DE2109418A1

DE2109418A1 - Mechanisch-elektrischer Halbleiterwandler

Info

Publication number: DE2109418A1
Application number: DE19712109418
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Takatsuki Osaka; Taguchi Isao; Miura Nobuaki; Kyoto; Higashi (Japan). P
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-02-27
Publication date: 1972-05-31
Also published as: US3872490A; FR2116351A1; FR2116351B1; CA920280A; DE2109418B2

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN

MUNCHEN-SOLLN
Franz-Hals-Straße 21
Telefon 796213

OT 2876 München, den 24. Februar 1971

Dr. H./K./fr

Omron Tateisi Electronics Co.

10, Tsuchido-cho, Hanazo, Ukyo-ku Kyoto, Japan

Mechanisch-elektrischer Halbleiterwandler

Priorität: Japan; 16. Nov. 1970; I

Nr. 114 087/1970; und 20. Jan. 1971

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten mechanischelektrischen Halbleite rv/andle r.

Es sind schon verschiedene Arten von aus Halbleitermaterial bestehenden mechanisch-elektrischen Wandlern, die auf einen mechanischen Druck ansprechen, verwendet worden. Üblicherweise wird dabei ein PN-Übergang eines Halbleiters benutzt. Der Halbleiter besteht im allgemeinen aus Silizium, und die elektrischen Eigenschaften des PN-Überganges verändern sich, wenn eine mechanische Kraft oder ein Druck auf den PN-Übergang ausgeübt wird. Man kann daher grundsätzlich eine auf mechanischen Druck ansprechende Vorrichtung dadurch schaffen, daß man Mittel vorsieht, mit denen auf den PU-

209823/0946

Bayerische Vereinsbank München 820993

OT 2876 - 2 -

Übergang des Halbleiters ein Druck ausgeübt wird.

Eine dabei auftretende Schwierigkeit der bekannten Umwandler mit PN-Übergängen besteht in deren geringer Empfindlichkeit. Aus diesem Grunde ist es nötig, einen solchen Wandler mit einem aktiven Schaltelement, wie etwa einem Transistor, zu kombinieren, wenn der Wandler praktisch verwendet werden soll. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der geringen Linearität der Kennlinien, was die Anwendbarkeit eines solchen Wandlers begrenzt. Ferner ist bekannt, daß Halbleitervorrichtungen mit PN-Übergängen bei der Herstellung hohe Temperaturen erfordern, was den Herstellungsprozeß kompliziert macht und Kostensteigerungen verursacht.

Ein bekannter Wandler einer anderen Art verwendet eine Schottky-Sperrschicht, die sich zwischen einer Halbleiterschicht und einer Metallschicht ausbildet* Eine der bei solchen Wandlern auftretenden Schwierigkeiten besteht darin, daß die Sperrschicht leicht beschädigt werden kann, wenn eine mechanische Kraft oder ein Druck auf die Metallschicht ausgeübt wird, da die Metallschicht weich ist.

In eigenen deutschen Patentanmeldungen (P 20 47 175»4-33 und P 20 47 176.5-33) ist bereits eine Halbleitervorrichtung vorgeschlagen worden, die aus einer auf einem halbleitenden Substrat, ζ. Β. aus Silizium, aufgebrachten Zinnoxidschicht besteht und gleichrichtende und photoelektrische Eigenschaften aufweist.

209823/0946

Eine solche Halbleitervorrichtung kann dadurch hergestellt werden, daß ein N-leitendes, aus einem Einkristall bestehendes Siliziumsubstrat in einem Quarzrohr erhitzt wird, dass der Dampf eines Zinnsalzes, z. B₀ Dimethyl-Zinndichlorid, in das Quarzrohr eingeführt wird, so daß sich eine Zinnoxidschicht auf dem Siliziumsubstrat 'durch Pyrolyse ablagert. Ss wurde festgestellt, daß zwischen der Zinnoxidschicht und dem Siliziumsubstrat der so erhaltenen Vorrichtung eine Sperrschicht sich ausbildet, die vermutlich aus einer Schottky-Sperrschicht i besteht und hinsichtlich ihrer gleichrichtenden Eigei schäften einem PN-Übergang stark ähnelt. Eine solche Sperrschicht kann mit Vorteil als Gleichrichter oder als Photoelement eingesetzt werden.

Wie an sich wohl bekannt ist, ist die Zinnoxidschicht lichtdurchlässig und leitend. Bildet man daher die Halbleitervorrichtung so aus, daß auf die Sperrschicht durch die Zinnoxidschicht hindurch Licht einfallen kann, so erhält man ein Photoelement. Es wurde dabei beobachtet, daß die spektrale Charakteristik eines solchen Photoelements derart ist, daß das Photoelement in dem

sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlicher ist als (

ein übliches Siliziumphotoelement ο Es ergibt sich auch ein energierejcheres Ausgangssignal bei geringen Bestrahlungsstärken, und das Temperaturverhalten und die Ansprecheigenschaften sind zufriedenstellend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen auf mechanischen Druck ansprechenden Halbleiterwandler zu schaffen, der eine verbesserte Druckempfindlichkeit aufweist. Dabei soll ein druckausübendes Mittel in

209823/0946

OT 2876 - 4 -

einfacher V/eise vorgesehen werden können. Der Wandler soll einen einfachen Aufbau aufweisen und leicht herzustellen sein, und es sollen nur geringe Herstellungstemperaturen erforderlich sein. Me Erfindung strebt ferner an, die Druckempfindlichkeit einer solchen Halbleitervorrichtung, die aus einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten Zinnoxidschicht besteht, zu verbessern»

Die vorliegende Erfindung schafft einen mechanischelektrischen Halbleiterwandler, der eine Halbleitervorrichtung, die aus einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten ZinnoxiTschicht besteht und Gleichrichtereigenschaften aufweist,und ein Mittel zum Einwirkenlassen von mechanischem Druck auf die Halbleitervorrichtung aufweist. Es wurde gefunden, daß eine solche Halbleitervorrichtung mit einer auf einem -Halbleitersubstrat aufgebrachten Zinnoxidschicht eine Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften zeigt, wenn eine mechanische Kraft auf die Halbleitervorrichtung ausgeübt wird. Genauer gesagt, ist der Sperrstrom der Halbleitervorrichtung mit guter Linearität proportional zu der auf die Halbleitervorrichtung ausgeübten mechanischen Kraft.

