DE2235465B2 - Feldeffekttransistor-speicherelement - Google Patents
Feldeffekttransistor-speicherelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Feldeffekttransistor-Speicherelement mit zwei stabilen Betriebszuständen,
bei dem das Einstellen der stabilen Zustände über das Gate und das Auslesen über den vom jeweiligen
Zustand abhängigen StromfluB über die Drain-Sourcestrecke erfolgt.
Elektrische Schaltvorgänge zwischen einem stabilen Zustand hoher Impedanz und einem stabilen Zustand
geringer Impedanz sind beobachtet worden in dünnen Schichten verschiedener Materialien. Dazu gehören
Nb2O5, NiO. Chülcogenid-Gläser.GaAs. TiO2. mit
Übergangsmetallen dotierte Gläser und eine Reihe von anderen Isolatoren. Die Schichten sind mit Ausnahme
derjenigen aus VO2 zunächst in einem Zustand geringer Leitfähigkeit und bedürfen eines Durchschlage, d. h.
eines Formiervorganges, um in den hochleitenden Zustand zu kommen. Bei NiO wurden metallische
Brücken zwischen den Elektroden beobachtet. Bei Chalcogenid-Gläsern wurde ein Phasenwechsel im Glas
als Ursache für den stabilen Zustand hoher Leitfähigkeit
vermutet. Der Schaltvorgang in mit Übergangsmetallen dotierten Phosphatgläsern wurde auf elektronische
Effekte zurückgeführt, die auf der Anwesenheit gemischter Valenzionen, wie Cu1 oder Cu" beruhen. Der
Schaltvorgang in VO2 Filmen dagegen ist ein rein thermischer und beruht auf dem bekannten Metall-Isolatorübergang,
der bei 68CC auftritt. Eine Reihe von physikalischen Phänomenen liegt somit den bistabilen
Vorgängen in amorphen Materialien und dünnen Schichten zugrunde. Vergleiche z. B. T. W. H i c k m ο t
und W. R. Hyatt, »Solid State Electronics«, Pergamon
Press 1970, Vol. 13, Seiten 1033-1047. Über Schalt- und Speichervorgänge in Halbleitervorrichtungen
aus kompensiertem und unkompensiertem Germanium bei einer Temperatur von 20° Kelvin wurde in
»Proceedings of the IRE«, Vol. 47, 1959, Seiten 1207-1213 berichtet. In »Applied Physics Letters«,
1970 VoL 17, Nr. 4, Seiten 141-143 schließlich wurde über eine bistabile Halbleitervorrichtung berichtet, die
einen materialverschiedenen Übergang aus ZnSe-Ge, ZnSe-GaAs. GaP-Ge, oder GaP-Si aufweist und bei
Raumtemperatur arbeitet
Die genannten Vorrichtungen haben gemeinsam den Vorteil der Einfachheit und der Erzielbarkeit einer
hohen Packungsdichte für Datenspeicher in elektronischen Rechenanlagen.
Ein Nachteil der genannten Vorrichtungen besteht jedoch in der Unverträglichkeit mit der heutigenHalbleitertechnologie,
sowohl was die elektrischen Betriebswerte anbetrifft als auch in bezug auf die Herstellung,
besonders dann, wenn die Vorrichtungen mit logischen Halbleiterschaltungen integriert werden sollen.
Aus der Zeitschrift »Phys. Rev. Letters« Bd. 25,1970,
Nr. 10, Seiten 653 bis 656 ist eine bistabile Halbleitervorrichtung
bekannt bei der durch tiefe Energieniveaus in der Raumladungszone eines gleichrichtenden Übergangs
zwei stabile Impedanzzustände erzeugt werden.
Bei Verwendung einer derartigen Vorrichtung als Speicherelement triu insbesondere bei der Leseoperation
der Nachteil auf. daß der zuzuführende Leseimpuls genügend klein sein muß, um den Speicherzustand nicht
zu verändern. Das kann sich für gewisse Anwendungen als Nachteil auswirken, beispielsweise wenn der
Leseimpuls eines solchen Speicherelements unmittelbar zum Schreiben in ein anderes gleichartiges Speicherelement
verwendet werden soll.
