DE2313604A1

DE2313604A1 - Mechanisch-elektrischer halbleitertransducer und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2313604A1
Application number: DE19732313604
Authority: DE
Inventors: Masanobu Koide; Shigeru Tanimura; Nobuyuki Yamamura
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1972-03-21
Filing date: 1973-03-19
Publication date: 1973-12-06
Also published as: DE2313604C3; GB1418519A; JPS4896088A; CA959975A; IT981527B; DE2313604B2; FR2180687B1; FR2180687A1; JPS5317031B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Transducer, und im besonderen betrifft die Erfindung einen mechanisch-elektrischen Halbleiter-Transducer, der ein Halbleiterbauelement enthält, daß einen dfJnnen Oxydfilm auf dem Halbleitersubstrat besitzt und eine gleichrichtende Charakteristik hat.

Verschiedene Typen von mechanisch-elektrischen Halbleiter-Transducern oder druckempfindlichen Halbleiter-Transducern sind schon vorgeschlagen worden und im Gebrauch. Ein typischer Transducer benützt einen Halbleiter P-N-übergang. Ein typisches Halbleiter-Bauelement, das normalerweise aus Silicium besteht und das einen P-N-übergang aufweist, ist einer Änderung der elektrischen Charakteristik des Überganges ausgesetzt, wenn mechanische Kräfte oder ein Druck auf den P-N-übergang ausgeübt werden. Es ist deshalb möglich, eine druckempfindliche Vorrichtung zu verwirklichen, in dem Mittel zur Aufbringung eines solchen Druckes auf den P-N-übergang eines Halbleiters mit einem solchen übergang vorgesehen werden.

Eines der Probleme von konventionellen druckempfindlichen

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ORiGHNAL INSPECTED

Transducern mit P-N-übergang ist, daß die Druckempfindlichkeit gering ist. Aus diesem Grunde ist es notwendig, derartige Transducer mit einem aktiven Element, z.B. einem Transistor, zu kombinieren , wie es schon in der Praxis angewendet ist. Ein anderes Problem ist die geringe Linearität der elektrischen Charakteristik was die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen.Transducers begrenzt. Ferner ist es bei-den Bauelementen des Standes der Technik bekannt, daß Halbleiter-Vorrichtungen mit einem P-N-übergang Herstellungsprozess mit hohen Temperaturen erfordern, mit dem Ergebnis, daß der Herstellungsprozeß kompliziert und die Kosten sehr hoch sind. "

Ein anderer Typ eines druckempfindlichen Halbleiter-Transducers wurde ebenfalls schon vorgeschlagen, der eine Sehottky-Barriere besitzt, die zwischen einer Halbleiterschicht und einer Metallschicht gebildet ist. Eines der Probleme, die bei diesem Typ von Tiansducer auftreten, ist, daß die Barriere einer Zerstörung unterworfen ist, wenn mechanische Kräfte oder Druck auf die Metallschicht aufgebracht werden infolge der Tatsache, da die Metallschicht in solchen Transducern relativ weich ist. Eine bekannte Technik, die hier von Interesse ist, die eine grundlegende strukturelle Besonderheit der vorliegenden Erfindung einschließt, ist aus der amerikanischen Patentschrift 3679 9^9 "Halbleiter mit einer Zinn-Oxydschicht und Substratfläche", erteilt am 25· Juli 1972 für Genzo Uekusa et al. Das genannte Patent umfaßt grundlegend eine Halbleiter-Anordnung, d.ie einen Film aus Zinn-Oxyd (SnOp) besitzt, der auf dem Halbleiter-Material, wie z.B. Silicium, angeordnet ist und eine gleichrichtende und photoelektrische Charakteristik zwischen den Schichten ■ hervorruft. Genauer umfasst das genannte Patent solch eine Zusammensetzung, die durch ein "\ferfahren gewonnen wird, das folgende Stufen umfasst:

Erhitzen eines Silicium-Einkristalls vom N-Typ in e'inem Quarzrohr, Einführen von Dampf eines Zinnsälzes, wie z.B. Dimethylzinndichlorid ((CH,J₃SnCl₂) in dieses Quarzrohr und Ablagerung

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eines Zinn-Oxydfilmes auf das Siliciumsubstrat durch Pyrolyse,

Solch eine Zusammensetzung enthält eine Barriere, die zwischen der Zinnoxydschicht und dem Halbleiter-Substrat gebildet ist, wobei die Barriere wahrscheinlich eine Schottky-Barriere ist, und in ihrer gleichrichtenden Charakteristik genau einem p-N-übergang gleicht. Solch eine Barriere kann vorteilhafterweise als Gleichrichter oder als photoelektromotorische Vorrichtung verwendet werden. Es ist bekannt, daß eine Zinn-Oxydschicht transparent und leitend ist. Jedoch wird bei einer

wenn derartigen Bestimmung der Zusammensetzung"7~ldas Licht auf die genannte Barriere durch die Zinn-Oxydschicht fällt; eine photoelektrische Vorrichtung erhalten. Die Spektralcharakteristik eines solchen photoelektrischen Elementes ist derart, daß sie eine größere Empfindlichkeit im sichtbaren Wellenlängenbereich besitzt, verglichen mit einem konventionellen Silicium-photoelektrischen Element. Es weist also eine größere Ausgangsleistung bei geringerer Beleuchtung auf, 'und es ist zufriedenstellend bezüglich seines Temperaturganges und der Antwortcharakteristik. Ein weiterer Vorteil der Zusammensetzung des genannten Patentes besteht darin, daß die Zusammensetzung leicht und mit geringeren Kosten auf Massenproduktionsbasis erhalten werden kann, in Hinblick auf die Tatsache, daß die Zinn-Oxydschicht bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden werden kann, verglichen mit einem Herstellungsverfahren eines bekannten Silicium-photoelektrischen Elementes.

Bevorzugterweise wird Silicium als Halbleiter-Substratmaterial bei der Herstellung der patentierten Zusammensetzung verwendet. Es soll jedoch hervorgehoben werden, daß die Oberfläche des Silicium-Substrates dazu geeignet ist, sogar bei normalen Temperaturen oxydiert zu werden und als Ergebnis umfasst das Silicium-Substrat, wenn es zur Herstellung eines Halbleiter-Elementes angefertigt wird, gewöhnlich einen dünnen Oxydfilm der auf der Oberfläche des Substrates gebildet ist. Solch ein

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Oxydfilm besteht typischerweise aus Siliciumdioxyd (SiOp). Desweiteren soll hervorgehoben werden, daß ein zusätzlicher Oxydfilm auf der Oberfläche des Substrates im weiteren Verlauf gebildet wird, der aus einer Zinnoxydschicht auf der Oberfläche besteht. Als Ergebnis wurde gefunden, daß die Halbleiter-Zusammensetzung, hergestellt in Übereinstimmung mit der Lehre ' des genannten Patentes, gewöhnlich einen sehr dünnen Isolierfilm umfasst, der typischerweise aus SiO₃ besteht von einer Dicke von wenigen Angström bis ungefähr 10 Angström;der zwischen der Zinnoxydschicht und dem Halbleiter-Substrat zufällig gebildet ist. So ist es leicht zu verstehen, daß eine solche, dazwischen liegende, unerwünschte Schicht von Isoliermaterial unweigerlich gebildet wird, wenn nicht Überlegungen angestellt werden, diese unerwünschte Schicht zu eliminieren.

Mit einem Blick auf die Untersuchungen im Detail, welchen Einfluß die SiOp-Schicht, die zwischen der SnOp-Schicht unädem Si-Substrat zwischenliegend gebildet ist, auf die Wirkungsweise des SnOp-Si-Heteroüberganges der Zusammensetzung hat, entfernten die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung zuerst die Siliciumdioxyd-Schicht, die auf der Substratoberfläche durch natürliche Oxydiion des Substratmaterials gebildet war und dann lagerten sie eine Zinnoxydschicht auf der frischen Oberfläche des Substrates durch ein Verfahren und eine Vorrichtung hierzu ab, um so die Bildung einer SiOp-Schicht auf der Substrat-Oberfläche während des Niederschlages der SnOp-Sohicht zu eliminieren, so daß eine neue Zusammensetzung erhalten werden kann, die keine substantielle SiOp-Schicht zwischen der SnOp-Schicht und dem Substrat im Aufbau enthält. Als Ergebnis wurde gefunden, daß die resultierende SnOp-Si-Zusammensetzung mangelnde Gleichförmigkeit bezüglich der Durchbruchspannung in Sperrichtung, einen anwachsenden Sperrstrom und eine geringere Durchbruchspannung in Sperrichtung aufweist. Es ist gut bekannt, daß diese Änderungen der Charakteristiken bezüglich der Zusammensetzung eines Halbleiter-Elementes gemäß dem genannten Patent alle für verschiedene Anwendungen des Halbleiter-Elementes

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nachteilig sind. So wurde die Tatsache bestätigt, daß die Bildung eines Siliciumdioxyd-Filmes auf einer Übergangsregion einer SnOp-Si-Zusammensetzung keinen geringen Einfluß auf die Charakteristik der Halbleiter-Vorrichtung hat.

