DE3810768A1 - Steuerbarer elektrischer leiter - Google Patents

Steuerbarer elektrischer leiter

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Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren elektrischen Leiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Leiterstrukturen sind insbesondere auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente bekannt. Zum Beispiel besitzt ein Feldeffekttransistor (FET) eine elektrische Leiterstruktur, bestehend aus einem sogenannten Source-Anschluß, einem soge­ nannten Drain-Anschluß sowie einem diese Anschlüsse verbin­ denden einengbaren Leiterbereich, der Kanal genannt wird, und der eine Elektronenleitung ermöglicht. An diesen Leiter­ bereich ist eine Steuerelektrode, die Gate genannt wird, angekoppelt. Fließt nun zwischen den Source- und Drain-An­ schlüssen ein elektrischer Strom, so ist dieser in Abhängig­ keit von einer an dem Gate anliegenden elektrischen Spannung steuerbar. Denn diese steuert die für die Elektronen wirksa­ me Querschnittsfläche des Leiterbereichs (Kanal), so daß dessen elektrischer Widerstand änderbar ist.
Eine solche Leiterstruktur ist in nachteiliger Weise kosten­ ungünstig herstellbar, denn es sind viele Beschichtungs-, Maskierungs- sowie Strukturierungsvorgänge erforderlich.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß derartige Leiter­ strukturen nicht beliebig verkleinerbar sind, da dann quan­ tenelektrodynamische Effekte auftreten, die insbesondere zu einer störenden Erhöhung des elektrischen Widerstands führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Leiterstruktur anzugeben, die kostengünstig und zuverlässig herstellbar ist, insbesondere bei einer indu­ striellen Massenproduktion, und die sehr kleine geometrische Strukturen ermöglicht, so daß elektronische Bauelemente mit einer hohen Packungsdichte herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteran­ sprüchen entnehmbar.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erfindungs­ gemäße Leiterstruktur im wesentlichen aus einem Substrat besteht, auf dem eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist. Eine solche Anordnung ist wirt­ schaftlich und zuverlässig herstellbar, denn in der Halblei­ tertechnologie ansonsten nötige Verfahrensschritte, z.B. Aufbringen von Halbleiter- und/oder Isolationsschichten, sind vermeidbar.
Die Erfindung beruht auf dem aus der Quantenmechanik bekann­ ten Teilchen-Welle-Dualismus. Danach ist ein Teilchen, z.B. ein Elektron, auch mit Hilfe einer Wellenfunktion (Elektro­ nen-Welle) beschreibbar. Die Elektronen-Welle ist eine transversale Welle.
Danach ist für eine Temperatur T<T F , wobei T F die Fermi- Temperatur bedeutet, die Elektronenwellenlänge λ berechenbar gemäß der Formel
Dabei bedeuten
h = Plancksches Wirkungsquantum
m = Masse des Elektrons
v = Geschwindigkeit des Elektrons
n = Konzentration der Elektronen
Für Metalle, z. B. Indium, mit n = 10²³/cm³ ergibt sich λ = 0,4 nm (Nanometer).
Für Elementhalbleiter, z. B. einkristallines Silizium, mit n = 10¹⁸/cm³ ergibt sich λ = 20 nm.
Für ternäre Halbleiter-Legierungen, z. B. HgCdTe, mit n = 10¹⁴/cm³ ergibt sich λ = 440 nm.
Allgemein berechnet sich bei sogenannten nicht-entarteten Elektronen die Elektronen-Wellenlänge λ gemäß der Formel
Dabei bedeuten
T = Temperatur in Kelvin
m* = relative Masse des Elektrons
m₀ = Ruhemasse des Elektrons im Vakuum
Zum Beispiel mit T = 300 K (ungefähr Raumtemperatur) und m* = 0,1 m₀ wird λ = 20 nm.
