DE2147071A1

DE2147071A1 - Elektronischer mikroschalter

Info

Publication number: DE2147071A1
Application number: DE19712147071
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. M Antrag
Original assignee: MUESER HORST PROF DR RER NAT
Current assignee: MUESER HORST PROF DR RER NAT
Priority date: 1971-09-21
Filing date: 1971-09-21
Publication date: 1973-03-29

Description

"Elektronischer Mikroschalter" Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Mikroschalter mit zwei Anschlüssen, die durch Halbleitermaterial miteinander verbunden sind, in dem mindestens ein Übergang zwischen p-leitendem Halbleitermaterial und n-leitendem Halbleitermaterial vorgesehen und an dem derart ein elektrisches Feld anlegbar ist, daß es in dem einen Halbleitermaterial eine den Schalter schliessende Inversionsschicht erzeugt, die sich bei Abbau des betreffenden Feldes wieder abbaut.
Die bekannten MOS-Transistoren werden u.a. als Mikroschalter dieser Art verwendet. Sie sind mit mindestens einer Elektrode versehen, mittels derer das genannte elektrische Feld erzeugt wird. Solange an der Elektrode Spannung anliegt, bleibt der Schalter geschlossen. Um den Schalter zu öffnens wird die Spannung weggenommen; es entsteht dann am Obergang zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden Halbleitermaterial eine Sperrschicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schließstellung des Schalters von der Anwendung einer ständigen Spannung unabgängig zu machen.
Erfindungsgemäß wird dieser Zweck durch einen Schalter der eingangs genannten Art erfüllt, bei dem zum Erzeugen des elektrischen Feldes ein Ferroelektrikum mit einer Elektrode zur Umpolung seiner spontanen Polarisation vorgesehen ist.
Das Ferroelektrikum baut kein derartiges elektrisches Feld auf wie bei den bekannten Transistoren die gate-Elektrode, ist aber durch seine spontane Polarisation doch in der Läge, £ der; Halbleiter eine ebensolche Konzentration der Ladungsträger wie eine gate-Elektrode hervorz@@@fen und damit die gewünschte Inversionsschicht zu erzeugen. Hierfür ist nur ein einmaliger kur zer Spannungsimpuls an der genannten Umpolungselektrode notwendig, der dem Ferroelektrikum die betreffende Polarisations@ichtung gibt; die ständige Aufrechterhaltung einer Spannung, wie sie bei den bekannten Transistor im Schließzustand nctwendi; ist, entfällt. Ein gewisser Abfall der Ladungstrgcrkonzniaticr in der Inversionsschicht durch Bindung von Ladungsträgern in der Grenzschicht Halbleiter / Ferroelektrikum oder durch Übertritt von Ladungsträgern in das Ferroelektrikum fällt im vergleich zu dem hohen Widerstand der im Öffnungszustand des Schalters crhandenen Sperrschicht nicht ins Gewicht. Die öffnung des Schar ters wird durch einen auf die Umpolungselektrode gegebenen Kurzen Spannungsimpuls mit entgegengesetztem Vorzeichen bewirkt5 der das Ferroelektrikum umpolt. Hierdurch wird die Inversionsschic£t abgebaut und es entsteht die die Leitung unterbrechende Sperrschicht; das Halbleitermaterial kann hinsichtlich seiner Dotierun g und Schichtdicke so gewählt werden, daß sich die nun vorhandene umgekehrte Polarisierung des Ferroelektrikums darin praktisch nicht auswirkt.
In der praktischen Ausführung des efindungsgemäßen Schalters kann beispielsweise das Halbleitermaterial auf eine Platte, vorzugsweise eine Einkristall-Platte des Ferroelektrikums oder das Ferroelektrikum auf eine entsprechende Platte des Halbleitermaterials aufgedampft sein; im le@zteren Falle ist es besonders vorteilhaft, das Halbleitermaterial mit dem einen Leitungsmechanismus in das Halbleitermaterial mit dem anderen Leitungsmechanismus hineinozuodotieren. Es ist auch möglich, das Ferroelektrikum und das Halbleitermaterial beide auf ein anderes Trägerelement auf zudampfen.
Als Halbleitermaterial kommt für eine Aufdampfung neben dem bei Dünnfilmtransistoren üblichen Cadniumsulfid wegen der höheren Beweglichkeit der Ladungsträger auch Cadnniumselenid in Frage.
In aufgedampften Cadaiumseleniaschichten, die zur p-Leitung tendieren, lassen sich z.B. durch einen leichten Cadniumüberschuss n-leitende Gebiete herstellen. Bei einer Störstellenkonzentration von etwa 5 K 1016 cm -3 würde eine 2000 Angström dicke Halbleiterschicht im Erschöpfungsbereich pro Quadratzentimeter 1o12 Ladungsträger enthalten. Die Schichtdicke kann ohne weiteres auch geringer sein.
Als halbleitende Einkristalle bieten sich nach dem Stand der Technik Germanium und Silizium an, die bekanntlich in sehr woher Reinheit hergestellt und beliebig dotiert werden können, so daß die vorstehend für Aufdampfschichten genannten Trägerkonzentrationen erreicht oder unterschritten werden können.
Als Ferroelektrikum wird man in der Regel ein Material mit möglichst hoher Polarisation auswählen. Sowohl als Einkristall als auch für eine Aufdampfschicht kommt Bariumtitanat in Betracht; die noch sehr neue Technik des Aufdampfens von Bariumtitanat ist in Proc. Europ. Meeting on Ferroelectricity, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart, beschrieben. Die spontane Polarisation des Bariumtitanats beträgt mehr als 25 Mikrocoulomb /cm2, so daß pro Stirnfläche, da beim Umpolen die zweifache spontane Polarisation der Flächenladungsdichte auftritt, rund 3 x 1014 Elementarladungen pro cm2 freigesetzt bzw. gebunden werden. Damit kann selbst dann noch eine Inversionsschicht aufrechterhalten werden, wenn nach dem bereits erwähnten Abfall der Ladungsträgerkqnzentration weniger als 1 % der ursprünglich verfügbaren Ladung in dem llalbleitermaterial verbleibt und im lalle eines aufgedampften Ferroelektrikums keine der drei ferroelektrischen Achsen senkrecht zur Halbleiteroberfläche orientiert ist.