Nichts^desto/weniger wurde ebenfalls die Tatsache experimentel bestätigt, daß die Dicke des zwischen dem SnO_-Si-übergang liegenden Siliciumdioxyd-Filmes 15 A nicht übersteigt. Es ist zu glauben, daß ^wohnlich solch eine sehr dünne SiO_-Schicht nicht die gesamte Oberfläche des Silicium-Substrates bedeckt, eher ist die Substratoberfläche mit einer Vielzahl von kleinen SiOp-Filmflachen bedeckt, die Irregularitäten in der Dicke und in anderen Filmbedingungen aufweisen. Aus diesem Grund ist es kaum möglich, SnO^-Si-Aufbauten mit gleichförmiger Charakteristik als Halbleiter-Vorrichtung zu schaffen, was in einer ungenügenden Ausbeutungsrate bei der Herstellung der Vorrichtung sich niederschlägt.

Abgesehen von der obigen Diskussion, die die dazwischen liegende Bildung eines SiO^-Filmes zwischen der SnOp-Schicht und dem Si-Substrat hinsichtlich der oben genannten photoelektrischen und gleichrichtenden Charakteristik Besonderheiten des genannten Patentes, beinhaltet dieses Patent eine photoelektrische Vorrichtung und eine gleichrichtende Vorrichtung und die Anwendung derselben. Jedoch lehrt das genannte Patent,weder noch schlägt es eine Anregung in der Richtung vor, auf die dort beschriebene Vorrichtung mechanische Kraft oder Druck auszuüben und diese so als druckempfindliches Halbleiter-Bauelement zu verwenden. Tatsächlich sollte hervorgehoben werden, daß hinsichtlich der Transparens der Zinnoxydschicht der Vorrichtung an eine verschiedene Anwendung derselben in der bekannten Technik nie gedacht wurde. Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine druckempfindliche Halbleitervorrichtung zu schaffen mit neuer Struktur, die eine ausgezeichnete druckempfindliche Charakteristik aufweist.

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Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht darin, eine verbesserte druckempfindliche Vorrichtung zu schaffen, die eine Druckempflndlichkeits-Charakteristik hat und einen SnOp-PiIm aufweist, der auf einem halbleitenden Substrat niedergeschlagen ist.

Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht darin, einen mechanisch-elektrischen Halbleiter-Transducer zu schaffen, der eine SnOp-Schicht besitzt, die auf einem Halbleiter-Substrat niedergeschlagen ist mit einem Isolierfilm einer spezifischen Dicke zwischen der SnOp-Schicht und dem Halbleiter-Substrat.

Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung besteht darin, die Druckempfindlichkeits-Charakteristik einer druckempfindlichen Vorrichtung zu verbessern, die eine Halbleiter-Zusammensetzung, bestehend aus einer SnO -Schicht auf einem Halbleiter-Substrat umfasst, wobei zwischendiesen genannten Schichten eine Isolierschicht einer spezifischen Dicke angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung schafft einen mechanisch-elektrischen Halbleiter-Transducer, der eine Halbleiter-Zusammensetzung umfasst, die aus einem halbleitenden Substrat, einem Isolierfilm auf diesem Substrat und einem Film von Zinnoxyd, vorzugsweise SnO» besteht, der auf dem genannten Isolierfilm niedergeschlagen ist und eine Barriere bildet, die gleichrichtende Charakteristik hat und zusätzlich mit einer Einreichung versehen ist, um mechanische Kraft auf diese Zusammensetzung aufzubringen. Vorzugsweise kann das Material des halbleitenden Substrates aus der Gruppe der Elemente bestehend aus Si, Ge, und GaAs bestehen. Vorzugsweise kann das Material für den genannten Isolierfilm aus der Gruppe, bestehend aus SiO , Si,N.. und GeO_n

d ■ j H e> d.

bestehen. Die Dicke des Isolierfilmes kann zwischen 15 A und

80 A gewählt werden, aber bevorzugtermaßen soll die Dicke des

OQ

Isolierfilmes zwischen 20 A bis 60 A und im besonderen zwischen 20 A und ¹JO A gewählt werden.

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Es wurde gefunden, daß eine solche Zusammensetzung eine Änderung der elektrischen Charakteristik zeigt, wenn eine me ~ chanische Kraft auf die Anordnung aufgebracht wird. Im besonderen ist der Sperrstrom der Anordnung direkt proportional zur auf die Anordnung aufgebrachten Kraft. Es wurde auch gefunden, daß eine solche Anordnung eine anwachsende Sperrstrom-Ansprechcharakteristik gegenüber der aufgebrachten mechanischen Kraft aufweist und daß das Yerhältnis des Sperrstromes, normiert auf den drucklosen Zustand, innerhalb änes besonderen, gewählten Bereiches anwächst.

Die vorliegende Erfindung schlägt also eine Verbesserung in einem solchen !Transducer vor, bei dem die Druckempfindlichkeit gesteigert ist.

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Das kann erreicht werden durch Verwendung einer solchen Struktur, daß die mechanische Kraft derart aufgegeben wird, daß dadurch eine Scherkraft in der Barriere entsteht. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsart, die solch eine Verbesserung beinhaltet, sind auf einer unebenen Oberfläche oder einer Oberfläche mit kleinen Irregularitäten des Halbleitersubstrates eine Isolierschicht und eine Zinnoxydschicht abgelagert. Demgemäß besitzt die Grenzfläche oder Barriere, die dazwischen gebildet ist, entsprechende Irregularitäten oder Unebenheiten. Wenn eine mechanische Kraft auf eine gegebene Fläche der Zinnoxydschicht aufgebracht wird, so tritt eine Scherkraft in der Grenzfläche oder Barriere eines Bösehungsteils auf. Es wurde gefunden,- daß, wenn der Barrierenabschnitt einer derartigen Scherkraft unterworfen ist, eine höhere Druckempfindlichkeit erhalten wird, verglichen mit dem Fall, wenn eine mechanische Kraft vertikal zur Barriere oder zum Barrierenabschnitt aufgebracht ist und so eine Druckkraft erzeugt.

Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigt :

Fig» 1 eine Schnittansicht eines mechanisch-elektrischen Halbleitertransducers gemäß vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine bevorzugte Anordnung einer Apparatur zur Herstellung der Anordnung gemäß Figur 1,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines mechanisch -elektrischen Halbleitertransducers bevorzugter Ausführung gemäß

vorliegender Erfindung,
t . ...

Fig.' 4 in grafischer Darstellung ein Vergleich der Charakteristiken einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung mit bekannten Anordnungen des Standes der Technik ,

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Fig. 5 in grafischer Darstellung einen weiteren Vergleich, der statistischen Verteilung der Charakteristiken einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung mit bekannten Anordnungen des Standes der Technik,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des SiO₂-Filmes der Anordnung gemäß der Erfindung ύ des Sperratromes,

Fig. 7 in grafischer Darstellung die Abhängigkeit der Durchbruchspannung in Sperrichtung von der Dicke des SiO₂"-* Filmes, -

Fig. 8 ein Schaubild zur Darstellung der mechanisch-elektrischen Umwandlungs-Charakteristik des Halbleitertransducers gemäß Figur 1 mit verschiedenen Werten der Dicke des SnOp- Filmes als Parameter,

Fig. 9 in grafischer Darstellung eine Beziehung zwischen der Sperrstrom-Ansprechcharakteristik und der Dicke des SiQp—Filmes der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung mit verschiedenen Druckwerten als Parameter,

Fig.10 in grafischer Darstellung eine Beziehung zwischen dem Sperrstrom, normiert auf den druckfreien Zustand und der Dicke der SiO₂ Schicht der Anordnung vorliegender Erfindung mit verschiedenen Druckwerten als Parameter,

Fig.11 einen Querschnitt eines Halbleitertransducers einer anderen Ausführung gemäß vorliegender Erfindung,

Fig.12 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils, an dem das druckaufbringende Mittel in Kontakt mit der Halbleiteranordnung ist, wobei diese eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,

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..... . - ίο - ■ ■'■

Pig, 13 in grafischer Darstellung einen Vergleich der me chani s ch-el ekt ri s chen Umwandlungs -Oharakt er is t ik des Transducers gemäß Figur 12 mit den gemäß Figur 1, ■

Pig. 14 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines fragmentarischen Teils eines Transducers noch einer weiteren Ausführungsform entsprechend vorliegender Erfindung und . —

Pig. 15 ein Querschnitt durch einen Halbleitertransducer einer weiteren Ausführungsform in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung·

In allen diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugzeichen die gleichen Teile.