Ein als Speicherelement verwendbarer Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ist bereits aus der DT-OS
18 03 035 bekannt. Die Gateisolation besteht aus einer mindestens zwei Schichten unterschiedlicher Materialien
umfassenden Anordnung, die unter dem Einfluß einer an die Gateelektrode angelegten Spannung in
zwei stabile Ladungszustände umschaltbar ist. Die durch diese Eigenschaft erreichbare, von äußerer Energiezufuhr
unabhängige Bistabilität äußert sich in zwei unterschiedlichen Schwellspannungen des Feldeffekttransistors.
Der jeweilige Ladungszustand des Gates kann über den Leitzustand der Source-Drainstrecke
ausgelesen werden.
Nachteilig bei der Verwendung dieses Feldeffekttransistors als Speicherelement ist, daß als Gateisolation
eine Doppelschicht benötigt wird und daß das Einstellen oder Umschreiben relativ zeitaufwendig ist, da die
Ladungsträger dabei die Isolationsschicht durchtunneln müssen.
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Feldeffekttransistor-Speicherelement anzugeben,
das einen einfacheren Aufbau aufweist und höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gate ein Schottky-Kontakt ist und in der
Raumladungszone der Schottky-Sperrschicht Tiefenergie-Haftstellen angeordnet sind, so daß der gleichrichtende
Schottky-Übergang durch Anlegen einer über der Sperrdurchbruchspannung liegenden Spannung in den
Zustand niedriger Impedanz und durch Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung in den Zustand hoher
Impedanz stabil einstellbar ist.
Bei diesem Speicherelement ist die bei dem bekannten Feldeffekttransistor-Speicherelement durch
den Tunneleffekt bedingte Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeich-
mingen näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 die Stromspannungskenalinie eines bistabilen
Schottky-Kontaktes,
Fig.2 ein Ausführungsbeiapiel eines Speicherelements,
bestehend aus einem Feldeffekttransistor mit Schottky-Gatekontakt,
F i g. 3 einen Querschnitt durch den Transistor gemäß Fig 2,
Fig.4 ein Kennhnienfeld des Transistors gemäß
Fig. 2 und 3, F i g. 5 eine Schaltung für das Speicherelement,
Fig.6 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit
der Umschaltspannung eines Schottky-Kontaktes von der Leitfähigkeit im hochleitenden Zustand,
F i g. 7 in graphischer Darstellung den Widerstand des Schottky-Kontaktes im hochlebenden Zustand in
Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der leitenden Halbleiterschicht.
Fig. 1 zeigt die Kennlinie eines bistabilen Schottky-Kontaktes.
Die eingetragenen Werte beziehen sich auf einen Schottky-Kontakt, der durch Rhodium auf
Gallium-Arsenid gebildet ist. Die Linie A-D entspricht der normalen Kennlinie des Kontaktes, der eine
natürliche Kontaktspannung von etwa +0,6 V aufweist. Wie sich aus der Betrachtung der Kennlinie ergibi, ist
für höhere Spannungswerte der Widerstand des Schottky-Kontaktes gering, für kleinere so-vie negative
Spannungswerte dagegen ist der Widerstand hoch. Wird an den Kontakt eine Spannung in Sperrichtung
angelegt und vergrößert bis zum Punkt A und über denselben hinaus, so erfolgt die Umschaltung. Die
Spannung nimmt darauf stark ab und über den Schottky-Kontakt fließt ein hoher Sperrstrom, wie es
dem Punkt B der F i g. 1 entspricht. Ein herkömmlicher Schottky-Kontakt ist nun bezüglich seines Sperrverhaitens
endgültig zerstört, sein Verhalten entspricht der Kennlinie ß-Cund eine Gleichrichterwirkung ist nicht
mehr festzustellen. Beim Schottky-Kontakt mit Tiefenergie-Haftstellen
jedoch kann durch Zufuhr eines Stromes, in Durchlaßrichtung, der bis zum Punkt Coder
darüber hinaus geht, das ursprüngliche Verhalten wiederhergestellt werden. Dabei schaltet der Kontakt
auf Punkt D und nach dieser Umschaltung entspricht sein Vernähen wieder der ursprünglichen Kennlinie
AD.