Durch die vorliegende Erfindung kann auch eine Steigerung der Empfindlichkeit solcher Wandler erreicht werden. Zu diesem Zweck wird ein solcher Aufbau der Halbleitervorrichtung gewählt, daß eine angewandte mechanische Kraft eine Scherungsspannung in der Sperrschicht hervorruft. Bei einem Ausführungsbeispiel wird

BAD OFHGtNAL

209823/0946

OT 2876 - 5 -

dabei so vorgegangen, daß eine Zinnoxidschicht auf eine rauhe oder unebene Halbleitersubstratoberfläche aufgebracht wird. Dementsprechend weist die dabei gebildete Sperrschicht entsprechende Unregelmäßigkeiten und Unebenheiten auf. Wenn eine mechanische Kraft suf einen bestimmten Bereich der Zinnoxidschicht ausgeübt wird, entsteht eine S ehe rung s spannung in der Sperrschicht eines schräg verlaufenden Schihtabschnittes» Es wurde gefunden, a

daß, wenn die Sperrschicht in dieser Weise einer Scherungsspannung unterworfen wird, eine höhere Druckempfindlichkeit erreicht wird als in dem EaIl, in dem die mechanische Kraft in senkrechter Richtung auf die Sperrschicht einwirkt oder der betroffene Sperrschichtteil einer komprimierenden Spannung unterworfen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen erfindungs- (

gemäßen Halbleiterwai dler;

Figur 2 ein Diagramm, welches die Halbleitereigenschaft der bei dem Wandler von Pig. I verwendeten Halbleitervorrichtung zeigt;

Figur 3 ein Diagramm, welches die mechanischelektriache Umwandlungskennlinie des Halbleiterwandlers von Fig. 1 zeigt;

Figur 4 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterwandlers;

209823/0946

OT 2876

Figur 5 eine vergrößerte Teilansicht eines

Querschnittes durch ein weiteres Ausführung sbei spiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterwandlers, wobei das druckausübende Mittel mit der Halbleitervorrichtung in Berührungskontakt steht;

Figur 6 ein Diagramm, welches die mechanischelektrische Umwandlungskennlinie des Wandlers von Fig. 1 mit der des Wandlers von Fig. 5 vergleicht;

Figur 7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterwandlers;

Figur 8 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Figur 9 einen Querschnitt durch eine weitere erfin— dungsgemäße Ausführungsform;

Figur 10 eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Figur 11 eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform; und

Figur 12 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform.

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

In Fig. 1 wird ein schematiseher Schnitt durch einen erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Wandler gezeigt. Der Wandler besteht grundsätzlich aus einer Halbleiteranordnung und einem darauf angeordneten Druckmittel<>

Diese Halbleiteranordnung besteht beispielsweise aus einem Substrat aus N-leitendem Silizium, dessen spezifischer Widerstand ungefähr l_n_ cm beträgt, und aus einer SnO₂-Schicht 2, die auf die Oberfläche des

209823/0946

OT 2876 - 7 -

Substrats durch Pyrolyse eines Zinnsalzes, wie etwa Dimethyl-Zinndichlorid, aufgebracht wurde. Die SnOg-Schicht 2 soll so gewählt werden, daß sie eine hohe Leitfähigkeit aufweist und selbst einen N-leitenden Halbleiter darstellt. Die Leitfähigkeit soll dabei nahe bei der eines Metalls·liegen, d. h. einer freien Elektronen— nzentration von etwa 10 Atomen/ cm entsprechen. Die SnOp-Schicht mit den Eigenschaften eines N-leitenden Halbleiters kann durch eine schnell ablaufende chemische Reaktion gebildet werden, die SnOp ergibt. Dieses Ergebnis ist vermutlich einem Überschuß von Metall (Mangel an Sauerstoff) zuzuschreiben, der aus der Schnelligkeit dieser Reaktion resultiert.

Es wurde gefunden, daß eine solche Anordnung Gleichrichtereigenschaften aufweist und einen photoelektrischen Effekt zeigt, wenn Strahlungsenergie an die innerhalb der Anordnung gebildete Grenzschicht gebracht wird. Eine mögliche Erklärung dafür besteht darin, daß, wenn man SnOp als Metall betrachtet, diese Grenzschicht als eine Schottky-Sperrschicht wirkt, die sich zwischen der SnOp-Schicht und dem Halbleitersubstrat ausbildet.

