DE2023691B2 - Halbleiterbauelement zum schalten, sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zum Schalten mit einer auf einem Träger angeordneten Elektrodenschicht, einem darauf angeordneten Halbleiterfilm und einer auf dem Halbleiterfilm angeordneten weiteren Elektrodenschicht, bei dem der · Halbleiterfilm aus amorphem Halbleitermaterial besteht, das zwischen einem Zustand guter elektrischer Leitfähigkeit und einem Zustand schlechter elcktrischer Leitfähigkeit umschaltbar ist und bei dem die Elektrodenschichten aus elektrisch leitfähigem, amorphem, hitzebeständigem Material bestehen, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein solches Halbleiterbauelement ist bereits vorgcschlagen worden (DT-PS 19 54 967) und zeichnet sich durch sehr stabile Eigenschaften aus.

Es ist auch bereits eiw Halbleiterbauelement zum Schallen bekannt (US-PS 32 71 591), dessen Halbleitermaterial die Bildung polymercr Strukturen erlaubt und insbesondere Bor, Kohlenstoff. Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Wasserstoff, Fluor und/oder Chlor aufweisen. Silicium, Germanium. Phosphor, Arsen und auch Aluminium, Gallium, Indium, Blei Wismut u.dgl. sind besonders zweckmäßig, da sie covalente Bindungen und Vernetzungen veranlassen, wodurch die Halbleitermaterialien in einem amorphen bzw. im wesentlichen ungeordneten Zustand zurückgeführt bzw. in diL-.em gehalten werden können. Selbst wenn örtliche Ordnungen bzw. Bindungen der Atome vorhanden sind, weisen solche Halbleitermaterialien einen hohen elektrischen Widerstand auf. der sich alierdings bei Erreichen einer Schwellenspannung auf einen wesentlich kleineren, beispielsweise um Zehnerpoten-/;n kleineren Wert vermindert indem sich mindestens ein Teil des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden in Form beispielsweise eines stromleitenden Pfads so verändern daß entlang dieses Pfads Strom im wesenMichen im gleichen Maße in beiden Richtungen fließen kann.

Bauelemente des nichtspeichemden Typus bleiben nui solange in dem elektrisch gut leitfähigem Zustand, wie der durch sie hindurchfließende Strom nicht unter einen Schwellenstom atsinkt; aann kehren sie selbsttätig in den sogenanmen Sperrzustand zurück. Bauelemente des speichernden Typus verbleiben dagegen selbst beim Abschalten des Stroms in dem elektrisch gut leitfähigen Zustand, beispielsweise dadurch, daß sich die örtlichen Ordnungen bzw. Bindungen der Molekularstruktur ändern und in diesem geänderten Zustand »eingefroren« werden. In diesem Zustand kann das Halbleitermaterial kristallin sein, in der Regel ist es jedenfalls geordneter als im Sperrzustand relativ großen elektrischen Widerstands. Zum Umschalten zurück in den Sperrzustand wird durch das Halbleitermaterial beispielsweise ein Impuls großer Stromstärke geschickt, so daß sich die Struktur aus dem geordneteren Zustand wieder zurück in den im wesentlichen ungeordneten bzw. amorphen Zustand verändert. In der US-PS 32 71 591 ist unter anderem auch ein Halbleiterbauelement zum Schalten beschrieben, bei dem ein Film aus deratigem amorphen Halbleitermaterial mit einem Paar Elektroden versehen ist.

Halbleiterbauelemente solcher Gattung können für die verschiedenartigsten elektronischen Anwendungsfälle, zum Speichern von Informationen, zum Schalten sogar von Starkstromkreisen, zur Steuerung von Schalivorgängen u. dgl. verwendet werden.

Der Erfindung liegt nun — ausgehend von dem eingangs geschilderten Vorschlag — die Aufgabe zugrunde, die Herstellbarkeit und Effektivität der Bauelemente noch weiter zu verbessern, ohne daß die Stabilität der Schalteigenschaften zu wünschen übrig läßt.

