EP1629270A2 - Halbleiterstruktur mit integrierten dotierungskanälen. - Google Patents

Halbleiterstruktur mit integrierten dotierungskanälen.

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EP1629270A2
EP1629270A2 EP04738540A EP04738540A EP1629270A2 EP 1629270 A2 EP1629270 A2 EP 1629270A2 EP 04738540 A EP04738540 A EP 04738540A EP 04738540 A EP04738540 A EP 04738540A EP 1629270 A2 EP1629270 A2 EP 1629270A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electrically insulating
pores
composite structure
semiconductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04738540A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Fink
Kurt Hoppe
Alexander Petrov
Wolfgang Fahrner
Alexander Ulyashin
Bernhard Stanski
Ulrich SANDKÜHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Original Assignee
Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Hahn Meitner Institut Berlin GmbH filed Critical Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Publication of EP1629270A2 publication Critical patent/EP1629270A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Parameterized semiconductor composite structure with integrated doping channels process for the production and use thereof
  • the invention relates to a parameterized semiconductor composite structure with at least one semiconductor substrate with selectable p or n doping and electrical conductivity and an adjacent planar layer made of an electrically insulating material with essentially vertically integrated doping channels, into which an electrically conductive material with selectable electrical conductivity is introduced, with charge carriers migrating in the semiconductor composite structure, and an electrical contacting of a plurality of electrodes arranged on the layer of an electrically insulating material and the semiconductor substrate, to a method for producing and to an application thereof.
  • Semiconductor composite structures implemented in modern semiconductor components, have become an integral part of everyday life. They are used in data processing, communication, multimedia and in most everyday devices. The miniaturization of semiconductor components in integrated circuits enables today's computers and modern data communication. Semiconductor composite structures for high-speed and optoelectronics are also being developed. The progressive miniaturization of semiconductor composite structures also leads to new effects. Due to the small dimensions of structures with a few nanometers, the direct quantization of the charge carriers in these structures can be observed.
  • Such a concept is known from US 2002/0192441 A1 in the form of a nanocomposite, which is produced by introducing a conductive material into a porous material.
  • Various functions are to be carried out by applying purely electrical contacts, but only a single electrically active nanostructured film layer is present.
  • an inorganic semiconductor wire is embedded in a matrix made of another organic semiconductor (type organic substrate / inorganic pores).
  • the source-drain channel is designed as a plurality of parallel silicon needles.
  • a preferred direction of the conductive needles is not specified, but each area of the nanocomposite should have a continuous electrical connection to an outer electrode.
  • US 2003/0057451 A1 discloses an optoelectronic component in which electroluminescence and photoluminescence are to be used.
  • uniform nano-needles are etched out of the silicon substrate in a complex manufacturing process, whereby all silicon needles act as diodes connected in parallel and have the same potential.
  • the insulator layer initially applied to the silicon substrate only fulfills a temporary auxiliary function during the etching process for producing the silicon needles.
  • a possible later embedding of the silicon needles in an insulator layer only fulfills protective functions against contamination and destruction.
  • Lithography methods are used, which include interference methods and etching methods.
  • a composite structure is known from US Pat. No. 6,201,291 B1, which has metallic conductive tracks in an electrically insulating SiO 2 layer which is arranged on a semiconductor body.
  • this arrangement serves exclusively for the electrical connection of various components integrated in the semiconductor body.
  • Diffusion barriers integrated in the SiO 2 layer serve in particular to prevent charge carrier migration into the semiconductor body.
  • a similar semiconductor composite structure is known from WO 02/08900 A2, in which conductive tracks are likewise applied to an electrically insulating layer on a semiconductor body.
  • the guide tracks serve exclusively for the purely ohmic connection of electronic circuits integrated in the semiconductor body.
  • Similar structures are also known for the vertical connection of multiple circuit levels.
  • ISFET electrolyte with different pH values
  • ISFET electrolyte with different pH values
  • These sensors use porous silicon for sensor purposes in transistors, whereby the pores are not used directly. Rather, the surface of the porous silicon is coated with SiO 2 and S.3N 4 , so that on This creates a thin, folded capacitor structure (type semiconductor-insulator-semiconductor) that has a very large area. Deposited material, for example of a biological nature, on the surface of the S- 3 N 4 changes its surface charge. As a result, the capacitance of the capacitor is increased while the voltage is fixed.
  • porous aluminum oxide has a very high pore density and is highly temperature-resistant. On the other hand, it is very sensitive to alkalis and acids, which limits the possibility of the deposition of sensor materials within the pores and largely prohibits their use in non-neutral liquids. Furthermore, porous aluminum oxide is very fragile, so that a stable substrate is required in rough use. The integration of a miniature heating element can be provided to change the resistance. The sensors are only operated resistively. From US 6 278 231 B1 it is also known for the production of sensors to produce nanopores in Al 2 O 3 with an incorporation of different materials within the pores. However, only simple resistive sensor structures with simple surface contacts are designed.
  • a sensor for the detection of magnetic radiation which consists of a solid with anisotropic conduction properties.
  • the properties of the entire insulating solid are changed and made highly anisotropic in one direction by a high radiation dose to produce phase changes.
  • a very special amorphous metal-rich insulator must therefore be used as the starting material, which is destroyed along the ion traces in such a way that metal atoms are released locally. These are then to be clustered by tempering.
  • DE 101 21 011 A1 describes a semiconductor composite structure made of a p-doped silicon substrate with an adjacent silicon dioxide layer, into which vertical doping channels in the form of through-contact holes are integrated as bit line contacts.
  • the contact holes are filled with a metal so that electrons can migrate into the silicon substrate.