Mit derzeit fortschreitender Miniaturisierung nähern sich Halbleiter- und/oder Metall-Strukturen der Länge einer Elektronen-Welle. Das Elektron ist wie eine elektromagneti­ sche Welle transversal polarisiert. Deshalb spürt schließ­ lich das Elektron die laterale Begrenzung der Leiter­ struktur.
Der Elektronen-Transport erstirbt dann bei der sogenannten Cut-off-Wellenlänge λ c2x, wobei x die größte transversale (laterale) Begrenzung der Leiterstruktur angibt.
Diese transversale Elektronen-Interferenz beendet die Funk­ tionsweise derzeit üblicher Elektronik-Bauelemente mit wachsender Miniaturisierung.
Bei der Erfindung wird dagegen dieser Effekt der Cut-off- Wellenlänge ausgenutzt, um ein steuerbares elektrisches Bauelement herzustellen.
Die Elektronen-Wellenlänge ist änderbar durch die Geschwin­ digkeit und damit durch die Energie der Elektronen. Durch Beschleunigung der Elektronen, z.B. in einem elektrischen Feld, entstehen sog. heiße Elektronen ("hot carriers"), denen die Elektronen-Wellenlänge λ hot zugeordnet ist. Mit Hilfe der aus der Elektrizitätslehre geläufigen Formeln
Leistung:
N = j E = σ E ²
  = n e μ E ²
Arbeit:
W = τ ε n e μ E ²
(E = elektrische Feldstärke, e = Ladung, μ = Beweglichkeit, τ ε = Energie-Relaxationszeit)
Kinetische Energie:
1/2 mv² = τ ε n e μ E ²
v = (τ ε n e μ 2/m) 1/2 E = a E
v = a E
ergibt sich für den Fall einer feldstärke-unabhängigen Energie-Relaxationszeit
wobei a eine Konstante ist, welche die Eigenschaften des Materials der Leiterstruktur kennzeichnet.
Daraus folgt, daß insbesondere in nicht-entarteten Elektro­ nen-Gasen die Elektronen-Wellenlänge leicht durch ein elek­ trisches Feld verkleinert werden kann.
Aufgrund dieser Erkenntnis ist es möglich, neuartige Bauele­ mente herzustellen, die auch COW-Bauelemente ("Cut-Off- Wavelength") genannt werden. Dabei wird der erwähnte Effekt ausgenutzt, daß λ hot proportional zu 1/E ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiter­ struktur, bestehend aus einem engen Leiterbereich 1, der beidseitig über Übergangsleiter 2, 2′ mit Anschlußleitern 3, 3′ verbunden ist. Eine solche Leiterstruktur ist z.B. als sogenannte planare Struktur herstellbar, beispielsweise durch eine dünne Metall- oder Halbleiterschicht, die auf einem geeigneten Substrat, z.B. Glas oder anderes geeignetes Isolatormaterial, aufgebracht ist. Wird nun der Leiterbe­ reich 1 entsprechend den genannten Formeln so dimensioniert, daß seine größte laterale Ausdehnung 5 kleiner ist als die halbe thermische Grenzwellenlänge λ therm der Elektronen, so ist nahezu kein elektrischer Stromfluß zwischen den An­ schlußleitern 3, 3′ möglich, selbst wenn zwischen diesen eine elektrische Spannung anliegt. Diese wird so gewählt, daß der Stromfluß in der Ausbreitungsrichtung 4 der Elektro­ nen erfolgt. Werden nun sogenannte heiße Elektronen erzeugt, z.B. mit Hilfe eines elektrischen Feldes, so besitzen diese eine Wellenlänge λ hot , die kleiner als λ therm ist. Für diese heißen Elektronen ist der Leiterbereich 1, der in der Aus­ breitungsrichtung 4 eine Länge besitzt, die größer als λ therm ist, leitfähig, so daß ein Stromfluß in der Ausbrei­ tungsrichtung 4 erfolgt. Diese heißen Elektronen sind er­ zeugbar mit Hilfe einer Elektronen-Beschleunigungsstrecke, die z.B. aus zwei streifenförmigen Metallelektroden 6, 6′, besteht, wobei die Steuerelektrode 6′ elektrisch isoliert über dem Anschlußleiter 3′ angebracht ist. Wird zwischen diese Metallelektroden 6, 6′ eine elektrische Steuerspannung angelegt, so entsteht das elektrische Feld, das die heißen Elektronen erzeugt. Mit der beschriebenen Anordnung ist also eine Veränderung (Schaltung) des Stromflusses in Abhängig­ keit von der Steuerspannung möglich. Dabei bewirken die Übergangsleiter 2, 2′, daß ein reflexionsarmer Übergang zwischen den Anschlußleitern 3, 3′ und dem Leiterbereich 1 möglich ist. Dieses ist insbesondere wichtig für Anwendungen des COW-Bauelements in einer Hochfrequenzschaltung, z.B. für den GHz-Bereich. Das beschriebene Bauelement kann auch als COW-Transistor bezeichnet werden.