In Fig. 2 wird die Gleichrichter kennlinie der Halbleiteranordnung von Fig. 1 gezeigt. In der Zeichnung zeigt die Kurve A die positive Kennlinie oder Durchlaßkennlinie, während die Kurve B die negative Kennlinie oder Sperrkennlinie der Anordnung zeigt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun die Struktur des handlers im einzelnen und der Herstellungsprozeß desselben

209823/0946

OT 2876 - 8 -

beschrieben. Es wird eine Schicht 2 aus isolierendem Material, wie etwa aus SiOp > auf einer Hauptfläche eines N-leitenden Silizium-Einkristallsubstrat 1 mit einer Dicke von 8000 S gebildet, das einen spezifischen Widerstand von ungefähr UtL· cm aufweist. Dieses Halbleitersubstrat 1 kann entweder eine Kombination einer N-leitenden Schicht hohen spezifischen Widerstandes sein, die auf einer weiteren N-leitenden Schicht geringen spezifischen Widerstandes aufgebracht ist, oder es kann sich um eine H-Ieitende Schicht handeln, die vollständig oder teilweise eine P-leitende Schicht bedeckt. Die genannte SiOp-Schicht 2 kann durch ein bekanntes Verfahren gebildet werden, wie etwa durch thermische Reaktion oder durch Pyrolyse von Silan bei relativ niedriger Temperatur. Ein solches Verfahren zur Bildung einer elektrischisolierenden Schicht gehört zum Stande der Technik.

Anstelle der SiOp-Schicht kann auch anderes isolierendes Material verwendet werden,, Derartige weitere verwendbare Materialien sind z. B. Silizium-Nitrit (Si.,!!. ), Bleiglas (SiOp-PbO) und Aluminiumglas (SiOp-AIpO.,). Die Isolierschicht 2 wird vorzugsweise bei einer relativ niedrigen Temperatur gebildet, vorzugs/weise bei einer Temperatur unterhalb etwa 900° C₀ Das Erwärmen auf extrem hohe Temperaturen erfordert eine aufwendigere Apparatur; zudem haben derartig hohe Temperaturen den Nachteil, dai3 die Gefahr einer Beschädigung des Halbleitersubstrats wächst.

Darauf wird ein Teil der Isolierschicht 2 durch Photoätzen ζ. B. in kreisförmiger Form entfernt, so dai3 eine Öffnung 3ü2

209823/0946

OT 2876 " _ 9 -

entsteht. Es ist auch möglich, die- Isolierschicht 2 in solcher Weise aufzubringen, daß die Öffnung 502 bereits bei diesem Herstellungsschritt gebildet wird. Dadurch daß man zunächst eine Isolierschicht gleichmäßiger Dicke auf der gesamten Fläche des Substrats bildet und dann die nicht benötigten 'feile durch Photo« ätzen entfernt, kann jedoch das gewünschte Muster mit höherer Präzision hergestellt werden«. Die Schicht aus SiOp> SiOo-PbO usw. kann durch Photοätzverfahren mit hohem Präzisionsgrad bearbeitet werden.

Bei dem nächsten Schritt wird eine Zinnoxidschicht 3 auf der ganzen Hauptfläche einschließlich der Isolierschicht 2 gebildet, wodurch eine Halbleiteranordnung entsteht. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst das Halbleitersubstrat 1 auf ungefähr 500° C in einem Reaktionsrohr aus Quarz aufgeheizt wird und dann ein zinnhaltiger Dampf in das Reaktionsrohr eingeführt wird, so daß sich durch Pyrolyse eine Zinnoxidschicht 3 auf dem Substrat 1 niederschlägt. Für diesen Zweck kann

Dimethyl-Zinndichlorid ((CH^pSnClp) verwendet werden. Diese Verbindung erwies sieh als die geeignetste. Es ist jedoch auch möglich, eine wässrige Lösung aus Zinntetrachlorid (SnOl,) oder eine Lösung desselben in einem organischen Lösungsmittel zu verwenden.

Als Trägergas kann eine oxidierende Atmosphäre wie etwa Luft oder Sauerstoff verwendet werden_o Die Zinnoxidsohicht kann mit einer Dicke von ungefähr 7000 S aufgebracht werden, indem die pyrolytische Reaktion 60 Sekunden lang durchgeführt wird. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Schicht 3 wurde der Quelle des Reaktionsmaterials ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Antimonoxid (SbgO,) zugefügt.

209823/0946

Es wurde gefunden, daß ein N-leitender Silizium-Halbleiter ein geeignetes Material für das Substrat der Halbleiteranordnung darstellt. Jedoch konnte eine Halbleiteranordnung mit gleichen Gleichrichtereigenschaften auch durch Verwendung eines P-*leitenden Silizium-Halbleiters verwirklicht werden. Bei Verwendung Ton P-Material wurde jedoch gefunden, daß es günstig war, die Aufbringung des SnO₂ bei einer etwas.höheren Temperatur durchzuführen oder eine Halbleiteranordnung, bei der die SnOp-Abscheidung bei der oben erwähnten Reaktionstemperatur durchgeführt wurde, einer geeigneten Wärmebehandlung zu unterwerfen. Es wurde ferner gefunden, daß Halbleiteranordnungen mit ähnlichen öleichrichtereigenschaften auch mit G-e oder mit GaAs als Substratmaterial hergestellt werden konnten.

Die Elektroden 4 und 4^f werden dann auf den beiden Hauptflächen des Substrats gemäß Fig. 1 angebrachte Diese Elektroden 4· und 4^f werden dadurch gebildet, daß Nickel durch Aufdampfen in Vakuum mit einer Dicke von etwa 8000 S abgeschieden wird.

Eine Energiequelle 6 ist über ein Amperemeter 7 zwischen die Elektroden 4 und 4' geschaltet, so daß der Sperrschicht der Halbleiteranordnung eine Sperrspannung zugeführt wird. Eine druckausübende Nadel 5 ist so vorgesehen, daß die Spitze derselben in Berührung mit der Fläche der Zinnoxidechicht 3 steht. Die druckausübende Nadel 5 steht in bekannter Weise mit der Quelle einer zu messenden mechanischen Kraft oder eines zu messenden mechanischen Druckes in Wirkungsverbindung. Als druckausübende Nadel 5 wurde z. B. ein

209823/0946

Glasstab verwendet, dessen Radius an der Spitze etwa

betrug
100 w. Stattdessen kann auch ein Stab aus anderem Material wie aus Metall oder mit einer anderen Form verwendet werden.