  • the known semiconductor structure is parameterized via doping implantation.
  • semiconductor components for example DRAMs
  • contacting with electrodes (not shown further) is provided.
  • this known semiconductor composite structure only simple ohmic contacts are realized.
  • Other semiconductor components in particular also those with a different physical functionality, cannot be implemented.
  • All other similarly realized semiconductor structures known from the prior art are also inflexible with regard to their construction, their construction materials and their design, so that there is a great inconsistency and difference between the individual semiconductor structures. The same applies to the corresponding manufacturing processes.
  • the object of the present invention is therefore to develop a parameterized semiconductor structure of the type described in the introduction in such a way that great flexibility and universality arise with regard to semiconductor components which can be formed and their physical functionality.
  • the semiconductor composite structure should nevertheless be uniform in its structure in all of the formable semiconductor components and should have as few differences as possible.
  • the semiconductor composite structure should be simple and inexpensive to manufacture, which should also apply to a preferred manufacturing process. Trained semiconductor components should then have only slight differences in their basic structure.
  • the solution to this task can be found in the main claim.
  • a preferred manufacturing method for the parameterized semiconductor structure according to the invention is shown in a method claim.
  • Advantageous embodiments can be found in the respective subclaims. to take.
  • preferred applications of the parameterized semiconductor structure according to the invention are shown in an application claim.
  • the desired flexibility with regard to the implementation of components is achieved exclusively by parameterizing the new structure, as a result of which there is great uniformity between the components that can be implemented.
  • the term "parameterization” should be understood to mean the selectable setting of various parameters of the structure.
  • the semiconductor composite structure according to the invention can be used universally as a uniform starting material in a basic arrangement.
  • the selectable setting of the internal structure parameters such as layer thickness and substrate doping, can Due to the number and arrangement of the electrodes, different components can also be designed in an electrically coupled form, for example multi-stage logic components.
  • each point or each pore in the semiconductor composite structure according to the invention has different potential
  • parameters with a large influence on the functional behavior of the semiconductor composite structure according to the invention in particular represent the geometric configurations and distribution of the pores and the electrically conductive ones Coating represents. This influence even extends to the physical functionality of the semiconductor composite structure according to the invention, so that both an electronic and an optoelectronic and / or a sensor behavior can be pronounced without losing the great uniformity of the semiconductor composite structure according to the invention.
  • the decisive factor in the parameterization is always that the function-giving, strongly pronounced anisotropic conductivity (vertical conductivity at least a factor of 10 6 higher than the horizontal conductivity) of the vertical, conductive pores and thus heterogeneous anisotropic layer made of electrically insulating material is set.
  • the anisotropy can be intrinsically or artificially impressed.
  • TEMPOS the semiconductor composite structure according to the invention
  • TEMPOS being the acronym from the name “Tunable Electronic Material with Pores On Semiconductors”.
  • This name clearly shows that the pores (ion traces or "tracks") in the electrically insulating layer (especially oxide layer) are the essentially new thing about the TEMPOS structure, through which charge carriers can be extracted from or injected into the underlying substrate (especially silicon) .
  • the flexible functional behavior, in particular also the switching behavior, of the TEMPOS structure is characterized in particular by the use of these additional charge carriers, in addition to the influenced charge carriers of the classic semiconductor composite structure, the additional charge carriers being both complementary charge carriers and similar types can act.
  • the migration of the additional charge carriers in the TEMPOS structure is made possible not only from the pores, but in particular also from the surface of the electrically insulating layer between the individual pores and towards the latter.
  • a covering of electrically conductive material is also provided here, which, however, due to its high resistance, due to the material itself or due to its distribution can be brought about, expresses such a sufficiently high resistance between the electrodes that only the mentioned additional migration is made possible, but short circuits between the electrodes are reliably prevented.
  • An alternative low resistance on the surface would cause a short circuit between the electrodes, so that the TEMPOS structure could only fulfill a very restricted function as a diode or sensor.
  • a low impedance in the pores is acceptable, and the function that can be performed then depends directly on the exact magnitude of the resistance formed: if the resistance is small enough, an inverse semiconductor characteristic can be produced, which also occurs when pores with a very large diameter are formed .
  • a very small pore resistance there is a direct short circuit between the surface and the conductive substrate, so that the surface potential is directly coupled to that of the conductive substrate through the pores. If the surface resistance is greater than the substrate resistance, which is the normal case, then the electronic function of the TEMPOS structure is essentially only determined by the substrate resistance, so that the function of a resistance which can be controlled by the base contact is achieved here.
  • the design of the covering made of electrically conductive, high-resistance material in and on the surface between the pores in the invention provides a number of different parameters which are responsible for the functional behavior of the TEMPOS structure.
  • the distribution of the material plays a major role in achieving the specified potential relationships.
  • the electrically conductive material can have a continuous or structured flat or island or point-shaped distribution, mixed forms also being possible. It can therefore advantageously be provided that the electrically conductive material is designed in the form of nanoclusters with a selectable size and is introduced into the pores with a selectable dispersion density and is applied to the layer made of an electrically insulating material.
  • the nanoclusters can be combined in one wide range of sizes (multidispers) with varying cluster-cluster distances. This "lubricates" the quantum electronic effects that are actually to be expected with nanocluster transitions because of their individually different orders of magnitude and distances, so that the "classic" electronic effects can be observed. Given their distribution, predetermined potential relationships can be easily set. A larger distance between the clusters causes a large ohmic resistance, which in particular prevents the flow of short-circuit currents, whereas a high cluster density requires a low ohmic resistance with a high charge density, which enables optimal migration of charge carriers.