Betrachtet man nun Figur 1, so ist dort ein thematischer Quer- · schnitt eines mechanisch-elektrischen Transducers einer Ausführung in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung abgebildet. Der grundsätzlich gezeigte Transducer umfaßt eine

Halbleiteranordnung 100 und eine Einrichtung 10 zur Druckaufbringung auf die Halbleiteranordnung«

Die grundsätzlich gezeigte Anordnung 100 umfaßt ein Silicium-Einkristallsubstrat vom N-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohni'cm, eine Schicht 2-von Siliciumdioxyd (SiOp)» die auf dem Substrat 1 gebildet ist und dne Schicht 3 von Zinnoxyd (SnOp), die auf die Siliciumdioxyd-Schieht 2 abgelagert ist. Die gezeigte Halbleiteranordnung umfaßt desweiteren eine Metallelektrode 4, die auf der SnO₂-Schicht 3 gebildet ist, eine weitere Metallelektrode 5, die auf den Substrat 1 gebildet ist und Stromanschltisse, einschließlich eines Amperemeter? und eine Spannungsquelle 6 zur Erzeugung der Sperrvorspannung, angeschlossen an die beiden Enden der Elektroden 4 und 5.

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Eine druckaufbringende Nadel 10 ist derart angeordnet, daß die Spitze oder das Ende derselben in Kontakt mit der Oberfläche der Zinnoxydschicht 3 steht. Die Drucknadel 10 ist in bekannter Weise mit einer mechanischen, geeichten Kraftoder Druckquelle verbunden. Als Drucknadel 10 wurde ein Glasstab mit einem Verrundungsradius der Spitze von ungefähr 100yu verwendet. Alternativ kann ein Stab aus anderem Material wie z.B. Metall oder auch in verschiedener Porm verwendet werden.

Die Dicke des Siliciumdioxyd-3?ilmes ist zwischen 15 & und 80 Ϊ. gewählt, was nachfolgend genauer beschrieben werden soll. Es wurde gefunden, daß es eine der spezifischsten Besonderheiten vorliegender Erfindung ist, zwangsläufig die SiO₉ -

C.

Schicht zwischen der SnO^-Schicht und dem Si-Substrat zu bilden, im Gegensatz zu den Erwartungen des Standes der Technik. Die SnO„ - Schult der Halbleiteranordnung ist so gewählt, daß sie gut leitendist und selbst einen Halbleiter vom ΪΤ-Iyp darstellt. Die-leitfähigkeit dieser SnO₀ - Schicht liegt in der

20 Hähe der leitfähigkeit eines Metalls,ungefähr bei 10 Atome/ cm ausgedrückt als freie Elektronenkonzentration. Die SnO^- Schicht 2 mit einer Halbleitercharakteristik vom N-Typ kann durch eine schnelle chemische Reaktion gewonnen werden, bei der SnOp ausfällt. Das ist wahrscheinlich durch den Überschuß an Metall oder Mangel an Sauerstoff zu erklären, was aus der Schnelligkeit des lortschreitens der Reaktion herrührt.

Es wurde entdeckt, daß eine Halbleiteranordnung mit einer derartigen Struktur und Zusammensetzung eine gleichrichtende Charakteristik hat und daß eine solche Anordnung desweiteren fotoelektrische i'unktionen besitzt, wenn Strahlungsenergie auf den innerhalb der Anordnung befindlichen HeteroÜbergang aufgegeben wird. Eine der möglichen Interpretationen dieser Entdeckung ist, daß die genannte Bildung des HeteroÜberganges tatsächlich die Bildung einer Schottky-Barriere zwischen dem

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p Film und dem Halbleitersubstrat ist, wobei die ₂ Schicht als Metall betrachtet wird.

In Figur 2 ist eine; bevorzugte Anordnung eines Apparates zur Herstellung der Falbleiteranordnung gemäß Figur 1 gezeigt. Der abgebildete Apparat umfaßt ein Quarzheizrohr 21, das vom einem elektrischen Erhitzer 22 umgeben ist, der die Rekations— zone des Heizrohrers kontrolliert zwischen 400⁰C und 7QO⁰GJ zu erhitzen im Stande ist. Drei Zuführungen 11,18 und 15 sind mit einer Endwand 25 des Heizrohres 21 ■ verbunden.» Die Leitung 11 dient zur Zuführung eines o>xyd2a?enden Gases , wie z*B. Sauerstoff, Luft oder/ einer Mischung von Sauerstoff und. Stickstoff in das Heizrohr 21 hinein und ist über einen Absperrhahn 29, ein Kontrollventil 13 und einen Durchflussmesser 12 mit einer das oxydierende Gas enthaltenden Quelle,, wie es durch einen Pfeil a angezeigt ist, verbunden. Die Zuleitung 18 wird zur Zuführung von Wasserdampf f in die Bohre 21 benützt und ist über einen Absperrhahn 30 an einen. Verdampfer 17 angeschlossen, der Wasser e enthält. Die Zuführung 15 wird zur Zuleitung einer Gasmischung d von Dimethylzinndichloriddampf c und eines Inertgases a' in das Heizrohr 21 benützt und ist über ein Kontrollventil 16 mit einem "Verdampfer 14 verbunden, der flüssiges Dimethylzinndichlorid (GH₅)^(SnCl₂) b enthält. Beide Verdampfer 17 und 14 sind in ein Öl k eines Ölbades 19 getaucht, so daß beide Verdampfer kontrolliert zwischen 110 C und 150 C mittels eines nicht gezeigten Erhitzers erhitzt v/erden können. Eine Zuführung 11 ^f, die mit dem Verdampfer 14 an einem Ende in Verbindung steht und teilweise in das Öl h des Ölbades 19 getaucht ist, ist über einen Absperrhahn 29^f» ein Kontrollventil 13'. und ein Flußmeter 12' an eine Inertgas-Quelle angeschlossen, wie es ein Pfeil a' in der Figur zeigt. Das andere Ende des Heizrohres 21 ist durch eine Kappe 26 verschlossen, so daß das innerhalb des Heizrohres 21 befindliche Gas gezwungen ist, durch einen Gasaustrittsstuzen 27 mit vor gebener Ausströmgeschwindigkeit auszutreten. Ein Quarzträger 23, auf dem ein'Silicium-"

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plattehen 1 gemäß Figur 1 plaziert ist, ist in der Reäktionszone des Heizrohres 21 angeordnet.

In Vorbereitung der Herstellung der Halbleiteranordnung gemäß vorliegender Erfindung, wird ein N-Siliciumplättchen 1, das physikalisch oder chemisch so "behandelt worden ist, daß es eine spiegelglänzende oder, sollte es gewünschterweise der Fall sein, eine rauhe Oberfläche besitz^ mittels einer verdünnten lösung von Flußsäure (HF ), gewaschen, um einen Siliciumdioxyd-Film zu entfernen, der sich womöglich auf der Hauptoberfläche des Plättchens 1 gebildet haben könnte. Das Plättchen 1 wird dann auf den Träger 23 plaziert und in das Quarzheizrohr 21 eingeführt, so daß es in der Reactionszone des Heizrohres 21 zu. liegen kommt, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Das Siliciumplättchen 1 wird dann mittels der eMctrischen Heizung 22 auf 400 bis 600⁰G erhitzt, vorzugsweise auf 52O°G.

