DE4311388B4 - Schichtsystem mit elektrisch aktivierbarer Schicht - Google Patents

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Abstract

Schichtsystem mit einer elektrisch aktivierbaren Schicht (1) und zwei hierzu parallelen Schichten (55, 56) mit streifenförmig angeordneten, getrennt ansteuerbaren, zueinander senkrecht verlaufenden Elektroden (57, 58, 59; 67, 68, 69) zur zweidimensionalen Steuerung von Stromkanälen (25, 26), wobei die Elektroden (57, 58, 59) der näher an der elektrisch aktivierbaren Schicht liegenden Schicht (55) als Steuerelektrode Gate und die Elektroden (67, 68, 69) der weiter davon entfernt liegende Schicht (56) als Source eines Feldeffekttransistors dienen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, insbesondere zum Einsatz im Bereich der Mikroelektronik oder der Mikrotechnologie, mit elektrisch aktivierbarer Schicht (1).
  • Ein solches Schichtsystem ist aus IEEE Electron Device Letters, Vol. 12, Nr. 12, Dez. 1991, Seiten 691–692 bekannt. Im einzelnen handelt es sich dabei um ein Schichtsystem mit einer porösen Siliziumschicht mit einer auf der oberen Schichtseite sich über die Schichtoberfläche erstreckenden und mit dieser verbundenen Gold-Kontaktelektrode mit einer Dicke von 12 nm. Auf der zweiten Schichtseite ist die poröse Siliziumschicht mit einem Siliziumwafer verbunden, der auf seiner anderen (Rück-)Seite einen weiteren Goldkontakt in Form einer 300 nm dicken Schicht aufweist. Durch Anlegen einer ausreichenden Spannung bzw. durch Anschluss eines ausreichenden elektrischen Stromes zwischen den beiden Elektroden wird in der porösen Siliziumschicht eine Elektrolumineszenz beobachtet, bei der eine Lichtemission durch die 12 nm dicke Goldschicht hindurch beobachtet wurde. Zur verbesserten Emission wurde dazu dieser Goldkontakt strukturiert mit Öffnungen versehen.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Schichtsystem ist jedoch, dass die elektrische Aktivierung der porösen Siliziumschicht aufgrund der großflächigen Kontaktelektroden sowohl auf der Oberseite dieser Schicht als auch auf der Unterseite des Silizium-Wafers nur eine großflächige elektrische Aktivierung in der Schicht zulässt.
  • Aus DE-OS 15 89 279 ist ein Halbleiterkörper mit verschiedenen übereinander angeordneten und senkrecht zueinander vorliegenden Bündeln von elektrisch leitenden Linien bekannt, die als Selektivelektroden „Gate-Funktion" besitzen, und selektiv ansteuerbar sind. Des weiteren ist eine Licht aussendende Schicht vorgesehen, mit der die Darstellung von Bildern auf einem Leuchtschirm möglich ist. Nachteilig ist das genannte Schichtsystem komplex aufgebaut, da weitere substantielle Bestandteile von Feldeffekttransistoren angeordnet werden müssen.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schichtsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die elektrisch aktivierbare Schicht lateral begrenzt ansteuerbar ist, und mit dem es zu einer weiteren Reduktion an einzusetzenden Bauelementen kommt.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • In einem Schichtsystem mit einer elektrisch aktivierbaren Schicht und zwei hierzu im wesentlichen parallelen Schichten mit streifenförmig angeordneten, getrennt ansteuerbaren, zueinander senkrecht verlaufenden Elektroden zur zweidimensionalen Steuerung von Stromkanälen dienen die Elektroden der näher an der elektrisch aktivierbaren Schicht liegenden Schicht als Steuerelektrode Gate und die Elektroden der weiter davon entfernt lie genden Schicht als Source eines Feldeffekttransistors.
  • Auf der zweiten Schichtseite der elektrisch aktivierbaren Schicht des erfindungsgemäßen Schichtsystems ist zumindest im Schichtbereich der ersteren Kontaktelektrode eine Mehrzahl von Transistoren, vorzugsweise eine Vielzahl von Transistoren, vorgesehen. Eines der Enden der jeweiligen den steuerbaren Strom führenden Stromkanäle ist dazu mit der elektrisch aktivierbaren Schicht verbunden. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, dass auf der zweiten Schichtseite Ladungsträger lateral begrenzt, nämlich im Bereich des jeweiligen Stromkanals bis an die elektrisch aktivier bare Schicht herangeführt werden können, so dass der von der Kontaktelektrode auf der ersteren Schichtseite und der jeweiligen Berührungsstelle des einzelnen Stromkanals eingeschlossene lateral begrenzte Schichtbereich elektrisch aktiviert werden kann. Durch eine Vielzahl von Transistoren auf der zweiten Schichtseite wird ein Muster aus vielen lateral begrenzten Schichtbereichen, jeweils definiert ansteuerbar über die Steuerelektroden des Transistors (Source S, Drain D, Gate G) ermöglicht.