  • the parameters when using clusters are their size, their composition and their distribution. The influence of the different parameters on the functional behavior of the TEMPOS structure is easy for the person skilled in the art to understand and can be implemented in the various applications.
  • a coating with particularly homogeneous properties results if all nanoclusters of the electrically conductive material are in the same selected size range.
  • monodisperse and equidistant nanoclusters can also be introduced into the tracks and onto the surface of the TEMPOS structure, so that the quantum effects in each individual track are clearly visible and overlap the classic characteristics. Due to the monodisperse appearance, a homogeneous distribution of the clusters can easily be achieved without mutual contact, so that correspondingly homogeneous properties can also be produced.
  • the ordered nanoclusters along the trace direction act like parallel chains of quantum dots and step-like current-voltage characteristics result, which are determined by the theory of the conductivity of double-barrier structures taking into account Coulomb-Blockade effects and resonant tunneling of single electrons become.
  • Metal-doped porphyry molecules are also suitable as nanoparticles in etched ion traces, the size distribution of which is monodisperse and can be arranged more or less equidistantly.
  • the electrical resistance of these nanocluster chains has different temperature dependencies. In the first case, the resistance increases linearly with the temperature, in the second case it drops sharply before it increases again slightly. This provides another way of tailoring the parameter dependency on TEMPOS structures.
  • Clusters are relatively easy to manufacture and their size and composition can be easily varied. As processes for the production of monodisperse and aquidistant nanoclusters on planar and in inner ion track surfaces e.g. in question:
  • nanotubes made of fuerenes can also be formed in the pores, a nickel nanocrystal preferably being introduced as the nucleus galvanically onto the previously exposed semiconductor substrate and the nanotubes then grown in the etched ion traces become.
  • the nanotubes are preferably not deposited from an arc discharge, but by other techniques, for example from a plasma, in order to reduce the deposition of additional amorphous carbon layers and to enable such plasma formation that the nanotube deposition preferably takes place in the etched ion traces , However, the nanotubes can also grow out of the pores in the manner of hair.
  • TEMPOS structures with integrated buckytubes not only have the usual TEM-POS properties, they also couple mechanical and electronic properties of the nanotubes. For example, every movement of the nanotubes will lead to a change in the capacitance of the entire component, which can be used for switching processes. This means that the finest accelerations and wind currents can be measured (applications such as probes in the human respiratory system); the component could be used as a nanoscale (eg for viruses, proteins, etc.), with each nanotube being used as a balance beam. If the tubes are locally coated with an insulator, electrostatic fields can be measured with them; a local coating of magnetic material would make this device a sensor for magnetic fields.
  • Nanowires made of selenium, tellurium or other materials can also be introduced into the ion traces.
  • the mechanical changes in the flexible wires can be recorded as an electronic signal by capacitive coupling. It is particularly advantageous here that Se and Te are piezoelectric.
  • any sufficiently high-resistance electrically conductive material is suitable for the covering. If the intrinsic conductivity is too high, ie if the material would cause short circuits when used directly, such as with metals, the conductivity can be specifically reduced by not applying the material homogeneously, but in the form of spatially separated disperse clusters or tubes. Then the conductivity of the material is through Schottky emission, tunneling or the like causes and lies many orders of magnitude below the original conductivity with a homogeneous application.
  • the electrically conductive material is a dispersed metal (for example silver, tungsten, copper or aluminum copper), a semiconductor compound (for example an III / V semiconductor such as GaAs or an II / IV semiconductor such as CdS), a carbon allotrope (e.g. diamond, graphite, graphite-like carbon, amorphous carbon and fullerene (buckyballs and buckytubes)), an oxidic semiconductor (e.g. ZnO, TiO 2 , SnO), a conductive oxide (e.g. ITO (indium tin oxide)) or is a mixed form of it.
  • Ferrofluids can also be used due to their poorly conductive colloidal structure.
  • Silver in particular can be easily separated in cluster form and provides a large amount of additional charge carriers.
  • Mixed forms of different metals combine the positive properties of the individual components.
  • sufficiently low conductivity that is to say sufficient high resistance
  • continuous layers of very high resistance materials such as fullerite can also be used.
  • the covering made of electrically conductive material also contributes significantly to the functional characteristics of the semiconductor structure according to the invention.
  • the electrically conductive material can be supplemented or replaced by a sensor-active material with electrical conductivity for a special substance, in particular moisture or steam, so that a sensory functionality of the TEMPOS structure can be pronounced, which opens up a completely new area of application for the TEMPOS Structure is opened up.
  • a sensor-active material with electrical conductivity for a special substance, in particular moisture or steam, so that a sensory functionality of the TEMPOS structure can be pronounced, which opens up a completely new area of application for the TEMPOS Structure is opened up.
  • TEMPOS structure can be increased by using fullerite, for example Lead moisture, temperature, alcohol, acetone and / or photo detectors. Most of these individual parameters can not only be detected separately, but can also be detected at the same time, since they can be discriminated from one another due to the different influence on the respective component characteristics.
  • buckytubes carbon nanotubes
  • buckytubes Since both the ohmic resistance and the capacity of a felt-like layer made of buckytubes change during their mechanical deformation, there is the possibility here of printing the TEMPOS structure
  • Such sensors are used, for example, in vacuum and high pressure technology, the sound industry, medicine and the automotive industry. Due to the possibility of using buckytubes as transistors or light emitters, there is a combination with the TEMPOS structure other applications.
  • the TEMPOS structure can therefore be used as sensors for alcohol, methane, natural gas and others. be applied. There are application possibilities in the natural gas industry from the promotion to the budget phase.