Die Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterfilm eine den Raum zwischen den als abgeschiedene Filme ausgebildeten Elektrodenschichten ausfüllende Schicht ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung von amorphen an Stelle von kristallinen Elektroden das Bestreben des Halbleitermaterials noch weiter verringert wird, seine Struktur im Laufe der Zeit zu verändern, d. h. zu altern, wenn der Halbleiterfilm auf eine solche Elektrode aufgetragen wird. Es besteht nicht die Gefahr, daß das Halbleitermaterial eine kristallinartige Struktur annimmt, sondern sich auch wirklich im amorphen bzw. im wesentlichen ungeordneten Zustand befindet und dort verbleibt. Darüber hinaus zeigte sich, daß die Verbindung zwischen dem amorphen Elektrodenfilm und dem Halbleiterfilm sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht besser ist als bei den bisher bekannten Halbleiterbauelementen. Es ist eine amorphe Baueinheit in Allfilmtechnik herstellbar. Halbleiterfildicken bis zu I μιη werden bevorzugt.

Besonders gute Eigenschaften werden dann erzielt, wenn die Elektroden aus Material mit hohem Schmelz-

punkt bestehen, was bei Halbleiterbauelmenten zum Schaken uer in Rede stehenden An bei in Halbleitermaterial eingepreßten Elektroden aus Nickel, Wolfram und Tantal bereits bekannt ist (Dt-PS 12 49 41°). Dabei empfiehlt es sich. Tantal, Niob und/oder Wolfram für das Elektrodenmaterial zu verwenden. Besondere Vorteile bietet Molybdän.

Die Herstellung der amorphen Fi-jktrodenfilme er-'•»Igt nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch, daß bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur oder nur wenig darüber, aufgetragen wird was insbesondere dadurch möglich ist, daß der Träger bzw. die Unterlage, auf der der Elektrodenfilm anzubringen ist, be^;m Auftragen auf niedriger Temperatur, beispielsweise unterhalb Raumtemperatur, gehalten wird.

Das Auftragen kann, wie an sich bekannt im Vakuum, durch Aufdampfen, kathoden-Zerstäuben od. dgl. erfolgen.

Es versteht sich, daß die Elektroden mii geeigneten Zuleitungen zum Anschluß an einen Stromkreis versehen sein müssen.

Halbleiterbauelemente nach der Erfindung können sowohl solche des speichernden als auch solche des nich i-speichernden Typus sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Darin ^eigt.

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines in einen Stromkreis eingebauten Halbleiterbauelements,

F i g. 2 ein Strom-Spannüngs-Diagrarr.m zur Veranschaulichung der Wirkungsweise eines nicht-speichernden Halbleiterbauelements beim Betrieb in einem Gleichstrom-Laststromkreis,

F i g. 3 und 4 Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung der symmetrischen Wirkungsweise eines nichtspeichernden Halbleiterbauelements beim Betrieb in einem Wechselstrom-Laststromkreis,

F i g. 5 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise eines speichernden Halbleiterbauelements beim Betrieb in einem Gleichstrom-Laststromkreis,

F i g. 6 und 7 Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung der symmetrischen Wirkungsweise eines speichernden Halbleiterbauelements beim Betrieb in einem Wechselstrom-Laststromkreis, und

F i g. 8 eine schematische Schnittdarsteilung des Aufbaus eines Halbleiterbauelements in größerem Maßstab.