Es stellte sich heraus, daß eine angenähert lineare proportionale Beziehung zwischen der durch die Nadel 5 auf die Sperrschicht übertragenen Kraft und dem durch die Halbleiteranordnung fließenden Sperrstrom besteht,

atm

wenn die Spannung der Stromquelle 6 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Bei der vorliegenden f Erfindung wird von diesem Phänomen Gebrauch gemacht.

In Pig. 3 wird ein Diagramm gezeigt, welches die Druck-Sperrstrora-Kennlinie des Wandlers von Pig. I darstellt. Genauer gesagt handelt es sich um ein Diagramm, welches die Druck-Sperrstrom-Kennlinie des Wandlers darstellt, wenn eine Sperrspannung von 1 YoIt an die Elektroden 4 und 4' angelegt wird. Wie aus der Kurve des Diagramms ersichtlich ist, weist dieser Wandler eine befriedigende Empfindlichkeit und eine relativ gute Linearität auf. Obwohl es ratsam ist, die druckausübende Nadel 5 in der Nähe des Zentrums der von dem Substrat 1 und der Zinnoxidschicht 3 gebildeten Sperrschicht anzuordnen, kann der Ort der Nadel 5 in weitem Ausmaß variiert werden. Eine gut stabilisierte Kennlinie kann angesichts der großen Härte der Zinnoxidschicht 3 erhalten werden, welche sicherstellt, daß sich die Schicht bei der Verwendung über lange Zeitspannen nicht deformiert.

Aus der obigen Beschreibung wird klar, daß der erfindungsgemäße Wandler leicht herzustellen ist, hervorragend druckempfindlich ist und daher für Anwendungen, wie etwa für Tonaufnehmevorrichtungen, gut geeignet ist.

209823/0946

OT 2876 - 12 -

In Pig. 4 wird ein Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäiSen Wandlers gezeigt, wobei anstelle der druckausübenden Nadel 5 eine druckausübende Kugel 5^f verwendet wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann bei Verwendung der druckausübenden Nadel 5 der Druck, dem die Sperrschicht unterworfen wird, je nach der Richtung des auf die Nadel 5 einwirkenden Kraftvektors variieren. Bei der Ausführungsform von Pig. 4 jedoch kann die druckausübende Kugel 5^f rollen, und daher kann der Druck senkrecht zu der Oberfläche des Zinnoxide ausgeübt werden, und zwar an der Stelle, wo die Kugel in Berührung mit der Zinnoxidfläche gelangt, auch wenn die Richtung der auf die druckausübende Kugel 5^f ausgeübten mechanischen Kraft nicht vertikal zu der Zinnoxidoberfläche verläuft.

Die in Pig. 3 gezeigte Kennlinie bezog sich auf eine Ausführungsform, bei der die Oberfläche des Substrats der Halbleiteranordnang des Wandlers von Pig. I eine Hochglanzpolitur aufwies. In der Tat wurde bei den erwähnten früheren Anmeldungen eine Hcchglanzpolitur der Oberfläche des Substrats vorgezogen. Es stellte sich jedoch heraus, daß es für die vorliegende Erfindung vorzuziehen war, die Substratoberfläche des Wandlers rauh oder uneben auszubilden. Nachstehend wird eine ins Einzelne gehende Beschreibung eines solchen Ausführungsbeispieles gegeben=

In Pig. 5 wird eine vergrößerte schematische Schnitt— ansicht des Berührungsgebietes der druckausübenden Nadel bei einer Ausführungsform gezeigt, bei der die

209823/0946

OT 2876 - 13 -

Substratoberflache des Fig. 1 entsprechenden Wandlers rauh oder uneben gelassen wurde. Eine Hauptfläche des Halbleitersubstrats 1 ist voller Unebenheiten, und die Zinnoxidschicht 3 wird auf dieser unebenen Fläche abgeschieden. Wenn daher ein geeignetes druckausübendes Teil, wie etwa die druckausübende Hadel 5 mit einem Krümmungsradius an ihrer Spitze von 100 u·, auf die Zinnoxidschicht 3 drückt, kommt die druckausübende Nadel 5 teilweise in Kontakt mit vorstehenden Teilen der Zinnoxidschicht 3· Wenn auf die druckausübende Nadel 5 eine mechanische Belastung ausgeübt wird, kann sich eine mechanische Spannung in einem Teil der Zinnoxidschicht '5 und des Halbleitersubstrats 1 ausbilden, und diese Spannung beeinflußt die oben erwähnte Sperrschicht, was sich durch eine Änderung des Sperrstromes durch die Sperrschicht bemerkbar macht und mit einem geeigneten Meßgerät, wie etwa dem Amperemeter 7» welches mit der die Speirspannung liefernden Spannungsquelle 6 in Serie geschaltet ist, gemessen werden, wie in Fig. 1 gezeigt wird.

Es stellte sich heraus, daß die Ausführungsform von Fig. 5, bei der die oben erwähnte Bauweise verwendet wurde, sich durch eine deutlich verbesserte Druckempfindlichkeit auszeichnete.

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Änderung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Belastung bei der Ausführungsform von Fig. 5 zeigt. Bei dieser Figur ist Kurve A eine Kennlinie der Ausführungsform, bei dem das Substrat eine Hochglanzpolitur aufwies, wie das bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der Fall war,

209823/0946

OT 2876 - 14 -

während Kurve B eine Kennlinie der Ausführungsform von Fig.5 ist.