Wenn das Siliciumplättchen 1 die genannte Temperatur erreicht hat, werden das "Ventil 15 und der Absperrhahn 29 und 30 geöffnet, so daß das oxydierende Gas a und der Dampf f durch die Zuleitungen 11 bzw. 18 in das Heizrohr 21 eintreten können, um dort eine oxydierende Atmosphäre innerhalb der Reaktionszone zu erzeugen. Während das Siliciumplättchen 1 der oxydierenden Atmosphäre z.B. 5 Minuten lang unterworfen wird, wird ein Siliciumdioxyd-Film 2 von 20 $. Dicke auf der Oberfläche des Plättchens 1 gebildet, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Die Dicke des Siliciumdioxyd-Filmes wird \\rie gewünscht kontrolliert ausgewählt innerhalb eines Bereiches zwischen 15 A und 500 A, z.B., als eine Funktion der Zeit, innerhalb der das Plättchen dieser oxydierenden Atmosphäre unterworfen ist. Jedoch sollte zur Herstellung eines Siliciumdioxyd-Filmes, der dicker als 50 A ist, die Temperatur des Heizrohres auf ungefähr 700⁰G erhöht v/erden, um so die erforderliche Zeitspanne zur Bildung der Siliciumdioxyd-Schicht von gewünschter Dicke zu reduzieren

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ohne einer substantiellen Änderung der Qualität dieses Filmes. Die Auswahl der Dicke des SiOo Filmes wird genauer im folgenden beschrieben: > ■

Wenn der SiOp-PiIm von gewünschter Dicke auf der Oberfläche des Plättchens gebildet ist, werden das Ventil! 13' und der Absperrhahn 29' geöffnet,so daß ein inertes Trägergas a¹ durch die Zuführung 11 ' in den Ver damp er 14 geleitet wird, der Dimethylzinndichlorid b enthält. Wie es in Figur 2 gezeigt ist, wird das Inertgas a¹ auf eine bestimmte Temperatur vorerhitzt, wenn es durch einen bestimmten Teil der Zuführung 11 'strömt, der in das Ölbad 19 eintaucht. Das Ölbad 19 wird mittels eines nicht abgebildeten Erhitzers erhitzt, so daß das Öl h auf eine Temperatur zwischen 11O⁰G und 150°C vorzugsweise 135⁰G erhitzt ist. Folglich wird der Verdampfer 14 ebenfalls erhitzt, um einen Dimethylzinndichloriddampf darin zu erzeugen. Der innerhalb des Verdampfers 14 befindliche Dimethylzinndichloriddampf wird danach zusammen mit dem.Trägergas a, das durch den Verdampfer strömt , in das Heizrohr 21 geleitet, wobei der Druck innerhalb des Heizrohres gewöhnlich durch eine nicht gezeigte Vakuumpumpe reduziert wird, die an dem Gasauslaßstaen 27 angeschlossen ist. Gleichzeitig mit der Zuführung der Gasmischung d wird Wasserdampf f,wenn nötig, in das Heizrohr eingeleitet. Es wurde gefunden, daß die zusätzliche Zuführung von Wasserdampf in das Heizrohr während der Abscheidung des Zinndioxyd-Filmes die erforderliche Zeit zur Abscheidung desselben von bestimmter Dicke verringert, ohne eine grundsätzliche Änderung der Qualität des Filmes zu bewirken. In der Re akt ions ζ one unterliegen Op und (CH₂)P SnCIp des Mischgases d einer Pyrolyse-und Oxydationsreaktion, wodurch ein Film von Zinndioxyd fest auf dem genannten Siliciumdioxyd-Film 2 auf der Oberfläche des Siliciumplättchens 1 abgeschieden wird. Die so hergestellte Querschnittsstruktur der SnOp-SiOp-Si-Anordnung ist in Figur gezeigt. -

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Diese Verfahrensreaktion kann durch folgende Gleichung geschrieben werden:

+ O₂ j SnO₂ + 2CH₃CI

Der auf diese Weise entstandene Zinndioxydfilm ist von hoher optischer Durchlässigkeit, seine Transmissionsrate ist hoher als 80 - 90 io für Licht von einer Wellenlänge von 400 mu "bis 800 mu. Der Film ist ebenfalls hochleitend. Falls es gewünscht wird, kann die Leitfähigkeit jedoch noch weiter erhöht werden (Verminderung des Widerstandes) durch Einfluss einer kleinen Menge von Antimontrichlorid (SbCl,) in die Dimethyl-Zinndichlorid-Lösung b.

Es wurde gefunden, daß ein N-Siliciumhalbleiter ein -geeignetes Material zur Verwendung als Substrat vorliegender Erfindung ist. Jedoch kann ebenso eine Halbleiteranordnung mit Gleichrichtercharakteristik mittels Anwendung eines P-Siliciumhalbleiters hergestellt werden. Bei Benutzung von P-Material wurde jedoch gefunden, daß die Reaktion des Niederschlages des SnO₂ vorzugsweise bei einer e₍twas höheren Temperatur durchzuführen ist,· oder die Hitzebehandlung bei einer oben genannten geeigneten Reaktionstemperatur zur SnO₂-Ablagerung durchzuführen ist. Es wurde gefunden, daß Anordnungen von gleicher Gleichrichtercharakteristik ebenso mittels Ge oder GaAs als Substratmaterial hergestellt werden können. Es wurde des weiteren gefunden, daß Si^IL oder GeOp anstelle von SiOp als Isolierfilm zwischen dem Zinndioxydfilm und dem Halbleitersubstrat für den Zweck vorliegender Erfindung verwendet werden können.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen mechanisch-elektri-

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schen Halbleitertransducer einer bevorzugten Ausführungsform gemäß "vorliegender Erfindung. Die gezeigte Anordnung umfasst einen PiIm 2 von elektrisch isolierendem Material, wie z. B. Siliciumdioxyd von ausreichender Dicke, so z. B, Ο,β μ, der auf einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 1 gebildet ist, einen weiteren PiIm 2 von isolierendem Material, wie z. B. Siliciumdioxyd einer Dicke von 15 A - 80 A, gebildet auf einer Fläche des genannten Halbleitersubstrates 1 innerhalb einer durch den J¹Hm 2^r definierten Fläche, und einen Zinnoxydfilm 3, der auf dem Film 2 und 2· aufgebracht ist und eine . gleichrichtende Barriere zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und dem Zinnoxydfilm bildet. Die derart gebildete Barriere wird durch den genannten Isolierfilm 2¹ begrenzt, wobei die Barriere nicht freigelegt ist, und deshalb eine ausgezeichnete Charakteri ä;ik der Vorrichtung sichergestellt ist.

Nachdem nun die grundsätzlichen Besonderheiten der bevorzugten Anordnung vorliegender Erfindung beschrieben worden sind, sollen nunmehr verschiedene charakteristische Besonderheiten der Anordnung als Halbleiter anhand von verschiedenen Schaubildern beschrieben v/erden. Es sei hervorgehoben, daß diese verschiedenen Charakteristiken durch den Gebrauch eines bestimmten Beispieles der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, erhalten wurden, die

ein Silicium-Einkristall vom IT-Typ mit einer Fläche von 2 mm und einer Dicke von 200 μ und einem Zinndioxydfilm von 1 mm Durchmesser und einer Dicke von 0,6 μ ist.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die einen'Vergleich in der Charakteristik einer druckempfindlichen Vorrichtung einer SnOg-SiOg-Si-Halbleiteranordnungsstruktur zeigt, die in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung· hergestellt wurde mit jener einer Vorrichtung bestehend aus SnOp-Si-Anordnungsstruktur,

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die gemäß dem genannten amerikanischen Patent, hergestellt worden ist. Die Kurve 6 von lig. 4 stellt die gleichrichtende Charakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar und die Kurven A und B representieren die Gleichrichtercharakteristik der bekannten Ausführungen, beide unter Abwesenheit von Licht und mechanischer Energie auf den Vorrichtungen. Die Kurve A wurde erhalten durch die Benutzung einer Anordnung, bei der die gebildete Siliciumdioxydschieht zwischen dem Z'inndioxydfilm und dem Siliciumsubstrat eliminiert würde, die Kurve B wurde erhalten mittels einer Anordnung, bei der keine besonderen derartigen Vorkehrungen getroffen wurden. Wie aus den Kurven des Schaubildes zu entnehmen ist, ist der Sperrstrom oder Dunkelstrom der Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verglichen mit der bekannten Ausführung stark verkleinert.