  • etched ion traces can thus be used as a photomultiplier, so that a multichannel amplifier plate can be formed with the corresponding TEMPOS structure, with all dimensions being scaled down by one to two orders of magnitude compared to the articles which are currently commercially available.
  • the electron swarms striking the conductive substrate (silicon channel) as a result of the etched ion traces are converted into analog electronic pulses in the associated component circuit, so that these can then be used as radiation detectors.
  • the dramatic size reduction is particularly important for satellite applications in space and for portable systems.
  • the reduced mean free path length of the electrons in the ion tracks as electron multiplier channels due to the smaller dimensions makes it possible to reduce the demands on the associated vacuum system, which leads to further cost and weight savings. Furthermore, the time periods of the electronic pulses are reduced down to the picosecond range, so that particularly fast measuring electronics can be implemented with these new types of detectors.
  • actuator materials eg lead zirconium titanate, PZT, polymer foams, elastomers and nematic gels.
  • actuator materials eg lead zirconium titanate, PZT, polymer foams, elastomers and nematic gels.
  • actuator layers make it possible also to convert pressures or sound signals into electronic signals.
  • the advantage of the combination of actuators and TEMPOS structures lies in the ability of the TEMPOS structures, because of their complexity, to act as an intermediary between the different physical quantities, in order to directly convert, for example, sound to light, light to pressure, of temperature in motion, of moisture in deformation, of sound into modulated radio frequencies or the like and at the same time always process the signals electronically.
  • the principle of operation of a possible biological sensor with the parameterized TEMPOS structure can be carried out, for example, as follows.
  • Light from special fluorescent molecules eg from conjugated polymers, which are bound to the structure, is suppressed by certain integrated molecules ("quencher").
  • quencher integrated molecules
  • a suitable biological molecule eg an antibody
  • a quencher it combines with that one and leaves with it the fluorescent molecule, which then begins to glow.
  • SiON silicon oxynitride layers
  • the overall efficiency of the photocell is increased accordingly. After detection, this type of sensor must be reactivated by binding to new quencher molecules.
  • conically etched ion traces of larger outer diameter (»1 ⁇ m) are proposed in the SiON, on the inner walls of which the fluorescent molecules can be bound and to which the biological molecules can temporarily dock within their cell structure.
  • the tapered structure of the tracks causes the generated fluorescent light to be concentrated at the interface with the substrate layer, for example silicon, so that high photo efficiency can be achieved.
  • TEMPOS structures In order to be able to detect biological weapons, the same concept is used as for the formation of TEMPOS structures as biological sensors - with the difference that the corresponding quencher has to be tailored to the appropriate viruses, bacteria, fungi etc. With regard to explosive weapons, TEMPOS structures can be used as an "artificial nose".
  • TEMPOS structure is provided with a corresponding receptor to which these exhaust gas products dock, and which in turn has sufficiently significant changes in its electrical properties (for example resistance, dielectric constant, polarization, state of charge), an explosive detector can accordingly
  • the same principle applies to poisonous gases: in all cases, the TEMPOS structure, modified with receptors, can be adjusted to its optimal working point to increase the sensitivity usually at the border of the area where local negative differential resistances are used (see below). Then a very minor change in the work Tension due to the presence of a weapon material shift the characteristic into the local negative area, so that a very large signal is generated in the sequence.
  • the meaning of the second large parameter group also becomes clear from what has been described above.
  • the pore diameter, the depth of penetration of the pores into the layer (the pores can be continuous or designed as a “blind hole”) and the pore shape (the pores can be cylindrical or conical) can be varied.
  • the TEMPOS structure is in the area of the electrically insulating layer and the semiconductor substrate.
  • this is electrical insulating material is a silicon compound, in particular silicon oxynitride, or a carbon allotrope or a polymer, in particular photoresist or Kapton, SiON in particular showing the special photoluminescent properties already mentioned, which, when used, leads to a strong leads to light emission due to electroluminescence.
  • the carbon allotropes also include those with fuerenes that can be doped in a special way, as well as diamond and diamond-like layers. Photoresist or Kapton are more conventional insulation layers, but they are easy to structure.
  • the semiconductor substrate can be low-oxygen silicon or Czochralski silicon.
  • the substrate can be doped accordingly according to the functional specifications.
  • Many of the materials used in the TEMPOS structure as an electrically conductive, but highly resistive coating and / or pore filling have sensor properties not only for one physico-chemical variable, but for several of them. Therefore, in cases of doubt, it can be difficult to unambiguously assign an electrical signal emitted by a single TEMPOS structure in a component to a specific source.
  • TEMPOS structures with different coatings can be used simultaneously as sensors and their signals compared. It is also important to pay attention to the sign of the corresponding sensor signal.
  • the combined coverings can then be provided with appropriate evaluation electronics, so that multifunction sensors (“artificial sensory organs”) are created which are able to cover a whole spectrum of different physico-chemical variables simultaneously and with high reliability.
  • a simple example is a TEMPOS structure with silver cluster layers, these are only light-sensitive.
  • a TEMPOS structure with electrically conductive but high-resistance fullerite layers is sensitive to light, moisture, alcohol and acetone vapors, whereby moisture leads to positive signals, while light and organo vapors lead to negative signals.
  • TEMPOS structure ie a MOSBIT structure
  • a silver cluster TEMPOS structure does not provide a signal
  • the source can be clearly identified with organo vapors, incidence of light as the cause is ruled out.
  • both sensors respond at the same time, light can be assumed with certainty; the additional presence of organic vapors is still possible, but not certain.