Der Wert des Stromes an Punkt B der F i g. 1 hängt von der während der Umschaltoperation durchfahrenen
Belastungskennlinie ab. Ein typischer Wert des Umschaltpunktes Cfür diesen Schottky-Kontakt liegt in der
Nähe von 6 mA. Der hochleitende Zustand ist nahezu ohmisch und liegt z. B. im Bereich von 50 bis 500 Ohm.
Der Widerstandswert hängt von der Leitfähigkeit des Halbleitermaterials unterhalb des Schottky-Kontaktes
ab, d. h. von der Dotierung dieses Materials. F i g. 7 zeigt den Zusammenhang dieser Größen. Auf der Abszisse ist
der spezifische Widerstand der in einigen Ausführungsbeispielen verwendeten epitaktischen Schichten aufgetragen.
Die Ordinate zeigt den Widerstand der betreffenden Schottky-Kontakte im hochleitenden
Schaltzustand.
Ein typischer Spannungswert im Umschaltpunkt von der niederen zur hohen Leitfähigkeit liegt für Gallium-Arsenid-Schottky-Kontakte
zwischen 0,5 und 5 V. Der Zustand niederer Leitfähigkeit entspricht, wie schon bemerkt, dem Zustand der normalen Diodenkennlinie
mit einem Widerstand größer als 105 Ohm. Der
Kontaktwiderstand kann jedoch infolge des erstmalig erfoleten Durchbruches und der damit verbundenen
Leckströme auch geringer sein. Der bistabile Schottky-Kontakt
kann folglich auch beschrieben werden als ein Element, das von einem normalen Schottky-Kontakt in
einen ohmschen Widerstand und zurückgeschaltet werden kann.
Der bei einer Spannung in Durchlaßrichtung herrschende
Zustand (D) ist stabil und eine Umschaltung aus diesem Zustand ist nicht möglich. Das trifft auch zu für
den Sperrspannungs-Zustand (A) bei Spannungen, die geringer als die Umschaltspannung sind. Nach der
Umschaltung auf Punkt B jedoch bleibt der Kontakt dauernd im hochleitenden Zustand, selbst wenn er von
Gleich- oder Wechselströmen durchflossen wird. Der hochleitende Zustand wird erst verlassen, wenn ein
Strom in Durchlaßrichtung angelegt wird, der genügend groß ist, um den Umschaltpunkt Czu überschreiten.
Das physikalische Phänomen, das der Umschaltung der Kennlinien von Schottky-Kontakten zugrunde liegt,
ist offenbar elektronischer Art und basiert auf dem Vorhandensein von Tiefenergie-Haftstellen. Wenn die
Spannung in Sperrichtung am Schottky-Kontakt vergrößert wird, so daß der Durchbruch erreicht wird oder
knapp bevorsteht, können freie Ladungsträger in der Verarmungszone genügend Energie im elektrischen
Feld bekommen, um beim Zusammenstoß die Tiefenergie-Haftstellen zu ionisieren. Bei einer kritischen
elektrischen Feldstärke überschreitet diese Ionisation die Rekombinationsrate und ein umkehrbarer, nicht
zerstörender Durchbruch tritt auf. Zu Ende des Vorgangs sind im wesentlichen alle Haftstellen ionisiert
und die Leitfähigkeit hat sich um bis zu vier Größenordnungen geändert. Die Leitfähigkeitsänderung
ist auf einen lokalisierten Leitfähigkeitspfad begrenzt. Schließlich werden unter dem Einfluß einer
Spannung in Durchlaßrichtung im Zustand geringer Leitfähigkeit Elektronen in den Übergang zwischen
Halbleiter und Metall injiziert. Da der Strom durch einen begrenzten Pfad fließt wird die Elektronendichte
in der Nähe der ionisierten Haftstellen so hoch, daß, selbst wenn die Dichte leerer Haftstellen in dieser Zone
hoch ist, diese sich rasch auffüllen. Wenn die injizierte Elektronendichte genügend groß ist wird der Pfad
geringen Widerstandes beseitigt und der Zustand hohen Widerstandes tritt ein.
Kompensiertes Gallium-Arsenid enthält zahlreiche Tiefenergie-Haftstellen. Jeder Schottky-Kontakt, der
auf diesem Material aufgebaut ist, zeigt daher die beschriebenen Eigenschaften (vergleiche z. B. B. V.