Bei der Anordnung mit auf Hochglanz poliertem Substrat wurde die Zinnoxidschicht auf die hochglanzpolierte Hauptfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht, wie das üblicherweise bei einemiblichen Halbleiterelement, wie etwa bei einem Diffusionstransistor, erfolgt. Es ist jedoch zum Schaffen von Unebenheiten auf der Halbleiteroberfläche bei der Ausführungsform von Fig. 5 nicht etwa ein komplizierter Herstellungsschritt erforderlich.

Während die Halbleitersubstrate, wie sie normalerweise für ein Halbleiterelement vom Diffusionstyp verwendet werden, nach dem Läppen auf Hochglanz poliert werden, kann das Halbleitersubstrat für die Ausführungsform von Fig. 5 ohne ein solches Polieren auf Hochglanz vorbereitet werden. Hur wenn unbedingt nötig, kann das Polieren auf Hochglanz durchgeführt werden, und dann kann das Substrat einem chemischen Ätzvorgang unterworfen werden. Die so präparierte Oberfläche des HalbleiterSubstrats hat viele kleine konkave und konvexe Unebenheiten in einer Tiefe bzw. Höhe von ungefähr 1 Mikron und mit einem Abstand voneinander von einigen Mikron. Als druckausübende Nadel 5 wurde eine chromplattierte Nadel verwendet, und die oben erwähnte Kennlinie wurde mit einer Sperrspannung von 5 Volt erhalten.

Ein so beträchtlicher Unterschied hinsichtlich der Druckempfindlichkeit, wie er in Fig. 6 veranschaulicht wird, beruht auf der verschiedenen Beschaffenheit der jeweiligen SubstratOberfläche, auf der die Zinnoxidschicht abgeschieden wurde. Es kann dafür folgende Erklärung

209823/0946

gegeben werden.

Es ist anzunehmen, daß die ausgeübte Kraft in dem Sperrschichtbereich der Halbleiteranordnung eine Scherung hervorruft und daß diese Scherkraft die gleichrichtende Sperrschicht beeinflußt. In Fig. 5 bewirkt die auf die Nadel 5 ausgeübte K^aft F, daß eine Kraftkomponente f1 in der Richtung eines schrägliegenden Teils der Zinnoxidschicht 3 wirkt, was eine Scherspannung in diesem schrägliegenden Teil

der Grenzschicht hervorruft. Diese Scherspannung ist wichtiger als die kompressiv wirkende Kraft senkrecht zur Grenzschicht, was die Beeinflussung der Grenzschichteigenschaften anbelangt. Ein Grund hierfür mag in der Tatsache liegen, daß der Scherungsmodul geringe"r/als der Elastizitätsmodule Die Beziehung zwischen dem Scherungsmodul η und dem Elastizitätsmodul E läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

N= ■ ^E

2(1+K)

Dabei ist K die Poisson'sehe Zahl, die normalerweise bei etwa 0,3 für Metalle und metallähnliche Stoffe liegt. Daher beträgt der Scherungsmodul nur etwa das 0,4-fache des Elastizitätsmoduls. Das bedeutet, daß bei einer bestimmten Belastung die Deformation durch Scherung größer ist als die durch Kompression. Ein anderer Grund liegt in der Tatsache, daß die Halbleiteranordnung eine Grenzschicht enthält, welche sich zwischen zwei verschiedenen Arten von Materialien, nämlich zwischen einem Halbleiter und Zinnoxid befindet<, Die Zinnoxidschicht wird durch Pyrolyse auf dem Halbleitersubstrat 1 aufgebracht.

209823/0946

OT 2876 - 16 -

Daher ist die mechanische Haftfähigkeit dor Schicht an dem Substrat nicht so stark wie in dem Fall einer Grenzschicht, die sich zwischen Materialien derselben Art befindet. Darüber hinaus sind das Halbleitersubstrat und die Zinnoxidschicht 3 genügend hart und weisen einen ausreichend geringen Scherungsmodul auf. ^onn daher die Kraftkomponente f1 auf die Zinnoxidschicht 3 in der Richtung eines schrägverlaufenden Oberflächenteils wirkt, findet eine Scherung zwischen der Zinnoxid schicht und dem Halbleitersubstrat 1 statt, ohne daß gleichzeitig eine Deformation der Zinnoxid schicht 3 und des Iialbleitersubstrats 1 erfolgt, wodurch eine Beeinflussung der Gleichrichtereigenschaft stattfindet. Wie noch beschrieben werden wird, ist die Neigung der schrägen Oberflächenteile der Unebenheiten der Substratoberfläche so gering, daß die Kraftkomponente f1, die in der Richtung der schrägen Oberflächenteile der Zinnoxidschicht wirkt, vermutlich ziemlich klein ist. Trotzdem wird eine beträchtliche Verbesserung der Druckempfindlichkeit mit einer derartig kleinen Kraf tkomponente i'1 erreicht. Diese Tatsache unterstreicht den durch die Erfindung erzielten Fortschritt. IDs wird also deutlich, daß der an letzter Stelle genannte Grund der bedeutsamere ist. Allgemein gesprochen ist es schwierig, scharfe Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu erzielen. Verwendet man z. ti. ein übliches Verfahren de^selektiven chemischen Ätzung zur Erzeugung von Vertiefungen auf deir Substrat, so beträgt dei" größtmögliche Winkel einer schrägen V/and einer Vertiefung zu der Hauptfläche des Substrats nur Jo bis 45 Grad. Selbst wenn durch andere Hittel schärfere Unregelmäßigkeiten erzeugt werden könnten, ist es schwierig, die Zinnoxidschicht durch Pyrolyse auf derartig steilen Begrenzungswänden von Vertiefungen aufzubringen.