  • a third sensor, used here for comparison purposes, eg TEMPOS structure with SnO coating, can then be consulted for a decision. If this responds, then is out Incident light also contains alcohol vapor.
  • Another parameter is the constructive design of the conductive covering on the surface of the layer made of an electrically insulating material.
  • One embodiment is particularly mentioned in which the coating between the two surface contacts is completely interrupted, so that a continuous conductive connection between the two surface contacts is only provided by the buried conductive channel in the semiconductor substrate near the interface to the layer made of an electrically insulating material. This channel is driven through the remaining surface covering and the conductive ion traces.
  • This version is also a functional structure, the characteristics of which are very similar to normal diode characteristics and can be shifted by applying a gate voltage. Components constructed in this way based on the TEMPOS structure are characterized by a strong sensitivity to light.
  • Another parameter relates to the material of the dielectric layer on the semiconductor substrate.
  • silicon dioxide, silicon oxynitride, diamond, polymers, etc. can be used as the insulator material on the semiconductor substrate (generally silicon).
  • AI2O3 porous aluminum oxide
  • aluminum can be applied to a silicon wafer, for example by sputter deposition, and this layer can then be anodically oxidized.
  • oxidation of the Aluminum grows up a material with a regular arrangement of extremely parallel pores, which have typical diameters from 20 nm to 200 nm.
  • the AI 2 ⁇ 3 growth comes to a standstill when the aluminum on the silicon has been consumed. In this case, subsequent ion implantation and etching processes are no longer required.
  • the pores of the AI2O3 are not continuous through to the semiconductor substrate; there are still remnants of the aluminum coating and a thin aluminum oxide layer. Because the latter can act as a tunnel barrier, it is not necessarily harmful, on the contrary, it is likely to be useful for the generation of quantum electronic components based on the TEMPOS structure (see below).
  • Different materials can then be introduced into the pores of the aluminum oxide as usual. Very high process temperatures can be tolerated for this, but not acidic or alkaline media because they would dissolve the aluminum oxide.
  • Buckytubes can also be grown into the A ⁇ Os pores, which can be used as sensors (see above).
  • nanopore silicon dioxide which contains a regular pattern of 2.7 nm wide pores.
  • conductive material can be introduced into these nanochannels, for example by galvanic techniques.
  • nanowires or nano-pearl chains (“nanonecklaces") are formed, which have different parameter dependencies of their conductivity.
  • porphyrenes can also be used for this.
  • the TEMPOS structure has metal or metal in certain structural arrangements, in particular in the case of relatively narrow pore diameters
  • Chalcopyrite clusters eg Ag or CdS nanoparticles
  • This effect may be the consequence of the quantum electrical effect and is often coupled with light emission.
  • These instabilities can become noticeable as a slight noise that sets in above a certain current.
  • the noise consists of small peaks in the characteristic, which tend to lower voltages at higher currents. Occasionally, these peaks in the current-voltage characteristic are extremely pronounced at a certain point. This is a behavior that comes very close to that of Esaki or tunnel diodes. Finally, the current can rise dramatically above a certain threshold voltage without stabilizing again at a higher value.
  • Another parameter of the TEMPOS structure is the shape of the electrodes.
  • the electrodes In the basic arrangement there are electrodes for contacting at two points on the top and one point on the bottom of the TEMPOS structure. tion provided.
  • the semiconductor composite structure constructed in this way can then be used as a component based on the TEMPOS structure with the function set depending on the parameterization.
  • the electrode arrangement it is possible to combine the classic field effect transistor concept with the concept of the TEMPOS structure. All that is required is to provide a source electrode (source electrode) and a sink electrode (drain electrode) on the top of the TEMPOS structure.
  • these electrodes can be arranged directly on the doped semiconductor substrate by previously removing the adjacent layer of electrically insulating material with the high-resistance coating (for example fullerite or disperse nanocrystals) there.
  • the high-resistance coating for example fullerite or disperse nanocrystals
  • this requires additional doping in the source and drain contact regions in order to form a conductive zone there in the semiconductor.
  • This effort can be avoided if the source and drain electrodes are integrated directly into the component based on the TEMPOS structure by means of thin, highly conductive ion traces in the layer made of an electrically insulating material, since then already by induction of the intrinsic charge carriers in the oxide layer the silicon interface becomes conductive.
  • the current from the source electrode to the drain electrode can be controlled by each of the three base electrodes v, w, and / or o as a control electrode (gate).
  • Capacitive or resistive changes in the high-resistance conductive layer on the top of the component based on the TEMPOS structure also influence the source-drain current.
  • the TEMPOS characteristic can be influenced by a charge carrier injection of source or drain. This enables the construction of very complex logic circuits within a single component.
  • the pores filled with a semiconducting or conductive material in the layer made of an electrically insulating material can also be delimited with a thin, electrically insulating layer, so that Tunnel barriers arise and quantum electronic nanodevices can be obtained based on tunnel effects.
  • the thin insulator layer can be produced in different ways.
  • the semiconductor substrate e.g. silicon
  • the semiconductor substrate e.g. silicon
  • the exposed semiconductor substrate at the bottom of the etched ion traces can be converted into a sufficiently thick oxide layer by natural corrosion processes.
  • the entire etched ion track can alternatively be lined with a 1 to 5 nm thin insulator film, which can be achieved, for example, by depositing a varnish made of polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS) oa can be done.
  • PAN polyacrylonitrile
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PS polystyrene
  • the ion trace in the layer made of an electrically insulating material (dielectric) cannot be etched through to the semiconductor substrate, but the etching process can be interrupted shortly before the breakthrough, so that a distance of approximately 1 nm to 5 nm remains between the trace tip and the semiconductor substrate (" This state can be checked during the etching process by measuring the capacitance between the semiconductor substrate and the etching agent-filled ion trace.