  • Im einzelnen kann mit der elektrischen Aktivierung eine Elektrolumineszenz in der elektrisch aktivierbaren Schicht erzielt werden. Es ist aber genauso gut vorstellbar, dass alternativ durch elektrische Aktivierung der Schicht eine Anregung zur Fluoreszenz, zum Auslesen von Fotodioden, zum lokalen chemischen Abscheiden, oder zum lokalen Herstellen beispielsweise von Porositäts-Superlattices lokal begrenzt angewendet wird. Der erfindungsgemäße Gegenstand, insbesondere des Hauptanspruchs 1, ist nicht auf die elektrische Aktivierung einer Elektrolumineszenz beschränkt.
  • In vorteilhafter Weise ist im Schichtsystem die Mehrzahl von Transistoren als Transistorarray vorgesehen. Dadurch wird eine systematische Anordnung von Transistoren auf der zweiten Schichtseite der elektrisch aktivierbaren Schicht erreicht.
  • Als Mehrzahl von Transistoren sind wenigstens zwei Transistoren mit senkrechtem Stromkanal vorgesehen. Es ist dabei vorteilhaft, einen Permeable Base Transistor vorzusehen, wie er beispielsweise aus Materials Science and Engineering, B12 (1992), S. 157–160 bekannt ist.
  • Die elektrisch aktivierbare Schicht wird besonders vorteilhaft als eine großflächige Elektrode über mehrere Transistoren erstreckt und bildet zugleich die Steuerelektrode Drain für den jeweiligen Transistor.
  • Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtsystems sieht vor, dass als Material der elektrisch aktiven Schicht ein Material mit elektrolumineszierenden Eigenschaften vorgesehen ist. Hierbei kann es sich in besonders vorteilhafter Weise um poröses Silizium handeln. Weitere, eine nano-kristalline Struktur aufweisende Materialien mit elektrolumineszierender Eigenschaft sind jedoch nicht ausgeschlossen.
  • In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Schichtsystem mit einer auf der ersten Schichtseite vorgesehenen Kontaktelektrode ausgestaltet, bei der die Kontaktelektrode als elektrolytische Kontaktelektrode vorgesehen ist. Durch Einsatz eines Elektrolyten als Kontaktelektrode in an sich bekannter Weise kann die elektrische Aktivierung im Falle einer Elektrolumineszenz in vorteilhafter Weise als eine ungetrübte Lichtemission aus der ersten Schichtseite der elektrisch aktivierbaren Schicht herausgeführt werden. Beim Einsatz eines Elektrolyten als eine solche Kontaktelektrode ist außerdem die Möglichkeit einer definierten lokalen chemischen Abscheidung aus dem -flüssigen- Elektrolyten heraus gegeben.
  • Dabei ist es vorstellbar, im Falle der Nutzung der elektrischen Aktivierung in Form einer Elektrolumineszenz ein solches Schichtsystem zur Erzeugung von Abbildungen auf der ersten Schichtseite der elektrisch aktivierbaren Schicht einzusetzen, bis hin zur Ausbildung eines solchen Schichtsystems mit elektrisch aktivierbarer Schicht als Fernsehbildschirm oder vergleichbare Abbildungsgeräte.
  • Für den Fall, dass zumindest die der elektrisch aktivierbaren Schicht näher angeordnete Schicht (Gate (G)) so nahe an der elektrisch aktivierbaren Schicht vorgesehen ist, dass die an der Schicht sich ausbildenden Raumladungszonen sich bis zur zweiten Schichtseite erstrecken, handelt es sich um eine besonders vorteil hafte Ausführungsform der beanspruchten Erfindung. Mit diesem Merkmal wird erreicht, dass eine Aufweitung des Stromkanals in Richtung auf die zweite Schichtseite der elektrisch aktivierbaren Schicht zu, verringert bzw. sogar vermieden werden kann. Ohne Einschränkung kann alternativ statt dessen auch durch eine gezielte Dotierung des Materials im Stromkanal, in Richtung auf die zweite Schichtseite zu mit geringer bzw. abnehmender Dotierung ebenfalls die Aufweitung des Stromkanals in diesem Bereich verringert werden. In beiden Fällen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass damit eine lateral begrenzte, definierte Aktivierung der aktiven Schicht in einem noch kleineren lateralen Bereich erfolgen kann, was bei einer Vielzahl von Transistoren zu einer verbesserten Auflösung des elektrischen Aktivierungsmusters führt.