•2 09823/0946

BAD ORIGiNAL

OT 2876 - 17 -

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, wird bei dem Wandler von Fig. 5 in vorteilhafter Weise von der Grenzschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und der Zinnoxidschicht in der vifeise Gebrauch gemacht, daß diese Grenzschicht einer Scherspannung unterworfen wird, indem eine Struktur verwendet wird, die so beschaffen ist, daß eine Komponente der ausgeübten Kraft in der Erstreckungsrichtung der Zinnoxidschicht wirken kann. Ein der- i

artiger Wandler ist einfach im Aufbau und leicht herzustellen.

Pig. 7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform, die der der Ausführungsform von Fig. 5 ähnlich ist. In Fig. sind Rillen 50 nach Art eines Gitters auf der Hauptfläche eines HalbleiterSubstrats 51 vorgesehen, und auf der am höchsten liegenden Substratoberfläche außerhalb der Rillen 50 ist eine Isolierschicht 52 vorgesehene jiine Zinnoxidschicht 53 ist dann auf die gesamte Hauptfläche des Substrats einschließlich der Rillen 50 und der Isolierschicht 52 aufgebracht *

worden. Die Rillen 50 können wie oben bereits erwähnt wurde, leicht durch chemisches Ätzen gebildet werden. Die Isolierschicht 52 kann z. B. eine aus Siliziumnitrit bestehende Schicht sein» Wenn eine Siliziumnitrit-Schicht verwendet wird, kann sie als Maskierung zur selektiven Bildung der Rillen -50 durch Ätzen dienen. In dem gezeigten Ausführungsbeispxel ist die Isolierschicht 52 so dazwischen geschichtet, daß sie an den Stellen, an denen keine Seherungsspannung, sondern eine komprimierende Spannung ausgeübt wird,

209823/09^6

OT 2876 - 18 -

die Bildung eines PN-Überganges verhindert. Demzufolge wird der Anteil des Scherungsgebietes relativ zu dem gesamten ΡΪΓ-Übergangsgebiet vergrößert, was eine weitere Verbesserung der Druckempf indliciikeit skennlinie mit sich bringt.

Wendet man sich nun wieder Fig. 1 zu, so sieht man, daß dort die Elektrode 4 nur oberhalb des Randteiles der Zinnoxidschicht 3 sich befindet. Es ist daher offensichtlich, daß die Sperrschicht der Halbleitervorrichtung des Wandlers von Fig. 1 einfallendem Ljdnt ausgesetzt ist. Die in dem Wandler von Fig. 1 enthaltene Halbleitervorrichtung kann daher auch vorteilhafterweise als photoelektrisches Element verwendet werden» Durch die Ausbildung des Wandlers von Fig. 1 in deyWeise, daß durch die Zinnoxidschicht hindurch licht auf die Grenzschicht fallenkann, wird ein Haiblexterwandler geschaffen, der sowohl Lichtenergie als auch mechanische Kraft in elektrische Energie umwandelt» Ein solcher Wandler kann neuartige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

Bei einigen Anwendungen kann jedoch ein Wandler erforderlich sein, der nicht auf einfallendes Licht, sondern nur auf die mechanische Kraft anspricht. In solchen Fällen ist es daher nötig, zu verhindern, daß von außen einfallendes Licht, welches in der Intensität variieren kann, einen Einfluß auf die Druckempfindlichkeit des Wandlers ausübt.

Fig. 8 ist ein Querschnitt durch einweiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers, welches diesem Zweck dient. Gemäß Fig. 8 ist eine lichtundurchlässige Schutzschicht 21 z. B. aus Nickel auf die

209823/0946

OT 2876 - 19 -

Zinnoxidschicht 3 aufgebracht und befindet sich in Kontakt mit der Elektrode 4. Da das auf die Sperrschicht gerichtete einfallende Licht durch die Schutzschicht 21 abgeschirmt wird, ist es nicht notwendig, die gesamte gezeigte Anordnung in einem Gehäuse aus lichtundurchlässigem Material einzuschließen« Die Nickelschutzschicht 21 dient auch als Elektrode. Nickel weist jodoch eine geringe Härte und erfährt daher, wenn durch das druckausübende Teil eine Belastung erfolgt, eine plastische Deformation, was ein instabiles Ansprechen auf mechanischen Druck zur Folge hat. Es ist daher ratsam, ein Material großer Härte zur Lichtabschirmung zu verwenden. Als ein diesen Anforderungen genügendes Material für die dünne Schutzschicht 21 können daher Molybdän, Wolfram, Platin und Chrom empfohlen werden» Diese Schicht muß dick genug sein, um die Abschirmung von Licht zu bewirken, soll aber andererseits so dünn wie möglich sein; die Dicke liegt vorzugsweise bei etwa 0,1 /U. Stattdessen kann auch ein Metalloxid wie etwa Aluminium oxid verwendet werden. Die erwähnte dünne Schutzschicht 21, die als Abschirmung gegen einfallendes Licht dient, dient außerdem zum Schutz gegen eine Beschädigung der Zinnoxidschicht sowie der Sperrschicht, die durch die druckausübende Nadel hervorgerufen werden könnte.