  • the dielectric can also be constructed in two layers, the 1 nm to 5 nm thin layer on the semiconductor substrate being heavy is etchable (eg made of silicon oxynitride SiON) and an overlying, much thicker layer (eg made of SiO 2 ) is more easily etchable layer in front of the semiconductor substrate.
  • the pores of the structures produced in this way are then filled with conductive materials.
  • the material can be high-resistance or low-resistance.
  • the surface of the structure is covered with a high-resistance conductive material - preferably with the same material as in the etched traces if these are high-resistance.
  • the use of highly conductive materials leads to different current / voltage characteristics.
  • the structures can thus have different electronic properties.
  • the contact can be made by two contacts on the surface of the structure and a back contact on the silicon in the same way as has already been described for various components based on the TEMPOS structure.
  • the conductors embedded in the etched ion traces consist of disperse, (semi-) conductive nanocrystals
  • the nanocrystals can be surrounded with an insulation layer (core-shell structures) before they are filled into the ion track, so that they never have direct contact to the semiconductor substrate afterwards. In this case, the formation of a tunnel layer in the tracks can be omitted.
  • the layer consists of an electrically insulating material made of diamond or polysilanes (so that the ion traces have an intrinsic conductivity, i.e. no longer need to be filled with conductive material)
  • only a two-layer dielectric can be used for the production (1 nm up to 5 nm SiO 2 , SiON, lacquer oa) and thicker layer of diamond, polysilane oa).
  • the ion traces of the double layer then have the structure: (SiO 2l SiON oa) / (sp 2 -containing carbon, SiC oa), i.e. consist of a thin insulator film between the semiconductor substrate and the poorly conductive ion trace.
  • the 1 nm to 5 nm thin insulator layers introduced in different ways between the semiconductor substrate and the conductive channel built up on the semiconductor substrate serve as tunnel barriers. Their theory has been known for decades; they have been the focus of electronic research for about a decade. The proposals above are strategies for inserting tunnel barriers into (semi) conductive zero or one-dimensional structures in order to obtain the effects of tunneling or even coulomb blocking.
  • these structures can be implemented on their own in individual ion traces (which is advantageous for nanoelectronics in order to achieve high component densities), several can be addressed in one pixel with the aid of a checkerboard-like contact, or a very large number (typically some 10 6 up to 10 8 / cm 2 ) similar components can be combined in parallel and contacted at the same time.
  • buckytubes can be bent and surface-contacted after they have grown out of etched ion traces (or other pores) to produce tunnel barriers.
  • the Buckytubes can grow out of the ion traces up to lengths of ⁇ m or mm. Then they can be used on the one hand as antennas for very short microwaves or very long-wave infrared, and on the other hand as fine resonators for ultrasound of very high frequency. In the latter case, the mechanical vibrations are converted into electrical signals by changing the capacity of the system (Buckytube - contacts in the ion track).
  • the Buckytubes can also be covered with nano- or microscopic objects (such as cells or enzymes), which leads to a change in the natural vibration frequency of the nanotubes. In principle, these frequency changes can be measured electronically.
  • the Buckytube ion trace components can thus be used as biological sensors (see also above).
  • the process for producing a parameterized TEMPOS structure basically comprises the following process steps:
  • process step I in which an electrically insulating oxide layer can be produced by conventional thermal oxidation, can, however, also preferably be carried out by means of a plasma chemical vapor deposition at a process temperature in a temperature range from 200 ° C. to 300 ° C.
  • the moderate temperature range in this deposition technique in which the material is separated from the plasma state, leads to considerable energy savings.
  • the exact stoichiometric composition of the preferred light-emitting SiON layer to be produced can be determined by precise setting of the plasma parameters, which determines both the etchability required and the luminescence yield.
  • no vacuum and clean room technology is required to manufacture the TEMPOS structure, which also has a cost-reducing effect.
  • the doping channels in process step II can be produced conventionally, for example, by masked or mask-free lithography processes, for example using an electron beam, lower structural limits in the range of 100 nm being achieved here. Therefore, method step II for forming doping channels as nanoscale pores with a selectable statistical distribution in the layer made of an electrically insulating material and a selectable pore diameter, pore depth and pore shape can preferably be carried out by irradiating the layer made of the electrically insulating material with high-energy heavy ions, the pore parameters can be adjusted by the selection of the radiation parameters. By using ion radiation, nanoscale pores in particular can be manufactured relatively easily with high precision and pre-assembled on an industrial scale.
  • the non-conductive material can be converted directly into conductive material in the region of the pores by ion radiation, for example when converting electrically non-conductive carbon with an sp 3 structure (diamond structure) into electrically conductive carbon with sp 2 - Structure (graphite-like structure).
  • ion radiation for example when converting electrically non-conductive carbon with an sp 3 structure (diamond structure) into electrically conductive carbon with sp 2 - Structure (graphite-like structure).
  • step II to form doping channels an etching of the ion traces following the irradiation is carried out, the pore parameters being adjustable by the choice of the etching parameters, in particular the etching duration. The pore parameters can thus be set both by the radiation and by the etching.
  • the choice of the ion type and the ion energy depends on the trace geometry to be achieved by the subsequent etching for the pores to be produced. It should be noted at this point that the pore production by ion irradiation, for which a particle accelerator is required, can be carried out surprisingly inexpensively by a stock production of semifinished products - in particular also compared to conventional production processes.
