargestellten idealen Kurven mit der Ausnahme, daß sie etwas in Richtung auf positive Steuerelektrodenspannungen verschoben sind. Die Abflußströme bei den Sättigungswerten II und IV betragen etwa 0,2 und 0,002 mA bei Steuerelektrodenspannungen von etwa +25 V bzw. -10 V. Die Abflußspannung beträgt für diese Werte etwa +3 V.

Die beschriebenen Bauelemente können unter Verwendung beliebiger ferroelektrischer Werkstoffe hergestellt werden, die entweder monokristallin oder polykristallin sein können· Geeignete ferroelektrisehe Werkstoffe sind Bariumtitanate und seine Homologen, Rochelle-Salz und Ammoniumdihydrophosphat und deren Homologe, Guanadinaluminiumsulfathexahydrat und aeine Homologen und Tryglycinsulfat und seine Homologen. Die bevorzugten ferroelektrischen Werkstoffe haben eine hohe Polarisation und sind chemisch und elektrisch unempfindlich gegen Temperaturänderungen und die Atmosphäre.

Für den Kanal kann irgendein Material mit Bandlücke verwendet werden, das halbleitend oder isolierend, organisch oder anorganisch sein kann. Ein Material mit Bandlticke hat einen Energiebereich, in dem keine erlaubten Energiezustände für Ladungsträger existieren. Die Begriffe "halbleitend" und ^Hieolierend^M sollen bedeuten, daß das Material einen mittleren _; oder hohen spezifischen Widerstand hat. Das Material mit Band-

0098-39/01-84

15H372

lücke hat vorzugsweise einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe Trägerbeweglichkeit. Die Bandliicke kann klein oder groß sein. Das Material mit Bandliicke soll sich als Schicht oder Überzug auf die Oberfläche des ferroelektrischen Körpers aufbringen lassen, beispielsweise durch Aufdampfen, epitaxiales Züchten, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Erstarren lassen. Geeignete Materialien mit Bandlücke sind u.a. Silicium, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Tellur, Selen und Eupferphthalocyanin.

009839/01

Claims

1ΒΊ4372

Batantaneprllohi

1·) Feldeffekttransistor mit oiner Schicht aus einem Liaterial mit Band lücke, an. der im Abstand voneinander zwei ohmsche Elektroden angebracht sind, und mit einer von dieser Schicht durch einen ferroelektrisch^, isolierenden Körper getrennten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, M

daß der ferroelektrische, isolierende Körper (23) als Träger für die Schicht (29) ausgebildet ist.

2.) Feldeffekttransistor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferroelektrisch^ Körper (23) selbsttragend ist.

3·) Verfahren zum Herstellen eines ffeldoffekttranoiators nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ferroelektrischer Körper (23) im Vakuum Uber secLne Curie-!Temperatur erhitzt wird, und daß dann die Oberfläche des erhitzton Körpers mit Ionen bombardiert wird·

4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf der mit Zonen bombardierten Oberfläche eine Schicht aus einem Material mit Bandllloke hergestellt

5.) Verfahren nach Ansprach 4i dadurch gekennzeichnet , daß das Material mit Eandlüoke noch im Vakuum aufgebracht wird«

BAD OR/GHn_al 009839/0164

15U372

6.) Verfahren nach Anspruch 5» da durch g e ken η ze ichnet, daß die Schicht mit im Abstand voneinander angeordneten Kontakten versehen wird, und daß auf einer anderen Oberfläche gegenüber dem Raum zwischen den Kontakten eine Steuerelektrode gebildet wird.

009839/0164