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht zumindest einer der Anschlußleiter 3, 3′ (Fig. 1) aus einem Material, z.B. einem III/V-Halbleiter, das elektromagnetische Wellen, z.B. Licht oder Infrarot-Strahlung, absorbiert. Diese einge­ strahlte (Licht-)Energie verringert in dem Anschlußleiter die Elektronen-Wellenlänge, so daß der Leiterbereich 1 für Elektronen passierbar wird. Der elektrische Widerstand der Anordnung ist also von der eingestrahlten (Licht-) Energie abhängig. Eine derartige Anordnung wird als COW-Thermistor bezeichnet. Werden dabei die Metallelektroden 6, 6′ zusätz­ lich auf den absorbierenden Anschlußleiter 3′ aufgebracht, so ist es möglich, damit die Elektronen so zu beschleunigen, daß diese den Leiterbereich 1 gerade passieren können. Ein derart elektrisch vorgespannter COW-Thermistor ist vorteil­ hafterweise sehr strahlungsempfindlich. Ein solcher vorge­ spannter oder nicht vorgespannter COW-Thermistor ist z.B. als Infrarot-Detektor geeignet. Weiterhin ist es möglich, mehrere solcher COW-Thermistoren z.B. in einer Matrix- oder Array-Anordnung zu verwenden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird das Material einer Anordnung gemäß Fig. 1 so gewählt, daß eine optimale Magnetfeld-Beeinflussung möglich ist. Wird nun eine solche elektrisch vorgespannte oder nicht vorgespannte Anordnung einem Magnetfeld ausgesetzt, so ändert sich die Spinpolari­ sation der Elektronen dahingehend, daß ein Leiterbereich 1 mit asymmetrischem Querschnitt für Elektronen passierbar wird. Damit ist z.B. eine HF-Modulation des elektrischen Widerstandes des Leiterbereichs 1 erreichbar.
Die Fig. 2a und 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, das als COW-FET (Feldeffekttransistor) bezeichnet wird. Fig. 2a zeigt in schematischer Form eine perspektivische Darstel­ lung des COW-FET. Fig. 2b zeigt eine schematische Quer­ schnittsdarstellung entlang der Linie A, A′ der Fig. 2a. Der COW-FET besteht aus einem Halbleitersubstrat 10, z.B. Si oder GaAs, in das die bei einem Feldeffekttransistor derzeit üblichen Source- und Drain-Bereiche 11, 12 eindiffundiert sind. Diese besitzen einen Abstand, der größer als λ therm ist. Auf der Oberfläche 13 des Substrats 10 ist eine strei­ fenförmige Leiterstruktur 14 angebracht, die als sogenanntes Gate ausgebildet ist. Wird nun an das Gate eine elektrische Spannung angelegt, so entsteht erst in dem Substrat 10 ein Kanal 15, welcher dem Leiterbereich 1 entspricht, der zur Elektronenleitung zwischen den Source- und Drain-Bereichen 11, 12 geeignet ist und dessen Querschnittsfläche von der angelegten Gate-Spannung abhängt. Dieses ist in Fig. 2b durch die Kreise mit unterschiedlichem Durchmesser darge­ stellt. Der Kanal 15 entspricht dem Leiterbereich 1 (Fig. 1). Bei gleichbleibender "Temperatur" der Elektronen ist es daher möglich, in Abhängigkeit von der Gate-Spannung die Querschnittsfläche des Kanals 15 so zu steuern, daß dieser für Elektronen durchlässig wird oder sperrt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Anord­ nungen gemäß Fig. 1 parallel geschaltet sind. Durch eine solche Anordnung ist der elektrische Gesamtwiderstand ver­ ringerbar.