Pig. 5 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Vergleichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit denen der genannten bekannten Vorrichtungen des Standes der Technik, und zwar ein Vergleich in statistischer Weise. In dem Schaubild ist auf der Ordinate die relative Frequenz aufgetragen, während auf der Abszisse die Durchbruchspannung in Sperrichtung aufgetragen ist. Die Kurve G¹ dieses Schaubildes zeigt eine statistische Verteilung der Durchbruchspannung in Sperrichtung eines Elementes gemäß vorliegender Erfindung, während die Kurven A' und B¹ die Verteilung einer bekannten Vorrichtung zeigen. Wiederum wurde die Kurve A durch Benützen einer Anordnung erhalten, bei der der Siliciumdioxydfilm zwischen dem Zinndioxyifilm und dem Siliciumsubstrat entfernt wurde, die Kurve B' wurde erhalten durch Benützen einer Vorrichtung, bei der keine derartige Behandlung vorgenommen worden war. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, sind-die Vorrichtungen, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, sehr gleichmäßig bezüglich ihrer

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Durehbruchspannung'in Sperrichtung, wohingegen diese Spannung bei bekannten Vorrichtungen des Standes der Technik weit gestreut ist.

Pig. 6 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung des Sperr- ■ stromes in Abhängigkeit von der Dicke des Siliciumdioxydfilmes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei auf die Vorrichtungen weder Licht noch mechanische Energie aufgegeben ist. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, ist eier Sperrstrom um so geringer, je dicker der Siliciumdioxydfilm ausgebildet ist und besonders nimmt der Sperrstrom dann rapide ab, wenn die Dicke des SiIiciumdioxydfilmes von ungefähr 20 A bis ungefähr 60 A anwächst.

Es wurde gefunden, daß bei einem Anwachsen der Dicke des SiIi-

o
ciumcioxydfilmes über ungefähr 500 A der Sperrstrom demzufolge vollständig auf 0 reduziert wird.

Eig. 7 zeigt -in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Durchbruchspannung in Sperrichtung von- der Dicke des Siliciumdioxydfilmes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem Falle, daß weder Licht noch mechanische Energie auf dieselbe aufgebracht wird. Wie aus dem Schaubild von Pig. 7 zu entnehmen ist und im Gegensatz .zum Schaubild von Pig. 6, wird die Durchbruchspannung in Sperrichtung umso größer, je dicker der Siliciumdioxydfilm ausgebildet ist, und gleicherweise wie die Dicke des Siliciumdioxydfilmes von ungefähr 20 A bis zu 60 A anwächst, nimmt die Durchbruchspannung in Sperrichtung ziemlich schnell zu. Vermutlich resultiert die Änderung der Durchbruchspannung in Sperrichtung, die von der Dicke der Siliciumdioxydschicht abhängt, von der Tatsache her, daß die Siliciumdioxydschicht 2 bei zunehmender "Dicke" "in zunehmendem Maße als Isolierschicht wirkt. Auf der anderen Seite neigt ein Siliciumdioxydfilm zunehmender Dicke dazu, die Gleichrichtercharakteristik der Anordnung herabzusetzen und die Fotoempfindlichkeit der Vorrichtung

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zu verringern.

Es sei wiederholt, daß in der Vorangegangenen' Diskussion der

verschiedenen Charakteristiken und Besonderheiten der erfindungs

gemäßen Torrichtung keinerlei Druck auf dieselbe aufgegeben "wurde.· Überraschenderweise wurde jedoch entdeckt, daß ein überschlägig linear proportionales Verhältnis zwischen der durch Druck mittels der Nadel 10 aufgebrachten mechanischen Kraft auf die Grenzschicht und dem Sperrstrom durch die Halbleiteranordnung existiert, wenn die Spannung der Spannungsquelle 6 einen bestimmten Wert beträgt. Es wurde weiterhin entdeckt, daß die erfindungsgemäße Torrichtung bei Aufbringen von Druck einen anwachsenden Sperrstrom zeigt, im Falle, wenn die Dicke des Siliciumdioxydfilmes aus einem besonderen Bereich ausgewählt wurde und besonders wird es rapide bemerkenswert, wenn ein Terhältnis des Sperrstromes; normiert auf die Drucklosigkeitj ausgewählt wird, in Abhängigkeit davon, wenn die Dicke des Films, bis zu einem spezifischen Wert anwächst. Die vorliegende Erfindung benützt dieses Phänomen.

Betrachtet man nun nochmals Fig. 8, so zeigt das Schaubild die Druek-Sperrstromcharakteristik in Abhängigkeit von der last eines Transducers gemäß Fig. 1 mit verschiedenen Werten der Dicke des SnOp- Filmes als Parameter. Genauer ausgedrückt zeigt dieses Schaubild die Druck-Sperrstromcharakteristik des genannten Transducers, wenn eine Sperrspannung von 5 ToIt zwischen die Elektroden 4 und 5 gelegt ist. Es ist offensichtlich aus den Kurven des Schaubildes abzulesen, daß der erfindungsgemäße Transducer sehr zufriedenstellend in seiner Empfindlichkeit ist und eine relativ gute Linearität besitzt. Obgleich es ratsam ist, die Drucknadel nahe dem Zentrum der Barrierenregion, die durch das Substrat 1 und den Zinnoxydfilm 3 gebildet ist, anzusetzten, gibt es einen weiten Bereich der Wahl ihrer Lokalisation. Eine gutstabilisierte Charakteristik kann bezüglich der Härte der Zinnoxyd-

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schicht 3 erkalten werden, wodurch eine liichtdeformation des Filmes während des Gebrauchs über einen langen Zeitraum gewährleistet äst.

Es ist offensichtlich durch die obigen Erklärungen, daß die druckempfindliche Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung leicht herzustellen ist, eine ausgezeichnete Druckcharakteristik aufweist und deshalb in hohem Maße für Anwendungen wie z. B. als akustischer Abnehmer oder Abgreifer geeignet ist.

Fig. 9 zeigt in graphischer Darstellung eine Beziehung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Dicke des SiO_?-Pilmes der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einer Sperrspannung von 5 Volt beaufschlagt ist, in dem Pail, wenn.die Vorrichtung einem Druck ausgesetzt ist, der verschiedene Werte durchläuft, so z. B. 5, 10, 20, 30 und 50 Gramm, was in Pig. 9 als Parameter dargestellt ist. Auf der Ordinate dieses Schaubildes ist der Sperrstrom in u^A aufgetragen, während auf der Abszisse die Dicke des Siliciumdioxydfilmes im i. aufgetragen ist. Wie aus dem. Schaubild zu entnehmen ist, zeigt'die erfindungsgemäße"Vorrichtung eine anwachsende Sperrstromcharakteristik, vorausgesetzt, daß die Dicke des Siliciumdioxydfilmes kleiner als ein spezifischer Wert ungefähr 80 A, gewählt ist. Es sei bemerkt, daß,, je dünner die Dicke des Siliciumdioxydfilmes gewählt ist, umso höher der Sperrstrom wird und daß diese Tendenz mit anwachsendem Druck bemerkenswert ist.

Pig. 10 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis des Sperrstromes unter Druck normiert auf Drucklos rgke it und der Dicke des SiOp-Pilmes der Vorrichtung, wenn an diese eine Sperrspannung von 5 Volt angelegt ist, und ,zwar mit verschiedenen Druckwerten als Parameter, so z. B. 5, 10, 20, 30, 40 und 50 Gramm. Auf der Ordinate des Schaubildes ist

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das Verhältnis des Sperrstromes unter Druck normiert auf den drucklosen Zustand aufgetragen, während auf der Abszisse die Dicke des Siliciumdioxydfilmes aufgetragen ist. Wie aus dem Sehaubild zu entnehmen ist, zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Druck-Nichtdruckverhältnischarakteristik, unter der Voraussetzung, daß die Dicke des SiOp-Filmes innerhalb eines spezifischen Werfbereiches gewählt wird, gewöhnlich innerhalb von 15 A bis 80 A, und im besonderen zwischen 20 A bis 40 A. Es sei wiederholt, daß die Tatsache bezüglich der Figuren 6 und 7 hervorgehoben wurde, daß, wenn die Dicke des Siliciumdioxydfilmes von ungefähr 20 A bis ungefähr 60 A anwächst, der Sperrstrom sich rapide vermindert und die Durchbruchspannung in Sperrrichtung ziemlich rapide höher wird. Berücksichtigt man diese Betrachtung bei den oben genannten Tatsachen, so ist es empfehlenswertj die Dicke des SiOp-Pilmes zwischen 15 A und 80 A zu wählen und im besonderen ist es empfehlenswert die Dicke zwischen 15 A bis 60 A oder zwischen 20 A bis 60 A zu wählen, am besten jedoch für die Zwecke vorliegender Erfindung ist der Bereich zwischen 20 A bis 40 A.