Wenn die dünne Schicht 21 lediglich, als Schutzschicht dienen soll, kann sie ebensogut aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrit bestehen. Fig. 9 zeigt einen Quer·*· schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Schutzschicht aus Siliziumdioxid besteht. Der in Fig. 9 gezeigte Wandler wird so .hergestellt, daß zunächst die

209823/0946

BAO ORIGINAL

OT 2876 - 20 -

Zinnoxidschicht 3 in einem definierten B_nreich aufgebracht wird und dann die Siliziumdioxidschicht 2 auf die Zinnoxidschicht 3 und um diene herum aufgebracht wird, so daß die Zinnoxidsohicht/durch die Schutzschicht dort geschützt wird, wo sie mit der

Iruckausübenden .Nadel in Berührung kommt, und gleichzeitig der freiliegende Teil der Sperrschicht entlang des Randes der Zinnoxidschicht bedeckt und geschützt wird.

In Fig. 10 wird eine Draufsicht auf oine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt, die aus zwei Wandlern 61 und 62 besteht, die getrennt voneinander auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet sind, wobei zwei Widerstände 63 bzw. 64 mit den zwei Wandlern verbunden sind. Die Darstellung des druckausübenden Mittels ist der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. iCine Isolierschicht 2 aus einem i'laterial wie etwa Siliziumdioxid wird auf ein gemeinsames Substrat aufgebracht, und in dem Bereich der Wandler wird die Isolierschicht 2 mit zwei öffnungen versehen, durch welche das Substrat 1 freiliegt. Diese öffnungen sind in Fig. 10 in gestrichelten Linien angedeutet. Über diesen Öffnungen wird Zinnoxid ausgebracht, um die beiden Wandler 61 und 62 zu schaffen. Die Zinnoxidschicht erstreckt sich, wie in Fig. 10 zu sehen ist, auf die Isolierschicht 2 in einem dünnen mäanderförmigcn Streifen, was einen Widerstand vorbestimmten Wertes ergibt. Anschlüsse oder Elektroden 65» 66 und 67 sind, wie in der Figur gezeigt, vorgesehen, jiine weitere Elektrode (nicht gezeigt) ist an dem Substrat 1 vorgesehen. Wie leicht einzusehen ist, stellen die Wandler 61 und 62 und die widerstände 63 und 64 eine sogenannte

209823/0946

OT 2876 - 21 -

Bruckenschaltung dar, und daher können kleine Differenzen zwischen den auf die Wandler 61 und 62 ausgeübten mechanischen Kräften mit großer Empfindlichkeit gemessen werden. Wenn z. B. ein Wägebalken in solcher Weise angeordnet wird, daß er auf die Wandler 61 und 62 Druck ausübt, kann die Ausbalancierung desselben mit hoher Empfindlichkeit beobachtet werden.

Bine weitere interessante Anwendung wird nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben« Die Elektroden 65 und 66 werden in Serie mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle verbunden, urd es werden zwei Einrichtungen zur Ausübung je eine ¹^ mechanischen Kraft auf den V/rndler 61 bzw. 62 vorgesehen, wobei beide Einrichtungen von einer einzigen gemeinsamen mechanischen Kraft betätigt werden, die in gleicher Weise auf beide Wandler einwirkt. Beide Wandler, die aufgrund ihrer G-leichrichtereigenschaften auch als Dioden angesprochen werden können, sind in Serie geschaltet, jedoch in einander entgegengesetzter Polungo In einem Halbzyklus des Wechselstromes verursacht der auf die Wandler ausgeübte Druck eine Änderung des durch den einen Wandler fließenden Sperrstromes, während ein Durch laßstrom durch den anderen Wandler fließt, und umgekehrt«. Der resultierende Wechselstrom, der durch beide Wandler fließt, ist der auf beide Wandler ausgeübten Kraft proportional«, Anstelle der vorstehend verwendeten Wechselspannungsquelle wäre^es auch möglich, eine Gleichspa.nnungsquelle zu verwenden, deren Polarität entweder in beliebiger Weise oder regelmäßig umgeschaltet wird.

209823/0946

OT 2876 - 22 -

In Fig. 11 wird eine Draufsicht auf ein weiteres Aasführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein v/andler 70 vorgesehen, der auf einen auf ihn einwirkenden Druck anspricht, sowie ein Wandler 71, der auf einfallendes Licht anspricht, wobei beide Wandler 70 und 71 auf einem gemeinsamen Substrat 1 ausgebildet sind. In der Figur ist die Darstellung des druckausübenden Mittels der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Die in beiden Wandlern 70 und 71 enthaltene Zinnoxidschicht ist zusammenhängend, und daher stellen diese beiden Wandler 70 und 71 einen einzigen Wandler dar. Die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform kann daher als Wandler angesehen werden, der sowohl auf mechanischen Druck als auch auf einfallendes licht anspricht.

In Fig. 12 wird ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers gezeigt, der aus einer Kombination eines auf Druck ansprechenden Wandlers und eines Transistors be steht < > Gemäß Fig. 12 ist ein Substrat vorgesehen, welches aus einer Ή -Schicht 81 und einer darauf gebildeten N-Schicht 82 besteht, wobei dieses Substrat mit einem

Hälfte
in der linken/desselben gebildeten Transistor versehen ist. Dieser Transistor enthält die IT-Schic ht 82 als Kollektor, eine P-Schicht 83 als Basis und eine N-Schicht 84 als Emitter. In der Figur wird auch eine Siliziumdioxidschicht 89 gezeigt, deren Bildung während der Herstellung des Transistors nach bekannten Herstellungsverfahren für Planartransistoren erfolgt« Die Elektrode 87 für den Emitter 84 und die Elektrode

209823/0946

OT 2876 - 23 -

für die Basis 83 werden nach bekannten Verfahren angebracht. Bei der Herstellung des gezeigten Wandlers wird zunächst der Transistor in der oben beschriebenen V/eise hergestellt, und dann wird der mechanischelektrische Wandler hergestellt; der Grund hierfür liegt darin, daß der Wandler bei relativ niedrigen Temperaturen hergestellt werden kann, während die Herstellung des Transistors hohe Temperaturen erfordert, z. B. für die selektiven Diffusionen. Der

mechanisch-elektrische Wandler wicd auf der rechten |

Hälfte des Substrats gebildet, wobei dieser Wandler das Substrat 82, die Zinnoxidschicht 85 und die druckausübende Einrichtung 88 enthält.