  • the ion radiation can either cover the entire surface or be structured two-dimensionally with the help of lithography.
  • the structuring can, for example, assign the pores to the electrodes to be attached on the Provide a layer of an electrically insulating material.
  • the etchant during the subsequent etching of the ion traces is usually hydrofluoric acid, the choice of the etchant concentration and etching duration depends on the material to be etched (for example SiO 2 , SION) and its precise chemical composition.
  • the ion track can be etched along the entire length, ie down to the substrate boundary layer, or only partially as a needle-shaped cavity by varying the etching time, or the ion track can be opened to different diameters. If the pores do not penetrate completely through the electrically insulating layer, a charge carrier injection takes place primarily into the electrically insulating layer, which leads to an increased light yield, particularly in the case of SiON. This concept is therefore particularly suitable for optoelectronic components.
  • the etching time thus determines the functioning of the structures developed therefrom via pore length and diameter, for example as npn or pnp transistors. Therefore, for the first time, typical structures can be produced in the TEMPOS structure differently than by doping with foreign atoms.
  • each ion can be individually written onto the component based on the TEMPOS structure using a suitable deflection system, or porous aluminum oxide can be used directly or as a mask for ion irradiation onto the dielectric layer on the semiconductor substrate.
  • the application of the electrically conductive but high-resistance layer in accordance with method step III, in particular onto the SiO 2 or SiON layer and into the etched ion traces, can be done, for example, by silver vapor deposition or chemical deposition of silver or another conductive material respectively. It is also possible to separate it from the liquid phase using an appropriately adjusted colloid.
  • the surface of the coating should be adjusted so that it allows good charge injection through the ion traces into the underlying Si, but also has a non-negligible resistance on the surface, so that multiple contacts on the surface are possible without a short circuit between these contacts ( "Partially conductive").
  • a suitable conductive layer is, for example, disperse-distributed nanoclusters made of metal or conductive oxides, such as indium tin oxide (ITO) - the latter because of the transparency of ITO especially for optical applications.
  • ITO indium tin oxide
  • the partially conductive layer can, depending on the application, either cover the entire sample or be structured two-dimensionally with the aid of lithography.
  • the TEMPOS structure produced is contacted in a known manner at the locations strategically suitable for the desired mode of operation and electrically connected The geometrical arrangement of the pores, the conductive layers and the electrical contacts can thus result in a transition from simple analog or digital circuit technology to multi-stage logic components.
  • the new TEMPOS structure is a uniform starting material for the practical Nanometric realization of electronic and optoelectronic basic components in active and passive as well as in analog as well as digital form suitable as for example transistor, SET (single electron transistor), FET (field effect transistor, also connected JFET), amplifier, generator, oscillator, flip-flop - Memory, resistor, current control resistor, capacitance, diode, S-tunnel diode, thermoresistor, thermocapacity, optoresistor, optocapacity, photodiode, bipolar (photo) transistor, photocell, light-emitting diode, hygrowistor, hygrocapacitor, hygrodiode, hygro cell, organogas resistor, organogas -Capacity,
  • An advantageous application of the parameterized TEMPOS structure is therefore characterized by a function as an electronic, active or passive component in a simple circuit arrangement with the smallest possible number of additional switching elements, in particular in the form of a transistor, capacitor, resistor, amplifier or resonant circuit (high-frequency component ), as an optoelectronic component, in particular in a training as a light emitter or light detector, as a hygroelectronic component, in particular in a training as a hygro cell, or as a sensor component, in particular in a training as a sensor cell, as a digital component, in particular as a flip-flop, or as Combination of these components, the respective functional characteristics being determined by the parameterization of the TEMPOS structure, in particular by the characteristics of the doping channels in the form of pores and the coating of the electrically conductive material in the form of Na noclustem, as well as by partially adjusting the working point by varying the application sizes and by arranging the electrodes.
  • Special exemplary embodiments are given
  • the TEMPOS structure shows not only passive but also active properties.
  • existing signals become more common
  • the TEMPOS structure shows a real transistor effect. Depending on its design, the TEMPOS structure can therefore be used both as an active and as a passive electronic component.
  • There are combinations of parameters for example in the case of: non-photoluminescent SiON on p-Si; ion traces etched for 50 s, with Ag clusters), which lead to characteristics with strongly negative resistances.
  • This combination of parameters is photoresistive, which means that the incidence of light means that the I v / Vvw characteristic is divided so that the gain increases sharply.