Weiterhin ist es möglich, insbesondere die Leiterstrukturen gemäß Fig. 1 und/oder 3 als vertikale Schichtstrukturen auszubilden. Dabei wird z.B. auf einem Halbleitersubstrat eine entsprechende Schichtenfolge aufgebracht und diese derart strukturiert, daß die Anordnungen gemäß Fig. 1 und/oder 3 im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. Beispielsweise ist es möglich, mehrere der COW-Bauele­ mente gemäß den Fig. 1 bis 3 in mehreren übereinanderliegen­ den Ebenen anzuordnen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine sehr hohe Packungsdichte der COW-Bauelemente erreicht.

Claims (12)

1. Steuerbarer elektrischer Leiter mit einem eingeengten Leiterbereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterbereich (1) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen eine größte laterale Ausdehnung (5) besitzt, die kleiner ist als die halbe Grenzwellenlänge der Elektronen.
2. Steuerbarer elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterbereich (1) beidseitig über Übergangsleiter (2, 2′) am Anschlußleiter (3, 3′) ange­ schlossen ist.
3. Steuerbarer elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (3, 3′) mit den elektrischen Kontakten (6, 6′′) eine größere laterale Ausdehnung besitzen als der Leiterbereich (1) und daß die Übergangsleiter (2, 2′) derart ausgebildet sind, daß ein reflexionsarmer Wellenübergang entsteht.
4. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Anschlußleiter (3, 3′) eine Elektronen-Beschleuni­ gungsstrecke vorhanden ist.
5. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ nen-Beschleunigungsstrecke mindestens zwei Elektroden (6, 6′) enthält, die im wesentlichen parallel zueinander sind und die im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (4) der Elektronen angeordnet sind.
6. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektri­ schen Eigenschaften der Elektronen-Beschleunigungsstrecke derart ausgebildet sind, daß durch Anlegen eines elektri­ schen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Feldes die im Anschlußleiter (3, 3′) geführten Elektronen derart beschleunigbar sind, daß die zugehörige Elektronen­ wellenlänge so verkleinert wird, daß der Leiterbereich (1) passierbar wird.
7. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination aus mindestens einem Anschlußleiter (3, 3′), mindestens einem Übergangsleiter (2, 2′) sowie dem Leiter­ bereich (1) ein Thermistor gebildet ist.
8. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausbrei­ tungsrichtung (4) der Elektronen die Länge des Leiterbe­ reichs (1) größer ist als die Grenzwellenlänge der Elektronen.
9. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Leiterbereich (1) als planare Leiterstruktur ausgebildet ist.
10. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Übergangsleiter (2, 2′) sowie der Leiterbereich (1) als vertikale Schichtstruktur ausgebildet sind.
11. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Anschlußleiter (3, 3′) mindestens zwei Übergangsleiter (2, 2′), an die sich jeweils ein Leiterbereich (1) anschließt, vorhanden sind (Fig. 3).
12. Steuerbarer elektrischer Leiter nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter­ bereich (1) derart ausgebildet ist, daß dessen Querschnitts­ fläche durch eine elektrische Spannung steuerbar ist (Fig. 2a, 2b).
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