Gemäß F i g. 1 weist ein typischer einfacher Laststromkreis ein Halbleiterbauelement 10 mit einer filmartigen Halbleiterschicht 11, gegebenenfalls von hohem elektrischen Widerstand, und zwei Elektrodenschichten 12, 13 auf, die mit der Halbleiterschicht 11 unter niedrigem elektrischem Übergangswiderstand ir Berührung stehen. Die Elektrodenschichten 12, 13 sind in Reihe in einen elektrischen Laststromkreis eingeschaltet, der einen Verbraucher 14 und zwei Anschlüsse 15, 16 für die Energiezufuhr zu diesem enthält. Die zugelieferte Energie kann je nach Wunsch eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein. Die in F i g. 1 veranschaulichte und bisher beschriebene Schaltung ist beim nicht speichernden Typ des Halbleiterbauelements 10 anwendbar. Wenn ein solches vom speichernden Typ verwendet wird, weist der Stromkreis ferner eine Stromquelle 17, einen niedrigen Widerstand 18 und einen mit den Elektrodenschichten 12, 13 verbundenen Schalter 19 auf. Dieser Hilfsstromkreis soll dazu dienen, das sDeichernde Halbleiterbauelement durch Zuführen eines Energieimpulses aus seinem stabilen Leittähigkeitszustand niedrigen Widerstands in seinen stabilen Sperrzustand hohen Widerstands überzuführen. Der Widerstandswert des Widerstands 18 ist vorzugsweise erheblich geringer als der Widerstandswert des Verbrauchers 14.

Gemäß F i g. 2 bleibt im Gleichstrombetrieu des Halbleiterbauelements 10 vom nicht-speichernden Typ der Schalter «9 jederzeit ausgeschaltet Es befindet sich normalerweise im Sperrzustand hohen Widerstands. Der Kurvenabschnitt 20 veranschaulicht die Strom-Spannungs-Charakteristik bei Anlegen einer Gleichspannung an die Klemmen 15, 16, und beim Anstieg dieser Gleichspannung, wie ersichtlich, hat das Halbleiterbauelement 10 in diesem Zustand einen hohen elektrischen Widerstand und sperrt im wesentlichen den Stromdurchgang. Wenn die Spannung bis zu einer Schwellenspannung gesteigert wird, sinkt der elektrische Widerstand in der Halbleiterschicht 11 im wesentlichen augenblicklich in mindestens einem Pfad zwischen den Elektrodenschichten 12, 13 von seinem hohen Wert auf einen um Zehnerpotenzen niedrigeren Wert; dieses im wesentlichen augenblickliche Umschaltung wird durch die Kurve 21 angedeutet. Auf diese Weise wird ein Zustand niedrigen elektrischen Widerstands oder Leitfähigkeitszustand geschaffen, bei dem Strom fließt. Der Leitfähigkeitszustand ist durch die Kurve 22 veranschauchlicht; diese ist im wesentlichen ein geradliniger Ast der Strom-Spannungs-Kennlinie, der eine im wesentlichen konstante Spannung bei steigendem und bei sinkendem Strom andeutet. Mit anderen Worten fließt Strom bei im wesentlichen konstanter Spannung. Im Leitfähigkeitszustand niedrigen Widerstands weist das Halbleiterbauelement 10 einen Spannungsabfall auf, der einen kleichen Bruchteil des Spannungsabfalls im Sperrzustand hohen Widerstands in der Gegend der Schwellenspannung beträgt.

Wird die angelegte Spannung vermindert, dann nimmt die Stromstärke entlang der Kurve 22 ab; 'λιτ,π die Stromstärke unter einen Schweüensirom absinkt, kehrt der Widerstand des mindestens einen Pfads augenblicklich von seinem niedrigen Wert auf seinen hohen Wert zurück, wie dies durch die Kurve 23 angedeutet ist, so daß der Sperrzustand hohen Widerstands wiederhergestellt wird. Mit anderen Worten ist ein Strom erforderlich, um das Halbleiterbauelement 10 im leitfähigen Zustand zu halten. Sinkt die Stromstärke enter den Schwellenstrom ab, dann steigt der elektrische Widerstand von niedrigen Wert augenblicklich auf den hohen Wert an. Dieses Verhalten ist bezüglich Strom und Spannung symmetrisch, indem Strom in beiden Richtungen im wesentlichen gleichmäßig gesperrt bzw. in beiden Richtungen im wesentlichen gleichmäßig geleitet wird. Das Umschalten zwischen dem Sperrzustand und dem Leitfähigkeitszustand erfolgt äußerst schnell.