In der vorangegangenen Beschreibung der Herstellung der er

findungsgeraäßen Vorrichtung bezüglich Pig. 2, wurde die Siliciumdioxydschicht, die durch natürlich Oxydation gebildet worden war vollständig durch den Gebrauch einer llussäurelösung entfernt, bevor die Siliciumdioxydschicht anschließend zum Zwecke vorliegender Erfindung wiederum gebildet wurde. Der Grund des Entfernens der natürlich gebildeten Siliciumdioxydschicht liegt darin, die Herstellung einer kontrollierten Dicke des Siliciumdioxylfilmes zu erleichtern.

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Genauer gesagt, ist die Dicke der auf natürliche Art und Weise entstandenen Siliziumdioxydschicht auf dem Siliziumplättc-hen, das zur Herstellung einer erfindungsgemäßen .Vorrichtung vorbereitet wurde, verschieden oder die Oberfläche ist nicht gleichförmig, was von der Zeitspanne abhängt, die nach dem Schneiden und Polieren des Plättchens verstrichen ist und was desweiteren von Umgebungsbedingungen abhängt, denen das Plättchen ausgesetzt ist, etc. Deshalb macht die Bildung des auf natürliche Art und Weise entstandenen Siliziumdioxydfilmes auf dem Plättchen die resultierende Siliziumdioxydschicht uneben bezüglich Dicke und Qualität, was sich in einem Mangel an Gleichförmigkeit der Sperrspannungscharakteristik, des Sperrstromes und der Durchbruchspannung in Sperrichtung etc. zeit. Im Gegenteil dazu elimeniert die obengenannte Vorbehandlung bezüglich der Entfernung der unerwünschten Siliziumdioxydschicht derartige Probleme und verbessert die Ausbeuterate bei der Herstellung. Jedoch muß die natürlich entstandene Siliziumdioxydschicht nicht vollständig entfernt werden. ¥erm die Schicht als Ergebnis der genannten Vorbehandlung eine gleichmäßige Dicke aufweist, so kann dieser Film als Teil der nachfolgend aufgebrachten Siliziumdioxydschicht dienen, die durch genau kontrollierte Oxydationsbedingungen mittels eines oxydierenden Gases a, der Temperatur und der Oxydationszeit hergestellt wird.

Figur 11 zeigt einen Querschnitt durch einen Transduser einer weiteren Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung, wobei eine druckausübende Kugel 1O^f an Stelle der Drucknadel 10 verwendet wird. Wie es in Figur 1 zu sehen ist, kann der mit einer Drucknadel 10 auf eine Barriere aufgebrachte Druck variieren gemäß der Richtung des Vektors der mechanischen Kraft, die auf die Drucknadel 10 aufgebracht ist. Gemäß der Ausführung von Figur 11 jedoch ist die druckaufbringende Kugel 10' im Stande zu rollen und deshalb kann der Druck senkrecht zur Oberfläche der Zinnoxydschicht aufgebracht werden, wo die Kugel in Kontakt

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mit der Zinnoxydoberfläche steht, selbst wenn die Richtung der mechanischen Kraft, die auf die Druckkugel 10' aufgebracht ist, nicht senkrecht zur Zinnoxydoberfläche sein sollte.

Die Charakteristik, die in Figur 8 gezeigt ist, war der—gestalt, daß die Ausführung, in welcher die Oberfläche des Substrates der Halbleiteranordnuigl des Transducers gemäß Figur 1 spiegelpoliert war. In der Tat ist, im Falle der Halbleiteranordung in der betreffenden Anmeldung, eine spiegelpolierte Oberfläche des Substrates als wünschenswerf^betrachten . Es wurde jedoch gefunden, daß im Lichte des Zwecks vorliegender Erfindung es wünschenswert ist, die Substratoberfläche des erfindungsgemäßen Transducers rauh oder uneben zu belassen. Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung solch einer Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung.

In Figur 12 ist ein erläuternter und vergrößerter Querschnitt der Fläche eines erfindungsgemäßen Aüsführungsbeispieles abgebildet, auf der die Brucknadel steht, wobei die Substratoberfläche des Transducers gemäß Figur 1 rauh oder uneben gelassen worden ist. Eine Hauptoberfläche des halbleibenden Substrates 1 ist voller Unebenheiten und der SiliziumdiOxydfilm 2 und der Zinndioxydfilm 3 sind auf dieser unebenen Oberfläche abgelagert. Deshalb kommt die Drucknadel mit erhöhten Teilen des Zinndioxydfilmes 3 in Kontakt, wenn diese Drucknadel 10, oder ein anderes Druckglied, mit einem,Abrundungsradius an der Spitze von 300μ angewatdt wird, um auf den Zinndioxydfilm 3 Druck auszuüben. Wenn ein Druck auf die Drucknadel 10 ausgeübt wird, so wird eine mechanische Deformation in einem Teil des Zinnoxydfilmes 3 und des Halbleitersubstrates 1 verursacht, und diese Deformation hat einen Einfluß auf die obengenannte Barriere, was als eine Änderung des Sperrsfcromes durch die Barriere mit Mitteln eines geeigneten Anzeigegerätes, wie z.B. einem Atnpermeter 7 angezeigt werden kann, wobei das Ampermeter in Serie mit der Sperrspannungsquelle 6 gemäß Figur 1 geschaltet ist.

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Es wurde gefunden, daß die druckempfindliche Vorrichtung der Ausführung gemäß Figur 12, in der die obengenannte Konstruktion angewendet ist, durch ihre bemerkenswerte verbesserte druckempfindliche Charakteristik ausgezeichnet war.

Figur 13 zeigt in graphischer Darstellung eine Änderung des Sperrstromes gegenüber der aufgebrachten Last bemessen entsprechend der Ausführung von Figur 12, bei der die Dicke des SnOp Filmes 2.0 A gewählt wurde. In diesem Schaubild ist die Kurve A eine charakteristische Kurve der Druckempfindlichkeit eines Ausführungsbeispieles mit einer spiegelpolierten Oberfläche, was sich auf Figur 1 bezog, während die Kurve Beine Charakteristik einer druckempfindlichen Torrichtung einer Ausführungsform gemäß Figur 12 zeigt.

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Bei der druckempfindlichen Vorrichtung der Erfindung mit ihrer spiegelpolierten Substratoberfläche werden der Siliciumdioxydfilm und der Zinnoxydfilm auf der spiegelpolierten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates niedergeschlagen, so wie normalerweise bei einem gewöhnlichen Halbleiter wie einem Diffusions-iyptransistor verfahren wird. Im Gegensatz dazu sind keine komplizierten Verfahren notwendig, um eine Unebenheit des Halbleitersubstrates gemäß der Ausführungsform von Fig. 12 zu erzeugen.

Während normalerweise das Halbleitersubstrat, das in einem Diffusions-Halbleiter verwendet wird, eine spiegelpolierte Oberfläche nach dem Läppen besitzt, kann das Halbleitersubstrat gemäß der Ausführung von Pig. 12 ohne dieser Spiegelpolierung hergestellt werden. Bur wenn es erwünscht ist, kann es spiegelpoliert sein und ist dann einem chemischem Ätzvorgang zu unterwerfen um so die Unebenheit der Oberfläche zu erzeugen. Die Oberfläche eines Halbleitersubstrates, das dergestalt hergestellt worden ist, hat viele kleine Einbuchtungen und Erhöhungen mit einer liefe oder Höhe von ungefähr 1 Micron und einer Entfernung von einigen Microns voneinander. Eine verchromte Nadel wurde als Drucknadel 10 verwendet und die oben genannte Charakteristik wurde bei einer Vorspannung in Sperrichtung von 5 Volt erhalten.

Solch ein bemerkenswerter Unterschied in der Druckempfindlichkeit, wie er in Fig. 13 gezeigt ist, ist auf die Unterschiede in der Flächenbeschaffenheit des Substrates zurückzuführen, auf der der Zinnoxydfilm aufgebracht ist. Der Grund soll im folgenden erklärt werden.