V/ie eingehender in Verbindung mit der Ausführungsform von Pig. 1 beschrieben wurde, ist der erfindungsgemäßc »Vqndler den bekannten Wandlern hinsichtlich des -Ansprechens auf mechanischen Druck überlegen und kann für sich allein bei vielen Anwendungen zu befriedigenden Ergebnissen führen. Bei einigen Anwendungen, in denen eine noch höhere Druckempfindlichkeit gefordert wird, kann die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform vorteilhafter sein. '

209823/0946

Patentansprüche:

BAD OWRSINAL

Claims

OT 2876

Patentansprüche

1.]Mechanisch-elektrischer Halbleiterwandler, gekennzeichnet durch eine Halbleitervorrichtung, die aus einer auf ein Halbleitersubstrat (l) aufgebrachten Zinnoxidschicht (3) besteht und eine Sperrschicht mit gleichrichtenden Eigenschaften an der Halbleiter-Zinndioxid-Grenzfiächn aufweist, und durch eine Einrichtung (5> 5¹) zur Ausübung einer mechanischen Kraft auf die Halbleitervorrichtung.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter der Gruppe Si, Ge, Ga As angehört.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter Silizium ist.

4. Wandler nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter N-leitendes Silizium ist.

5. Wandler dnach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (4, 4^f, 6, 7) zum /inlegen einer Sperrspannung an die Halbleitervorrichtung vorgesehen sina.

209823/0946

OT 2876 - %■ -

ts·

b. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Einrichtung zur Ausübung einer mechanischen Kraft die Jj¹Orm eines Stabes (5) aufweist, dessen Ende in Kontakt mit der Zinnoxidschicht (3).steht.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , da.^r3· die genannte Einrichtung zur Ausübung einer mechanischen Kraft die Form einer Kugel (5^f) aufweist, die mit einem Teil ihrer Oberfläche in Kontakt mit der Zinnoxidschicht (3) steht.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleitervorrichtung eine auf einem Teil der Hauptfläche des Substrats (l) ausgebildete Isolierschicht (2) aufweist und dai3. die Zinnoxidschicht (3) sich aui" der Substratoberfläche und teilweise auf der Oberfläche der Isolierschicht (2) erstreckt.

y. v/andler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine auf die Zinnoxidschioht (3) aufgebrachte Schutzschicht (21, 2 in Pig. 9) vorgesehen ist.

IUo Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzschicht ■:ina genügende Härte aufweist, um die Zinnoxidschicht

209823/0 94 6

OT 2876 - *-_

(3) gegen eine Beschädigung durch die eine mechanische Kraft ausübende Einrichtung (5) zu schützen.

11. Wandler nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Schutzschicht lichtundurchlässig ist.

12. Wandler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Schutzlichtdurchlässig ist.

13· Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptfläche des Substrats (l, 51) und die Zinnoxidschicht (3) so angeordnet sind, daß durcn^eine mechanische Kraft ausübende Einrichtung (5, 5¹) eine Scherspannung auf die gebildete Sperrschicht ausgeübt wird, deren Größe von der durch die genannte Einrichtung ausgeübten Kraft abhängt.

14. Wandler nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Sperrschicht uneben ist.

15. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptfläche des Substrats (51) mindestens einen Vorsprung aufweist, auf dessen obersten Teil eine Isolierschicht (52) aufgebracht ist, und daß die Zinnoxidschicht so auf die Hauptfläche des Substrats aufgebracht ist, daß die

209823/0946

Gleichrichtereigenschaften aufweisende Sperrschicht an mindestens einem schräg verlaufenden Teil des Yorsprungs sich ausbildet.

16. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens zwei getrennte Zinnoxidschichten auf einem einzigen gemeinsamen Substrat abgeschieden werden, so daß mindestens zwei Halbleitervorrichtungen (61, 62) mit getrennten Sperrschichten gebildet werden, von denen jede eine ihr zugeordnete Gleichrichterkennlinie aufweist.

17· Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden getrennten Halbleitervorrichtungen (61, 62) an je einen Widerstand (63 » 64) angeschlossen werden und daß die getrennten Sperrschichten und die beiden Widerstände eine Brückenschaltung bilden.

18. Wandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß eine Isolierschicht (2) auf der Hauptfläche des Substrats (l) sich befindet und daß die Widerstände (63» 64) aus je einer Zinnoxidschicht bestehen, die sich auf der Isolierschicht (2) erstreckt=

19. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß zur Umwandlung sowohl mechanischer Energie als auch von Lichtenergie in elektrische Energie die Halbleitervorrichtung so ausgebildet ist, daß einfallendes Licht zu der Sperrschicht gelangt.

209823/0946

OT 2876 - *r -

20. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19» dadurch gekennzeichnet,

dai3 ein aktives Halbleiterelement. (ü3, 84, 86,87 ) auf dem Substrat (81, 82) ausgebildet ist und mil der Halbleitervorrichtung (82, 85) elektrisch zus ammenwirkt.

209823/0!:;/; 6

Leerseite