Gemäß F i g. 3 ist die Kurve 20 des Sperrzustands bei Wechselstrombetrieb gezeigt, bei dem die Spannungsspitzen der Wechselspannung immer unter der Scliwellenspannung bleiben. Wenn jedoch die Spannungsspitzen der angelegten Wechselspannung über die Schwellenspannung ansteigen, wird das Halbleiterbauelement 10 im wesentlichen augenblicklich gemäß der Kurve 21 (F i g. 4) in den Leitfähigkeitszustand, d. h. auf die Kurve 22, umgeschaltet. Nähert sich die angelegte Wechselspannung dem Wert Null, so daß der Strom unter den Schwellenstrom fällt, dann schaltet das Halbleiterbauelement 10 gemäß der Kurve 23 vom

Zustand niedrigen elektrischen Widerslands, in den Zustand hohen elektrischen Widerstands, d. h. auf die Kurve 20, zurück. Dieses Umschalten findet bei jeder Halbperiode der Wechselspannung statt.

Bei diesen Schaltvorgängen ändert sich die Phase bzw. die physikalische Struktur des Halbleitermaterials nicht. Da sich die Halbleiterschicht 11 in einem im wesentlichen ungeordneten amorphen Zustand befindet, ist im Leitfähigkeitszustand auch der erwähnte leitfähige Pfad durch das Halbleitermaterial in einem im wesentlichen ungeordneten amorphen Zustand; er hat einen scheinbaren Durchmesser oder eine scheinbare Querabmessung entsprechend der Stromstärke des darin fließenden Stroms. Mit zunehmendem Strom vergrößert sich der scheinbare Durchmesser des Pfads und bei Stromverminderung wird er geringer, so daß ein im wesentlichen konstanter Spannungsabfall aufrechterhalten wird.

Gemäß F i g. 5 befindet sich das Festkörper-Halbleiterbauelement 10 speichernder Art bei Glcichstrombetrieb normalerweise im Sperrzustand hohen Widerstands längs der Kurve 30. Der elektrische Widerstand des Bauelements 10 ist hoch und der Stromdurchgang im wesentlichen gesperrt. Wenn die Spannung die Schwellenspannung erreicht, sinkt der elektrische Widerstand im Halbleiterfilm 11 längs der Kurve 31 auf mindestens einem Pfad zwischen den Elektrodenschichten 12, 13 im wesentlichen augenblicklich auf einen niedrigen Wert. Die Kurve 32 im Leiterzustand entspricht im wesentlichen dem Ohmschen Gesetz. Im Leitfähigkeitszustand niedrigen Widerstands ist der Spannungsabfall an der Halbleiterschicht 11 widerum nur ein kleiner Bruchteil der Schwellenspannung. Hier wird angenommen, daß der leitfähige Pfad, der als in dem Halbleitermaterial permanent gebildeter Faden betrachtet werden kann, einen während der Änderung des Stromdurchgangs durch diesen im wesentlichen unveränderten Durchmessers hat, der zum Zeitpunkt der ersten Stromleitung entsprechend der Stromstärke des hindurchgeleiteten Stroms festgelegt wird, so daß, wenn der stromleitende Pfad oder die Pfade eingefroren sind, nur hohe Stromstärken des hindurchfließenden Stroms eine ausreichende Erhitzung innerhalb des Halbleitermaterials im Bereich des Pfads oder der Pfade verursachen und diesen Pfad oder diese Pfade zu einer Vergrößerung des Durchmessers oder der Querabmessung veranlassen.