Es wird angenommen, daß der aufgebrachte Druck zu einer Scherbeanspruchung in der Barrierenregion der Halbleiteranordnung führt,

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wobei diese Scherkräfte die gleichrichtende Barriere beeinflussen. Betrachtet man Pig. 12, so verursacht die Kraft F, die durch die Drucknadel 10 aufgebracht wird;, eine Komponente f.. der Kraft F, die in Richtung der Abschrägung des Zinnoxydfilmes 3 gerichtet ist, was zu einer Scherkraft, in der Barriere innerhalb des abgeschrägten Teiles derselben führt. Diese Scherkräfte sind bezüglich des Einflusses auf die Barriere bedeutender, als die senkrechte Komponente der Kraft F. Einer der Gründe mag darin, liegen, daß der Schermodul kleiner als der Elastiz.i-

lSTJ.

tätsmodul' Die Beziehung zwischen dem Schermodul und dem Elastizitätsmodul E ist in folgender Gleichung ausgedrückt:

E '

•2(1 +K)

worin K die Poissonsche Zahl oder den Kontraktionskoeffizient bedeutet, der normalerweise' für Metalle und ähnliches bei 0,3 liegt. Deshalb ist der Schermodul nur um 0,4 vom Elastizitäts- . modul verschieden. Das bedeuted, daß bei einer gegebenen Kraft die Deformation durch Scherung größer ist, als diejenige durch Kompression. Ein anderer Grund liegt in der Tatsache, daß die Halbleiteranordnung, die in dem Transducer vorliegender Erfindung verwendet wird, einen Heteoübergang zwischen zwei verschiedenen Arten von Materialien enthält, nämlich Halbleitermaterial und Zinnoxyd. Der Zinnoxydfilm 3 ist durch Pyrolyse auf das Halbleitersubstrat 1 abgelagert. Daher ist die mechani- . sehe Adhäsion des, Filmes auf dem Substrat nicht so stark wie in dem Falle, eines Überganges zwischen den gleichen Materialien. Ferner sind das Halbleitersubstrat 1 und der Zinnoxydfilm 3 genügend hart und haben einen geringen Schermodul. Wenn die Komponente f. der Kraft P auf den Zinnoxydfilm 3 entlang der Richtung der Absehrägung aufgebracht wird, tritt deshalb eine Scherung zwischen dem Zinnoxydfilm 3 und dem Halbleitersubstrat 1 auf, ohne gleichzeitiger Deformation des Zinnoxydfilmes 3 und des

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Halbleitersubstrates 1, was die gleichrichtende Barriere beeinflusst. Wie es später noch genauer beschrieben wird, ist die Abschrägungjoder Neigung der Irregularitäten oder Unebenheiten der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 so gering, daß die Komponente f^ der Kraft 3P, die entlang der Richtung der Abschrägung des Zinnoxydfilmes 3 angreift wahrscheinlich sehr klein ist. Trotzdem kann eine bemerkenswerte Verbesserung der Druckempfindlichkeitscharakteristik mit solch einer geringen Kraftkomponente f.. erreicht werden. Diese Tatsache begründet die Nützlichkeit und Verwendungsfähigkeit vorliegender Erfindung. Es sei noch gesagt, daß der letztgenannte Grund noch bedeutender ist. Allgemein gesprochen ist es schwierig, scharfe Irregularitäten innerhalb der Oberfläche des Halbleitersubstrates zu erzeugen. Z. B. beträgt der größte mögliche Böschungswinkel einer Rille bezüglich der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates nur 30° bis 45°» wenn eine normale Methode des selektiven chemischen Ätzens angewendet wird, um Rillen in der Substratoberfläche zu erhalten. Selbst wenn schärfere Irregularitäten durch einige andere Mittel erzeugt werden könnten, ist es schwierig, den Zinnoxydfilm durch Pyrolyse auf solchen steilen Wänden der Rillen niederzuschlagen.

Aus der obigen Beschreibung geht affensichtlich hervor, daß die druckempfindliche Halbleitervorrichtung in der Ausführung gemäß Fig. 12 guten Gebrauch von dem HeteroÜbergang zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Zinnoxydfilm macht, so daß dieser Übergang Scherkräften unterworfen wird bei Verwendung einer solchen Konstruktion und daß die Kraft als eine Komponente der aufgebrachten Kraft E in der Ausdehnungsrichtung des Zinnoxydfilmes aufzutreten im Stande ist. Solch ein Transducer ist einfach in der Konstruktion und leicht herzustellen.

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Pig. 14 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht: eines fragmentarischen Teils eines weiteren Äusführungsbeispieles vorliegender Erfindung, ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 12, Betrachtet man Fig. 14, so sind die Rillen 50 in Form eines Gitters auf der Haupt oberfläche des Harbleitersubstratas 51 aufgebracht und auf den äußersten planen Oberflächen der durch die gitterförmigen Rillen gebildeten. Erhebungen ist ein Isolierfilm abgelagert, also nicht in den Rillen 50 selbst. Ein. Siliciumdioxydfilm 54 und ein Zinnoxydfilm 53 sind danach über die gesammte Hauptoberfläche des Substrates niedergeschlagen einschließlich der Rille 50 und der Isolierfolie 52·Die Rillen 50 können wie oben ausgeführt leicht durch chemisches Xtzen erhalten werden. Die Isolierfilme 52 können z« B. aus einem Siliciumnitritfilm bestehen. Wenn ein Siliciumnitritfilm verwendet wird kann er mittels einer Maske durch selektive Abdeckung mittels Ätzen der Rillen 50 erhalten werden. In der hier vorliegenden Ausführungsform ist der Isolierfilm 52 sandwichartig aufgebracht, um dort keinen He.teroübergang zu erzeugen, wo keine Scherkräfte auftreten, sondern wo nur Kompressionskräfte auftreten. Bei der Berücksichtigung dieser Tatsache wird das Verhältnis der Fläche, in der Scher-; kräfte auftreten, zur gesammten Fläche des HeteroÜberganges vergrößert, woraus nochmals eine Verbesserung der I)ru.ckempfindlichkeitscharakteristik resultiert., Es sei darüber hinaus angemerkt, daß die Isolierfilme 52 erheblich dicker als der Isolierfilm 54 sein kann, so daß auf den. planen Erhebungen kein HeteroÜbergang vorhanden zu sein braucht.

Betrachtet man nun nochmals Fig. 1, so ist verständlich, daß j.ene dort gezeigte Ausführungsform eine Elektrode 4 hat, die nur über -einem peripheren Teil des Zinnoxydfilmes 3 ausgebildet ist. Normalerweise ist die Halbleiteranordnung vorliegender Erfindung

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in ein geeignetes Gehäuse eingebaut, so daß die Barriere der Halbleiteranordnung gemäß des Transducers von Pig. 1 nicht zufällig einem unerwünschten Liohteinfall ausgesetzt werden kann. Jedoch kann im Hinblick auf die oben genannten verschiedenen Charakteristiken der erfindungsgemäßen Anordnung das Halbleiterelement gemäß Fig. 1 auch als geeignete fotoelektrische Tor-So

richtung benützt werden, wird bei der Verwendung eines Transducers gemäß Mg. 1 bei Lichtauffall auf die Barriere durch den Zinnoxydfilm ein Halbleitertransducer erhalten, der Lichtenergie wie auch mechanische Kraft in elektrische Energie überzuführen im Stande ist. Solche neuen Transducers ermöglichen neue Anwendungen. .

In einigen Anwendungen jedoch kann ein Transducer erwünscht sein, der nicht eingekapselt ist, und der deshalb nicht für zufällig auffallendes Licht empfindlich ist, sondern nur für mechanische Kraft. In solchen Fällen ist es auch notwendig, den Einfluß von Licht auf die Druckcharakteristik des Transducers von außen zu vermeiden.