Ebenso wie bei den bekannten Transistoren können in dem erfindungsgemäßen Mikroschalter zwei Obergänge zwischen p-leitendem und n-leitendem Halbleitermaterial vorgesehen sein, d.h. zwei jeiter Gebiete von p-leitendem Halb/material sind durch ein Gebiet von n-leitendem Halb jeiter material getrennt oder umgekehrt. Es ist Wkt grundsätzlich aber auch möglich, eines der beiden p- bzw. n-Gebiete durch ein mit dem einen Anschluss verbundenes Metall zu ersetzen, sofern nicht von dem Schalter gefordert ist, in beiden Richtungen sperren zu können.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Zbichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Schema eine Ausfthrungsform eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Fig. 2 zeigt, in der Dicke vergrössert, die Halbleiterschicht des Mikroschalters nach Fig. 1 im öffnungs zustand des Schalters.
Fig. 3 zeigt, in der Dicke vergrössert, die Halbleiterschicht des Mikroschalters nach Fig. 1 im Schließzustand des Schalters.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausfthrungsform eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Auf eine Platte 1 aus einem ferroelektrischen Einkristall sind zwei p-leitende Halbleiterschichten 2 aufgedampft, die durch eine an diese beiden Schichten sich anschliessenden-leitende Halbleiterschicht 3 getrennt sind. Die Form der p-Gebiete und des n-Gebiets ist dabei für das Prinzip belanglos. Auf den beiden p-leitenden Ilalbleiterschichten sind zwei Anschlusskontakte 4 angebracht Unter der ferroelektrischen Platte 1 ist eine Umpolungselektrode 5 angeordnet, die im wesentlichen die Flächenausdehnung der zu erzeugenden Inversionsschicht hat, jedoch zur Sicherstellung einer einheitlichen Polarisation unterhalb der Zwischenschicht aus den n-leitenden Halbleitermaterial noch etwas darüber hinausgeht.
Dabei kann es vorkommen, daß in dem in Fig. 2 gezeigten Offnungszustand des Schalters, in dem die Polarisationsrichtung 6 des Ferroelektrikums nicht auf eine Inversion der n-leitenden Schicht 3, sondern damit zwangsläufig auf eine Inversion der p-leitenden Schichten 2 hinwirkt, in deren Randgebieten eine solche Inversion auftritt. Das ist insefern unerwünscht, als es die Fläche der an der einen Grenzfläche p/n auftretenden Sperrschicht vergrössert und dadurch den Sperrwiderstand herabsetzt. Will man diese Erscheinung vermeiden, so kann man die p-Gebiete so stark mit Akzeptoren dotieren, daß durch die spontane Polarisation in den Randgebieten 7 nur eine Verarmung an Defektelektonen, aber keine Inversion auftritt.
Der in Fig. 3 gezeigte Schließzustand des Schalters wird herbeigeführt, indem ein kurzer Spannungsimpuls mit solchem Vorzeichen auf die Umpolungselektrode 5 gegeben wird,daß diese die spontane Polarisation des Ferroelektrikums in die umgekehrte Richtung 8 umpolt. Es werden nun in den Randgebieten 7 der p-leitenden Schichten 2 Defektelektronen angereichert, was für die Funktion des Schalters unwesentlich ist, und in der nicht zu stark dotierten n-leitenden Halbleiterschicht wird an der Grenze zur ferroelektrischen Platte 1 eine Inversionsschicht 9 erzeugt, die unter Wegfall der Sperrschicht die beiden p-leitenden Gebiete p-leitend verbindet. Dadurch herrscht zwischen den beiden pleitenden Gebieten nur noch ein normaler Bahnwiderstand, der aber bei geeigneter Auswahl der Materialien in dem vorstehend angegebenen Sinne immer noch sehr klein gegenüber dem Sperrschichtwiderstand bleibt.
Der Schalter eignet sich z.B. als Speicher für elektronische Rechenmaschinen. Den Informationszuständen 0 und 1 entspricht dann der geöffnete bzw. der geschlossene Zustand des Schalters oder umgekehrt. Die Information kann ohne Rückstellnotwendigkeit beliebig oft abgefragt werden Zum Schreiben wird ein positiver bzw. ein negativer Spannungsimpuls benutzt.
Bei dem Ausführungsbeispiei*' gemäß Fig. 4 ist auf eine Einkristall-Platte 11 aus einem n-leitenden Halbleitermaterial/ in das zwei p-leitende Gebiete 12 hineindotiert sind, eine die p-leitenden Gebiete2 verbindende ferroelektrische Schicht 13 aufgedampft. Die p-leitenden Gebiete sind in einer nicht gezeichneten, von den MOS-Transistoren her aber bekannten Weise in der Schaltung weiterverbunden. Auf der ferroelektriscilen Schicht 13 ist eine Umpolungselektrode 14 jngeordnet. Im übrigen gilt für diesen Schalter das gleiche wie für den nach Fig. 1 -Er hat jedoch den Vorteil, daß er sich in hervorragender Weise mit der Mikrominiaturisierungstechnik integrierter Schaltungen kombinieren lässt.
Treten im Laufe der Zeit Veränderungen des Ferroelektrikums a, so lassen sich diese durch eine Erwärmung über den Curie-Punkt und eine Abkühlung, während der eine Gleichspannung an die Umpolungselektrode angelegt ist, rückgängig machen.