  • Schließlich kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Schichtsystem so auszubilden, dass als elektrisch aktivierbare Schicht ein Quantum-Dot-Array vorgesehen ist.
  • Insofern in der elektrisch aktivierbaren Schicht eine Elektrolumineszenz erreicht wird, können mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem gerade auch bei solchen mit einer Kontaktelektrode in Form eines Elektrolyten, billig herstellbare, großflächige Leuchtarrays bereitgestellt werden. Es bedarf dazu keiner nachträglichen Strukturierung des porösen Siliziums.
  • Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann in Silizium- oder Galliumarsenid-Technologie hergestellt werden. Da bei können die Steuerelektroden der jeweiligen Transistoren aus Metall oder metallischem Silizid oder auch aus kontradotiertem Material hergestellt sein. Beim Gate als Steuerelektrode kann ein Schottky- oder auch ein PN-Kontakt vorgesehen sein. Es ist möglich, als Material für die Source-Steuerelektrode hochdotiertes Halbleitermaterial, beispielsweise auf Galliumarsenid- oder auf Siliziumbasis, herzustellen.
  • Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann als eine elektrisch aktivierbare Schicht aus elektroluminiszenzfähigem AlGaAsGaAs oder auch aus halbleitendem β-FeSi2 aufgebaut sein, so dass mit Hilfe des Transistorarrays, lokal angesteuert, diese Schicht mit Leuchtdiodenfunktion zum Leuchten gebracht wird. Als weitere Funktion, die lokal an der elektrisch aktivierbaren Schicht ausgeführt werden kann, kommt die lokale Herstellung von porösem Silizium infrage, dieses vorteilhafterweise als Porositäts-Superlattices, das heißt als ein Schichtsystem mit Schichten unterschiedlicher Porösität.
  • Insgesamt ergibt sich ein erfindungsgemäßes Schichtsystem, das es erlaubt, Materialien, die vorteilhaft großflächig kontaktiert werden, elektrisch lokal anzusteuern, vorzugsweise mit Hilfe eines zweidimensionalen Transistorarrays. Dieses Transistorarray befindet sich unterhalb des Materials und kann vor dem Auftragen des Materials hergestellt werden. Es erlaubt ein epitaktisches, einkristallines Aufbringen von weiteren Schichten (z. B. Silizium zur Herstellung von porösem Silizium). Dabei kann das Transistorarray durch seitliche Anschlüsse zeilen- und/oder spaltenweise angesteuert werden. Eine Ansteuerlogik kann problemlos auf dem Halbleiterchip integriert werden. Das Verfahren ist vom Konzept her sehr einfach und bedient sich beherrschbarer Standard-Technologieschritte. Insgesamt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem um eine dreidimensionale Integration im Bereich der Mikroelektronik.
    •
  • Anhand der 1 bis 4 wird das erfindungsgemäße Bauelement näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 erfindungsgemäßes Schichtsystem in räumlicher Darstellung mit großflächiger Elektrode aus aktiver Schicht und Kontaktelektrode mit zwei gitterförmigen, eine Mehrzahl von Transistoren bildenden Steuerelektroden; Gitter 1 und Gitter 2;
  • 2a gitterförmige Schichtstruktur als Gate und Source innerhalb des Schichtsystems, bestehend aus zwei Streifengitterschichten Gitter 1 und Gitter 2;
  • 2b Querschnitt durch das erfindungsgemäße Schichtsystem nach 1 und 2a;
  • 3 Raumladungszonen im Bereich der Gate-Steuerelektrode innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtsystems;
  • 4a–d zeitliche Abfolge der Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems.