Fig. 15 ist ein Querschnitt durch einen Transducer eines weiteren Ausführungsbeispieles gemäß vorliegender Erfindung für solche Zwecke. In Fig. 15 ist ein lichtundurchlässiger Schutzfilm 9z. B. von Nickel auf der Zinnox dschicht 3 aufgebracht, der in Kon-, takt mit der Elektrode 4 steht. Wenn das zufällig auffallende, zur Barriere hin gerichtet Licht von dem Schutzfilm 9 abgeschirmt wird, so ist es nicht notwendig, die gesammte Vorrichtung in ein Gehäuse aus lichtundurchlässigem Material unterzubringen. Der Schutzfilm aus Nickel dient also gleichzeitig als eine Elektrode. Nickel jedoch hat eine geringe Härte und deshalb unterliegt es einer plastischen Verformung, wenn eine Kraft mittels eines Druckgliedes aufgegeben wird, was in einer unstabilen Druckempfindlichkeits-

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Charakteristik sich auswirkt, -Deshalb ist es wünschenswert ein Material von hoher Festigkeit für den Lichtschirm auszuwählen. Ils solch ein Material für den dünnen. Film *2' für die oben genannten Erfordernisse kann Molybdän, Wolfram, Platin und Chrom empfohlen v/erden. Dieser Film muß dick genug sein, um als Mchtsehirm zu dienen, aber es ist wünschenswert, daß er so dünn wie möglich ist, so ist z. B. die wünschenswerte Dicke 0,1 u oder ähnlich. Alternativ dazu kann eine Schicht von Metalloxyd wie z. B. Aluminiumoxyd verwendet werden. Der oben genannte dünne Film 9, der als Schirm gegen zufälligen Lichteinfall dient, dient ebenfalls zum Schutz gegei^Zerstörung der Zinnoxydschicht oder der Barriere, herrührend durch die Drucknädel,

Es soll hervorgehoben werden, daß in all den obengenannten Ausführungsformen ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptoberfläche einer kristallographischen 111-Orientierung verwendet wurde. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung untersuchten die Beziehung! zwischen der kristallographischen Orientierung der Hauptoberfläche des Substrates und der Druckempfindlichkeit und Stabilität der Charakteristik der vorliegenden Vorrichtung. Als Ergebnis wurde beobachtet, daß die kristallögraphische Ebene der Substratoberfläche keinen substantiellen Einfluß auf die Drückerapfindlichkeit und die Stabilität der Charakteristik hat, so weit es eine erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft, die eine Halbleiteranordnung enthält mit einer SiO« und SnO,, Schicht, die auf einer unebenen Hauptoberfläche abgelagert sind. Es wurde im Gegenteil beobachtet, daß die Druckempfindlichkeit und Stabilität der Charakteristik der Vorrichtung rait SiOo und SnOp Schichten, die auf einer spiegelpolierten Hauptoberfläche eines Substrates niedergeschlagen worden waren von der kristallographischen Ebene dieser Substratoberfläche abhängen. Spezifischer ausgedrückt ist ein Transducer» ^er eine Anordnung mit einer 100-Ebene (Orientierung) enthält,

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einem Transducer mit einer 111-Ebene in der Druckempfindlichkeit überlegen und der erstgenannte ist viel besser stabilisiert verglichen mit einem letztgenannten bezüglich der Sperrstroracharakteristik bei wiederholter Anwendung von Druck auf die "Vorrichtung. Demgemäß wird bevorzugt ein Substrat verwendet» daß eine Hauptoberfläche mit einer 100-Ebene (Orientierung) besitzt und zwar in dem Falle, wenn ein erfindungsgemäßer Transducer verwendet wird, der ein Substrat mit einer spiegelpolierten Oberfläche enthält.

Des weiteren wurde die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand des Substrates und der Druckempfindlichkeit und der Stabilität der Charakteristik vorliegender Vorrichtung untersucht. Als Ergebnis wurde gefunden daß, je höher der spezifische Widerstand des Materials gewählt ist, um so geringer die Druckerapfindlichkeit wird, aber um so mehr die Sperrstromcharakteristik stabilisiert wird. Eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohmcm verwendet wurde, zeigte eine bemerkenswerte Verbesserung der Stabilität der Sperrstromcharakteristik bei wiederholter Anwendung von Druck auf die Vorrichtung, obwohl die Druckempfi"ndlichkeit sichtlich abnahm. Deshalb ist es empfehlenswerter, ein Substrat mit größerem spezifischen Widerstand zu verwenden, daß eine Oberfläche mit einer 100-Orientierung hat, im Falle, wenn ein erfindungsgemäßer Transducer verwendet werden soll, der ein Substrat mit einer spiegelpolierten Hauptoberfläche aufweist.

Trotz der Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es offensichtlich, daß verschiedene Variationen und Modifikationen der Erfindung möglich sind, die noch innerhalb des Schutsumfanges vorliegender Beschreibung liegen.

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Claims

Patentansprüche

Mechanisch-elektrischer Halbleitertransducer mit einer Halbleiteranordnung, bestehend aus einem halbleitenden. Substrat, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus Isoliermaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht aus Isoliermaterial, die auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates angeordnet ist, eine Zinnoxydschüit aufgebracht ist, die mit dem Halbleitersubstrat einen Barrierenübergang mit einer Glelchrichtercharakteristik bildet, wobei auf der Zinnoxydschicht eine Einrichtung zur Druckübertragung auf diese Zinnoxydschicht angeordnet ist.

Halbleitertrans ducer nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Isoliermaterial ebenfalls ein Halbleiter ist 'und aus der Gruppe der Verbindungen SiO₂, SiJÜ, und GeOp gewählt ist, vorzugsweise SiO₂ ist.

Halbleitertransducer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der SiOp-Schicht ungefähr zwischen 15 X und 80 1, vorzugsweise zwischen 15 & und 60 1 gewählt ist.

Halbleitertransducer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht vorzugsweise zwischen 20 A und 60 A, insbesondere zwischen 20 A und 40 1 gewählt ist.

5. Halbleitertransducer nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß drie Einrichtung zur Druckübertragung eine Nadel oder

■ ein Stab ist, wobei die Nadel oder der Stab mit einem Ende in Kontakt mit dem Zinnoxyd-EiIm steht.

6. Halbleitertransducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung- zur Druckübertragung eine Kugel ist, die

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in Kontakt mit der Zinnoxydschient steht.

7. Halbleitertransducer nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche des Substrates uneben ist und die Isolierschicht und die Zinndioxydschicht auf dieser unebenen Oberfläche angeordnet sind und so eine unebene Heteroübergangsbarriere mit Gleichrichter-Charakteristik entsteht, wobei eine auf die Oberfläche aufgebrachte Kraft eine Scherkraft in dem HeteroÜbergang erzeugt.

8. Halbleitertransducer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die, unebene Oberfläche eine Vielzahl von Rillen aufweist, wobei in den Rillen und an deren Abschrägungen eine erste, dünne Isolierschicht angeordnet ist und auf den erhöhten Teilen zwischen den Rillen eine zweite Isolierschicht von ausreichender Dicke angeordnet ist- und die Zinnoxydschicht . die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrates in und zwischen den Rillen bedeckt, wobei in den Rillen und auf deren abgeschrägten Wandungen Heteroübergangsbarrieren mit gleichrichtender Charakteristik gebildet sind.

9. Halbleitertransducer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates natürliche Oberflächenirregularitäten enthält, die durch Polieren unverändert sind.

10. Halbleitertransducer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche des Substrates geläppt aber unpoliert ist.

11. Halbleitertransducer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucknadel oder der Druckstab einen spitzen Verrundtuagsradius von 100 Mikron aufweist.

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12. Halbleitertransducer nach Anspruch 7» dadurch ,gekennzeichnet , daß die Hauptoberfläche des Substrates eine polierte, durch chemisches Ätzen uneben gemachte Oberfläche ist.

13· Halbleitertransducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat eine Oberfläche · der kristallographischen 111 - oder 100 Orientierung hat.

14. Halbleitertransducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zinnoxydschicht ein Schutzfilm angeordnet ist.

15. Halbleitertransducer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzfilm lichtundurehläßig ist.

16. Halbleitertransducer nach Anspruch 1,. dadurch gekenn zeichnet, daß derselbe in ein Gehäuse eingebaut ist, das zufällig einfallendes Licht von der Halbleiteranordnung abschirmt.

17. Halbleitertransducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.das halbleitende Material Si,Ge oder GaAs ist, und vorzugsweise aus Silicium mit E-Gleitfähigkeit besteht.

18. Verfahren zur Herstellung eines mechanisch -elektrischen Halbleitertransducer mit einer Halbleiteranordnung bestehend aus einem Halbleitersubstrat, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Aufbringen einer Isolierschicht auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates,

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Aufbringen einer Zinnoxydschient auf die Isolierschicht durch Oxydation einer halogeniden organischen Zinnkomponente bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart des
Halbleitersubstrates während einer Zeit, die genügend ist, um eine gleichmäßige Schicht von Zinnoxyd zu bilden und

Anordnen einer Einrichtung zur Druckübertragung auf die Zinnoxyds chicht·

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auf bringen ■ der Isolierschicht die Oberfläche des
Substrates oxydiert wird zur Bildung einer Halbleiteroxydschicht.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Zinnoxydschicht nach der Oxydation der Substrat oberfläche mittels eines gewöhnlichen Erhitzers vorgenommen wird.

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