Wenn die Spannung vermindert wird, sinkt die Stromstärke entlang der Kurve 22 sogar bis auf Null, wenn die Spannung auf Null sinkt. Das speichernde Halbleiterbauelement 10 hat ein »Gedächtnis« seines Leitfähigkeitszustands und verbleibt in diesem leitfähigen Zustand, selbst wenn der Strom auf Null sinkt oder die Stromrichtung umgekehrt wird, bis es in der im folgenden beschriebenen Weise in den Sperrzustand umgeschaltet wird. Die Belastungslinie 33 des Laststromkreises ist im wesentlichen parallel zur Kurve 31. Wenn dem Halbleiterfilm bzw. der Halbleiterschicht 11 beispielsweise von der Spannungsquelle 17 aus über den Widerstand 18 und den Schalter 19 unabhängig vom Laststromkreis ein Gleichstromimpuls zugeführt wird, liegt die Lastlinie für einen solchen Strom auf der Linie 34, denn in diesem Steuerstromkreis ist der Widerstand, wenn überhaupt einer vorhanden ist, sehr gering. Da die Lastlinie 34 die Kurve 30 schneidet wird die sich zwischen den Elektrodenschichten IZ 13 erstreckende Halbleiterschicht 11 aus dem Leitfähigkeitszustand augenblicklich in den Sperrzustand zurückgeschaltet, in dem sie dann bis zum nächsten Schaltvorgang verbleibt. Auch dieses speichernde Halbleiterbauelement 10 ist hinsichtlich seines Betriebs symmetrisch. Das Umschalten zwischen dem Sperrzustand und dem Leitfähigkeitszustand erfolgt ebenfalls äußerst schnell.

Der Wechselsirombetrieb der speichernden Vorrichtung ist in Fig.6 und 7 veranschaulicht. Fig.b zeigt das Halbleiterbauelement 10 im Sperrzustand, bei dem die Spannungsspilzen niedriger sind als die Schwcllenspannung. Der Sperrzustand ist in beiden Halbperioden durch die Kurve 30 veranschaulicht. Das Element sperrt also den Stromdurchgang in j'leichem Maß in beiden Halbperioden. Wenn dagegen die Spannungsspitzen die Schwellenspannung des speichernden EIemems überschreitet, wird augenblicklich auf die Kurve 32, d. h. in den Leitfähigkeitszustand, umgeschaltet. Ohne Rücksicht auf eine Stromverminderung oder -umkehr bleibt dieser Leitfähigkeitszustand aufrechterhalten. Dieser symmetrische Leitfähigkeitszustand wird durch die Kurve 32 veranschaulicht. Das Zurückschalten in den Sperrzustand, d. h. auf die Kurve 30. erfolgt durch Betätigen des Schalters 19. Die an die Klemmen 15, 16 angelegte Spannung ist niedriger als die Schwellenspannung. Ein Energieimpuls, insbesondere ein Stromimpuls sorgt dafür.

Das Halbleiterbauelement 10 ist im Sperrzustand im wesentlichen ungeordnet und allgemein amorph, der Pfad durch den Halbleiterfilm bzw. die Halbleiterschicht 11, die den Raum zwischen den Elektrodenschichten 12, 13 ausfüllt, ist dagegen im Leitfähigkeitszustand geordneter. Im Gegensatz zu den Materialien vom nichtspeichernden Typ können daher die örtliche Ordnung und die örtlichen Bindungen des amorphen Zustands des Halbleitermaterials vom Speichertyp derart geändert werden, daß dort in einer quasi-permanenten Weise ein oder mehrere leitfähige Pfade gebildet werden. Mit anderen Worten kann die Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien vom Speichertyp drastisch geändert werden.

Gemäß F i g. 8 ist bei dem Halbleiterbauelement 10 auf einem Träger 40, der aus einem leitendem, halbleitendem oder isolierendem Material, z. B. Glas, bestehen kann, als dünner Film eine elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 12 mit guten elektrischen und hochschmelzenden Eigenschaften, vorzugsweise aus Molybdän, in solcher Weise aufgetragen, daß sich ein im wesentlichen ungeordneter und allgemein amorpher Zustand des betreffenden leitfähigen Materials einstellt. Die amorphe Elektrode kann durch Auftrag im Vakuum, Kathoden-Zerstäubung od. dgl. auf der Fläche des Trägers 40 hergestellt werden, der auf einer genügend niedrigen Temperatur gehalten wird, um das so aufgetragene Material zu veranlassen, auf seiner Oberfläche in dem gewünschten, im wesentlichen ungeordneten und allgemein amorphen Zustand einzufrieren bzw. zu erstarren.