K ο r m i 1 ο ν et al, Soviet Physics — Semiconductor, Bd. 5, Nr. 15, S. 119, 1971). Typischerweise wird auf ein
Substrat geringer Leitfähigkeit eine N-leitende Schicht epitaktisch aufgewachsen, die genügend hoch dotiert ist,
um einen Schottky-Kontakt aufzunehmen.
Die Durchbruchsffildstärke liegt für die meisten Schottky-Kontakte in der Größenordnung von
106 V/cm. Nach dem ersten Durchbruch erfolgen die Schaltvorgänge wie im Zusammenhang mit F i g. 1
beschrieben, der Kontakt schaltet vom Zustand hoher Leitfähigkeit beim Stromübergangspunkt C in den
Zustand geringer Leitfähigkeit im Punkt D und wieder zurück beim Spannungsübergang A in den Zustand
hoher Leitfähigkeit im Punkt B.
Das Halbleitermaterial Silizium ist weitgehend frei von Haftstellen. Mit Silizium hergestellte herkömmliche
Schottky-Kontakte sind nicht bistabil und der Durchbruch in Sperrichtung ist endgültig. Bistabilität kann
durch Einführung von Tiefenergie-Haftstellen in das Silizium hervorgerufen werden. Ein derartiger Schott-
ky-Kontakt kann entweder hergestellt werden auf
hochleitendem Material oder einer dotierten Kanalschicht genügender Dicke. Zunächst wird das Silizium
dotiert durch eine Diffusion von beispielsweise Platin, Nickel, Gold oder irgendeines anderen Materials, das
genügend Tiefenergie-Haftstellen in Silizium hervorruft. Auch Eisen, Mangan, Quecksilber, Chrom, Silber,
Kupfer, Zink, Cobalt sind geeignete Stoffe für diesen Zweck. Es ist notwendig, diesen Diffusionsprozeß an
den Anfang zu legen, da er sich bei etwa 10000C
abspielt, wogegen die darauffolgende Herstellung der Schottky-Kontakte lediglich 3500C erfordert.
Da die Leitfähigkeitsänderung im Halbleitermaterial innerhalb begrenzter Pfade auftritt, können extrem
kleine Speicherelemente hergestellt werden. Infolge der Eigenschaft der Speicherelemente, überhaupt keine
Ruheleistung und nur eine sehr geringe Umschaltenergie in der Größenordnung von 10 Pikojoules zu
verbrauchen, sind Halbleiterspeicher extrem hoher Packungsdichte möglich. zo
Fig.6 zeigt in graphischer Darstellung für einen
bestimmten Schottky-Kontakt den Zusammenhang zwischen der im Punkt A der F i g. 1 anzulegenden
Umschaltspannung und der danach erreichten Leitfähigkeit im hochleitenden Zustand. Man sieht, daß
Schottky-Kontakte, die eine höhere Umschaltspannung benötigen, danach eine geringere Leitfähigkeit aufweisen,
als solche, die eine weniger hohe Umschaltspannung benötigen. Das weist darauf hin, daß der
Schaltvorgang rein elektronischer und nicht etwa thermischer oder mechanischer Art ist.
Im folgenden sei nun das Speicherelement beschrieben, bei dem der bistabile Schottky-Kontakt das Gate
eines Feldeffekttransistors bildet Das Gate dieses Transistors liegt über einem passenden Widerstand am
positiven Pol einer Spannungsquelle. Ist das Gate nun im Zustand geringer Leitfähigkeit, so wird ein geringer
Gatestrom fließen, der über den Widerstand einen geringen Spannungsabfall erzeugt Das Gate liegt daher
an einer hohen positiven Spannung. Ist dagegen das Gate im Zustand hoher Leitfähigkeit so wird ein hoher
Gatestrom fließen, der einen großen Spannungsabfall über den Widerstand erzeugt Das Gate liegt daher an
einer geringen positiven Spannung. Der Spannungszustand am Gate ist verantwortlich für den Leitzustand
des Transistors sofern ein positives Drainpotential anliegt Der Drainstrom hat keinen Einfluß auf den
Schaltzustand des Gates and kann daher so hoch sein, wie es die Auslegung des Transistors nach konventioneller
Bemessung zuläßt In der vorstehend beschriebenen Schaltung kann der Drainstrom, vorausgesetzt die
Belastung im Drainstromkreis ist konstant, nur zwei Werte annehmen, die durch den Schaltzustand des
Schottky-Gates bestimmt sind.