Claims

Patentansprüche:

1Elektronischer Mikroschalter mit zwei Anschlüssen (4), die durch Halbleitermaterial (2,3 bzw. 11,12) miteinander verbunden sind, in dem mindestens ein Obergang zwischen p-leitendem Halbleitermaterial (3 bzw. 12) und n-leitendem Halbleitermaterial (3 bzw. 11) vorgesehen und an dem derart ein elektrisches Feld anlegbar ist, daß es in dem einen Halbleitermaterial (3 bzw. 11) eine den Schalter schliessende Inversionsschicht (9) erzeugt, die sich bei Abbau des betreffenden Feldes wieder abbaut, dadurch gekennzeiChnet, daß zum Erzeugen des elektrischen Feldes (8) ein Ferroelektrikum (1 bzw. 13) mit einer Elektrode zur Umpolung seiner spontanen Polarisation (6,8) vorgesehen ist.
2. Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (2,3) auf das Ferroelektrikum (1), vorzugsweise durch Aufdampfen auf eine Platte aus einem Einkristall des Ferroelektrikums, an deren Unterseite die Elektrode(5) zur Umpolung angeordnet ist, aufgebracht ist.
3. Mikroschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Cadmiumsulfid oder Cadiiiumselenid als Halbleitermaterial (2,3) und/oder Bariumtitanat als Ferroelektrikum (1).
4. Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferroelektrikum (13) auf das Halbleitermaterial (11,12), vorzugsweise durch Aufdampfen auf eine Platte (11) aus einem Einkristall des Halbleitermaterials, aufgebracht und daß über der aufgebrachten Schicht die Elektrode (14) zur Umpolung angeordnet ist.
5. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (12) mit dem einen Leitungsmechanismus in das Halbleitermaterial (11) mit dem anderen Leitungsmechanismus hineindotiert ist.
6. Mikroschalter nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Bariumtitanat als Ferroelektrikum (13) und/oder Germanium oder Silizium als Halbleitermaterial (11,12)
7. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Obergänge zwischen p-leitendem Halbleitermaterial und n-leitendem Halbleitermaterial vorgesehen sind.
8. Mikroschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daßkwei Gebiete von p-leitendem Halbleitermaterial; (2 bzw.

12) durch ein Gebiet (3 bzw. 11) von n-leitendem Halbleitermaterial voneinander getrennt sind.
9. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5 bzw. 14) zur Umpolung im wesentlichen die Flächenausdehnung der zu erzeugenden Inversionsschicht (9) hat.

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