Über die Elektrodenschicht 12 wird dann ein Film aus Halbleitermaterial, die Halbleiterschicht 11, entweder vom nicht-speichernden oder vom speichernder Typ und darauf eine weitere amorphe Elektroden schicht 13 aufgetragen. Auch diese Halbleiterschicht 11 befindet sich in einem im wesentlichen ungeordneter und amorphen Zustand. Dieser Auftrag kann durch Va kuumauftrag, Kathoden-Zerstäubung od. dgl. erfolger Da sowohl die nichtspeichernden als auch di speichernden Halbleitermaterialien im wesentliche ungeordnete und allgemein amorphe Materialien sine in denen nur durch Anlegen einer Spannung oberhal

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einer Schwellenspannung einzelne leitfähige Pfade gebildet werden, ist es erwünscht, daß der amorphe Zustand durch das ganze Volumen oder über die ganze Dicke der Halbleiterschicht 11, d. h. im Raum zwischen den Elektrodenschichten 12, 13, durchgehend erhalten bleibt. Dies ist von ganz besonderer Bedeutung, wenn sehr dünne Schichten der Halbleitermaterialien in Berührung mit den Elektrodenoberflächen gebracht werden, was dazu führen würde, daß das Halbleitermaterial zur Bildung regelmäßiger oder kristalliner Muster entsprechend den Regelmäßigkeiten oder Unregelmäßigkeiten der Elektrodenoberfläche veranlaßt wird. Bei Filmdicken des Halbleitermaterials von beispielsweise 1 μηι oder weniger würde eine solche Verregelmäßigung der Molekularstruktur über einen wesentlichen Anteil der Gesamtdicke des Halbleitermaterials bestehen. Gemäß der Erfindung gewährleisten die Elektrodenschichten 12, 13 aus amorphem leitfähigem Material, daß auch die Halbleiterschicht 11, die mit derartigen Elektrodenschichten 12, 13 den ganzen Raum zwischen diesen ausfüllend in Berührung steht, über die gesamte Dicke im wesentlichen ungeordnet bzw amorph bleibt.

Die Elektrodenschicht 13 kann aus dem gleicher oder einem anderen Material wie die Elektrodenschichi 12 bestehen. Die Zuleitungen 12a, 13,i verbinden die amorphen leitfähigen Elektrodenschichten 12, 13 mi den Strom- bzw. Spannungsanschlüssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509584/

Claims (6)

Patentansprüche

1. Halbleiterbauelement zum Schalten mit einer auf einem Träger angeordneten Etektrcdenschicht, einem darauf angeordneten HalWeitenilm und einer auf dem Halb'eiterfilm angeordneten weiteren Elektrodenschicht, bei dem der Halbieiierfilm aus amorphem Halbleitermaterial besteht, das zwischen einem Zustand guter elektrischer Leitfähigkeit und einem Zustand schlechter elektrischer Leitfähigkeit umschaltbar ist und bei dem die Elekirodenschichten aus elektrisch leitendem, amorphem, hitzebestäiidigem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbieiterfilm eine den Raum zwischen der als abgeschiedene Filme ausgebildeten Elektrodenschichten (12. 13) ausfüllende Schicht (11) ist.

2. Hüioleiterbauelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Haibleiterschichi (Ii) bis zu I μιτι dick isL

3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschichten (12. 13) bei solcher Temperatur aufgetragen werden, daß sie amorph sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (40) beim Auftragen der Elektrodenschichten (12, 13) auf so niedriger Temperatur gehalten wird, daß die Elektrodenschichten (12,13) amorph sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschichten (12, 13) durch Kathodenzerstäuber aufgetragen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschichten (12. 13) und die Halbleiterschicht (H) im Vakuum aufgetragen werden.