F i g. 5 zeigt eine einfache Schaltung für ein Speicherelement. Der Feldeffekttransistor TR hat eine
Sourceelektrode 5, die mit Erde verbunden ist. Die Drainelektrode D ist zu einer von zwei Ausgangsklemmen
geführt, an denen der Speicherzustand der Zelle daran erkannt werden kann, ob ein Strom IR fließt oder
nicht. Die andere Ausgangsklemme führt zum positiven Pol -t- V einer Spannungsquelle. Der Strom /R kann z. B.
über eine gebräuchliche, stromgesteuerte Ausleseeinrichtung, die zwischen die beiden Ausgangsklemmen
eingefügt ist, abgefühlt werden. Die Gateelektrode G. die hier durch einen Schottky-Kontakt gebildet wird,
führt zur Eingangsklemme Sw, von der aus durch Anlegen eines entsprechenden Signals der Leitzustand
des Gates beeinflußt werden kann. Außerdem ist das Gate über den Widerstand R mit dem positiven Pol + V
der Spannungsquelle verbunden. Ein negatives Signal genügender Größe an der Klemme Swbewirkt daß das
Gate niederohmig wird, worauf durch den Widerstand R ein Strom fließt, und die Gatespannung absinkt.
Infolgedessen fließt kein Strom IR über die Ausgangsklemmen. Bei einem positiven Signal an Sw wird das
Gate hochohmig, der Stromfluß über R hört auf, die Gatespannung steigt an und über die an die Ausgangsklemmen
angeschlossene Ausleseeinrichtung fließt ein Strom IR.
F i g. 4 zeigt die Kennlinie eines Feldeffekttransistors, dessen Gate durch einen bistabilen Schottky-Kontakt
gebildet wird. Der Drainstrom ist als Funktion der Spannung zwischen Source und Drain dargestellt mit
der Gatespannung als Parameter.
Fig.2 zeigt eine Aufsicht und Fig.3 einen Querschnitt
durch einen solchen Transistor. Der schematische Aufbau entspricht im Prinzip dem des normalen,
beispielsweise aus der CH-PS 5 06 188, bekannten Feldeffekttransistors mit Schottky-Gate (G) und
Source- und Drainelektroden (S. D).
Die ohmschen Kontakte für Source S und Drain D brauchen nicht notwendigerweise auf der Oberfläche
der Vorrichtung zu liegen, wie dies in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist Die durch diese Kontakte gebildeten
Elektroden können vielmehr auch als N+ dotierte Zonen, die mit der in F i g 3 gestrichelt abgegrenzten
N - leitenden Schicht in Verbindung stehen, ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit diese Zonen
oder einen Teil davon von der Rückseite des Halbleiterplättchens her anzuschließen, sei es durch
öffnungen oder über von der Rückseite her eingebrachte Diffusionen. Auf diese Art lassen sich besonders
einfache Speichermatrizen bauen, denn die X-Leitungen
können nan ζ. B. auf der Vorderseite die Y-Leitungen dagegen auf der Rückseite des Halbleiterplättchens
angebracht sein.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Feldeffekttransistor-Speicherelement mit zwei stabilen Betriebszustand«!, bei dem das Einstellen
der stabilen Zustände über das Gate und das Auslesen über den vom jeweiligen Zustand abhängigen
Stromfluß über die Drain-Source-Strecke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gate ein Schottky-Kontakt ist und in der Raumladungszone
der Schottky-Sperrschicht Tiefenergie-Haftstellen angeordnet sind, so daß der gleichrichtende
Schottky-Übergang durch Anlegen einer über der Sperrdurchbruchspannung liegenden Spannung
in den Zustand niedriger Impedanz und durch Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung in den
Zustand hoher Impedanz stabil einstellbar ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Halbleitermaterial Gallium-Arsenid dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Halbleitermaterial Silizium dient.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium mit wenigstens einem
Stoff der Gruppe Platin, Nickel, Gold. Eisen. Mangan. Quecksilber, Chrom. Silber, Kupfer, Zink.
Cobalt dotiert ist.
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