  • In der 1 ist das erfindungsgemäße Schichtsystem in räumlicher Darstellung mit großflächiger Elektrode aus – nicht im einzelnen dargestellt – aktiver Schicht 1 und Kontaktelektrode 3 dargestellt. Im weiteren ist aus der 1 eine gitterförmige Steuerelektrode aus zwei einzelnen Schichten 55 bzw. 56 mit den streifenförmigen Elementen 57, 58, 59 bzw. 67, 68, 69, in der Abbildung, als Gitter 2 bzw. Gitter 1 bezeichnet, eingezeichnet. Dabei sind die Schichten 55 und 56 in unterschiedlicher Entfernung von der elektrisch aktivierbaren Schicht 1 entfernt und zueinander senkrecht orientiert angeordnet. Dadurch bildet sich eine Matrix einzelner zueinander im wesentlichen paralleler und je nach Ansteuerung der Elemente 57, 58, 59, 67, 68 bzw. 69 im Bedarfsfalle individuell ansteuerbarer Stromkanäle aus. Jeder einzelne ansteuerbare Stromkanal ermöglicht eine lateral sehr begrenzte Aktivierung der Schicht 1, so dass eine Gesamtheit bzw. Vielzahl solcher Stromkanäle, bzw. Transistoren die Einstellung eines Aktivierungsmusters in der Schicht 1 je nach Fragestellung oder Randbedingung ermöglicht.
  • In der 2a ist schematisch eine gitterförmige Schichtstruktur mit Hilfe zweier Schichten 55 und 56, soweit sie die streifenförmigen Elemente der streifenförmigen Schichten 55 und 56 von oben veranschaulicht, dargestellt. Zwischen den einzelnen Streifen bildet sich durch die senkrecht zueinander erfolgte Anordnung des Gitters 1 zum Gitter 2 eine Matrix von räumlichen Öffnungen einzelner Stromkanäle.
  • Ein Querschnitt des erfindungsgemäßen Schichtsystems senkrecht zu der Schichtorientierung ist in der 2b dargestellt. Es sind von oben nach unten die Kontaktelektrode, als Elektrolyt 3 ausgebildet, die elektrisch aktivierbare Schicht 1, hier aus porösem Silizium als großflächige Elektrode mit Drain-Steuer-funktion vorgesehen. Darunter angeordnet auf der Basis von Silizium ist ein PBT mit gitterförmigen Gate (im Sinne des Gitters 2 aus 2a) mit die einzelnen Streifenelemente 57, 58, ... umgebenden Raumladungszonen 47, 48, ... vorgesehen. Dabei ist auf der unteren. Seite als Source das Gitter 1, senkrecht zum Gitter 2 angeordnet, vorgesehen. In der schematischen Darstellung der 2 sind die Raumladungszonen aufgrund geeignet angelegter Sperrspannungen so ausgebildet, dass ein Ladungsträgerstrom I zwischen den Streifenelementen 57, 58, ... hindurch in Richtung auf das poröse Silizium zu nicht stattfindet, so dass eine Aktivierung nicht erfolgt.
  • Im oberen Bereich der 3 zeigt die gitterförmige Struktur, für den Fall, dass ein Streifenelement, in dieser Abbildung mit G2n und ein weiteres dazu senkrecht angeordnetes unabhängig ansteuerbares Streifenelement G1m einzeln angesteuert werden können, dass damit innerhalb der Matrix der Stromkanäle bestimmte, ausgewählte Stromkanäle stromführend oder stromlos geschaltet werden können. Im unteren Bereich der 3 ist bei senkrechtem Querschnitt dieser Vorgang erläutert. Danach ist die Raumladungszone um das mittlere dargestellte Streifenelement durch geeignete Steuerung soweit eingeschnürt, dass durch den Stromkanal 25 bzw. 26 jeweils ein Ladungsträgerstrom I in diesem Falle in Richtung von der Source S durch die streifenförmige Schicht G2 hindurch auf die aktive Schicht 1, hier als Drain D dargestellt, ausgebildet wird. Mit Hilfe der in dieser schematischen Darstellung nicht gesondert angegebenen Kontaktelektrode 3 auf der oberen Seite der aktiven Schicht 1 wird im Bereich der Berührung der Stromkanäle 25, 26 mit der Schicht 1 ein Bereich dieser Schicht (hier hell dargestellt) lateral begrenzt aktiviert.
  • Die zeitliche Abfolge der Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems ist in der 4a–d schematisch dargestellt. Auf einem semiisolierenden Substrat wird mit Hilfe einer N+-Implantation eine erste, mit Hilfe einer Streifenmaske erzeugte streifenförmige Schicht im undotierten Silizium-Substrat gebildet. Danach kann eine Temperung zum Ausheilen der Implantationsschäden erfolgen (4a).
  • In einem weiteren Schritt wird epitaktisch eine N–-Schicht auf die N+-Schicht aufgebracht (4b). Damit bildet sich die N+-Schicht als Gitter 1 aus. Mit Hilfe einer Cobalt-Hochdosis-Ionenimplantation unter Einsatz geeigneter Streifenmasken kann eine zweite streifenförmige Struktur, hier als Gitter 2, in seiner Funktion als metallisch leitende Gate-Steuerelektrode vergraben in der N– epitaktisch hergestellten Schicht er folgen. Dabei ist die streifenförmige Ausbildung des Gitters 2 zu der streifenförmigen Ausbildung des Gitters 1 senkrecht angeordnet (4c). Zur Erzeugung des einkristallin vergrabenen Cobaltsilizids ist eine kurzzeitige Temperung erforderlich. Es kann eine weitere N–-Epitaxie erfolgen. In an sich bekannter Weise kann schließlich poröses Silizium auf die bisherige Struktur mit mehreren Transistoren aufgebracht werden. Es versteht sich von selbst, dass, hier allerdings nicht im einzelnen dargestellt, auf der porösen Siliziumschicht eine weitere Kontaktelektrode vorzusehen ist. Im Falle der Ausnutzung der Elektrolumineszenzeigenschaften des Materials der gewählten aktiven Schicht empfiehlt sich in diesem Fall ein flüssiger Elektrolyt als Kontaktelektrode auf der Oberseite des bisher hergestellten Schichtsystems. Drain, Source und Gate des erfindungsgemäßen Schichtsystems können durch geeignete Wahl der Kontaktzuführungen je nach gewünschten Randbedingungen bis hin zu einzeln aussteuerbar vorgesehen sein.
    • 1
    Elektrisch aktivierbare Schicht
    2
    erste Schichtseite der Schicht 1
    3
    Kontaktelektrode
    4
    Zweite Schichtseite der Schicht 1
    25, 26
    Stromkanal eines Transistors
    47, 48
    Raumladungszone
    55, 56
    Schicht mit lateral streifenför
    miger Struktur
    57, 58, 59, 67, 68, 69
    Streifenelemente der Schicht 55
    bzw. 56
    I
    steuerbarer Strom im Stromkanal 25,
    26
    D
    Drain
    G
    Gate
    S
    Source

Claims (12)

  1. Schichtsystem mit einer elektrisch aktivierbaren Schicht (1) und zwei hierzu parallelen Schichten (55, 56) mit streifenförmig angeordneten, getrennt ansteuerbaren, zueinander senkrecht verlaufenden Elektroden (57, 58, 59; 67, 68, 69) zur zweidimensionalen Steuerung von Stromkanälen (25, 26), wobei die Elektroden (57, 58, 59) der näher an der elektrisch aktivierbaren Schicht liegenden Schicht (55) als Steuerelektrode Gate und die Elektroden (67, 68, 69) der weiter davon entfernt liegende Schicht (56) als Source eines Feldeffekttransistors dienen.
  2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einer ersten Schichtseite (2) der elektrisch aktivierbaren Schicht (1) eine Kontaktelektrode (3) über zumindest einen Teil der Schichtoberfläche erstreckt und mit der elektrisch aktivierbaren Schicht (1) verbunden ist.
  3. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer zweiten Schichtseite (4) der elektrisch aktivierbaren Schicht (1) zumindest im Schichtbereich der ersteren Kontaktelektrode (3) eine Mehrzahl von Transistoren vorgesehen ist, wobei eines der Enden der je weiligen den steuerbaren, Strom (I) führenden Stromkanäle (25, 26) des jeweiligen Transistors mit der elektrisch aktivierbaren Schicht (1) verbunden ist.
  4. Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als die Mehrzahl von Transistoren ein Transistorarray vorgesehen ist.
  5. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Permeable Base Transistoren (PBT) vorgesehen sind.
  6. Schichtsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch aktivierbare Schicht (1) als eine sich über mehrere Transistoren erstreckende, großflächige Elektrode ausgebildet ist und für den jeweiligen Transistor zugleich als Steuerelektrode Drain (D) vorgesehen ist.
  7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die elektrisch aktivierbare Schicht eine elektrolumineszierende Eigenschaft aufweist.
  8. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die elektrisch aktivierbare Schicht poröses, insbesondere eine nanokristalline Struktur aufweisendes Silizium vorgesehen ist.
  9. Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelektrode (3) als elektrolytische Kontaktelektrode vorgesehen ist.
  10. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zu der elektrisch aktivierbaren Schicht (1) näher angeordnete Schicht (55) so nahe an dieser vorgesehen ist, dass die an der Schicht (55) sich ausbildenden Raumladungszonen (47, 48) sich bis zur zweiten Schichtseite (4) der elektrisch aktivierbaren Schicht erstrecken.
  11. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch aktivierbare Schicht ein Quantum-Dot-Array vorgesehen ist.
  12. Fernsehschirm oder vergleichbares Abbildungsgerät mit einem Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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