  • Figure 1 shows the basic structure of the semiconductor composite structure according to the
  • Figure 2 is an SEM image of a TEMPOS structure produced according to Figure 1
  • FIG. 3 shows the basic structure of the TEMPOS structure with non-permeable, conical pores
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the electronic functioning of an expanded TEMPOS structure, in which source and sink contacts are integrated,
  • FIG. 5A shows a second equivalent network of a component from the
  • F Fiigguurr 66 is a characteristic of the TEMPOS structure as non-linear
  • FIG. 7 shows a characteristic curve of the TEMPOS structure as a non-linear resistance at elevated ambient temperature
  • FIG. 8 shows a characteristic field of the TEMPOS structure as an npn transistor
  • FIG. 99 shows a characteristic field of the TEMPOS structure as a pnp transistor
  • FIG. 10 shows a characteristic field of the TEMPOS structure as an npn photo transistor
  • FIG. 11 capacitance and conductivity of the TEMPOS structure as a photodiode as a function of the incident light intensity
  • FIG. 1122 shows a first characteristic field of the TEMPOS structure with an interrupted cover layer made of silver clusters
  • FIG. 13 shows a second characteristic field of the TEMPOS structure with an interrupted cover layer made of silver clusters
  • FIG. 14 shows a characteristic field of the TEMPOS structure as a moisture sensor
  • FIG. 16 shows a characteristic field of the TEMPOS structure with a locally pronounced negative differential resistance
  • FIG. 17 shows a characteristic field of the TEMPOS structure with strong negative differential resistance
  • FIG. 18 shows a family tree of the TEMPOS structure
  • Figure 19 is a parameterization table for the TEMPOS structure
  • FIG. 20 thermocapacitive sensor oscillator
  • FIG. 21 optocapacitive remote control of a local oscillator
  • FIG. 22 low-frequency noise source
  • FIG. 23 optoresistive sensor
  • FIG. 24 optocapacitive sensor
  • FIG. 25 optocapacitive remote control of a bandpass
  • FIG. 26 optocapacitive remote control of a low pass
  • FIG. 27 optocapacitive remote control of a high pass
  • FIG. 28 signal frequency multiplier, FIG. 29 amplitude modulator,
  • FIG. 30 astable multivibrator
  • FIG. 32 photo transistor stage
  • FIG. 33 optoelectronic nanocluster radiator and FIG. 34 resonant circuit and the following figures circuit arrangements for an application of the TEMPOS structure with negative resistance (NERPOS) as
  • FIG. 35 analog, bidirectional amplifier (top circuit configuration, bottom voltage amplification, M1 entered voltage curve, M2 output signal after amplification),
  • FIG. 38 amplitude-modulated oscillator (circuit structure above, signal curve below, MNF modulation signal, MAM modulated carrier frequency)
  • FIG. 39 sawtooth generator circuit configuration above, sawtooth-shaped output signal below
  • FIG. 40 optoelectronic flip-flop circuit configuration above, below
  • FIG. 41 frequency digital gas sensor
  • FIG. 42 analog-conductive gas sensor amplifier
  • FIG. 43 analog gas-current conversion amplifier
  • FIG. 44 analog-resistive gas sensor amplifier
  • FIG. 45 analog gas-voltage conversion amplifier
  • TEMPOS structure with moisture-sensitive fullerene can be called an electrically conductive, but high-resistance coating on the electrically insulating layer with the acronym “MOSBIT”, which is the abbreviation of the name: "MOisture Sensoring with Buckminster-fullerene in ion tracks "acts.
  • MOSBIT electrically conductive, but high-resistance coating on the electrically insulating layer with the acronym "MOSBIT”
  • MOSBIT MOSBIT
  • TEMPOS structures with local negative differential resistance can be called "NERPOS” as an acronym from “Negative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors”.
  • FIG. 1 shows schematically in cross section a parameterized TEMPOS structure with a semiconductor substrate SCS and an adjacent layer EIL made of an electrically insulating material.
  • the TEMPOS structure is electrically contacted via three electrodes o, v, w (electrically equivalent to “connections” or “taps”).
  • Vertically oriented doping channels in the form of nanoscale pores VP are integrated in the layer EIL made of an electrically insulating material. The distribution of the pores VP, the pore diameter, the pore depth and the pore shape can be freely selected.
  • cylindrical pores VP are shown in groups of different sizes, which are assigned to the upper electrodes o, w, which completely penetrate the layer EIL made of an electrically insulating material and thus enable simple charge migration, in particular into the semiconductor substrate SCS.
  • the additional charge carriers are made available by an electrically conductive material ECM, which in the exemplary embodiment shown is applied in the form of disperse nanoparticles DNP into the pores VP and also onto the surface of the layer EIL made of electrically insulating material.
  • the disperse nanoparticles DNP generate a high-resistance gradient between the electrodes o, w, so that a short circuit is prevented here.
  • the pores VP with the disperse nanoparticles NP in the TEMPOS structure represent a particularly large number of needle-shaped semiconductor junctions, so that the TEMPOS structure can be referred to as a “multi-tip diode arrangement”. This can be represented electrically by equivalent circuit diagrams with corresponding diode arrangements.
  • FIG. 2 shows a picture with a scanning electron microscope SEM.
  • the layer made of an electrically insulating material, here SiO 2 can be seen from above, into which a multiplicity of pores of different diameters are integrated in a disperse distribution.
  • the dark central area in the pores shows the semiconductor substrate underneath, here Si. In the exemplary embodiment shown, the pores are thus etched through.
  • the bright border around the pores shows their conical shape.
  • the white dots seen in the SEM image are clusters made of an electrically conductive material, here silver, which are applied in the pores and also on the surface of the layer made of an electrically insulating material.
  • FIG. 3 schematically shows a cross section of a parameterized TEMPOS structure, but here with conical pores VP that do not completely penetrate the layer EIL made of an electrically insulating material.
  • the additional charge carriers migrate increasingly into the layer made of an electrically insulating material.
  • the TEMPOS structure is irradiated with light, which leads to increased photoemission, which can be used accordingly in measurements.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the electronic functioning of the TEMPOS structure. At least two horizontal and a variety of vertical Current paths (see inset) compete with one another, with diodes forming at the transitions. Each current path differs from the other by different potential relationships. It is shown: the high-resistance cover layer T, the anisotropically conductive layer A, the semiconductor substrate S, a conductive channel C in the semiconductor S near the AS boundary layer, two upper contacts K 0 , K, a lower contact Kv.
  • the source contact Ks and the sink contact Kp are optionally shown for the structural design of an additionally integrated controllable transistor using the horizontal channel C.
  • the anisotropy of layer A is usually generated by parallel, predominantly vertical conduction paths in an insulator layer. Those can be generated: a) by filling the etched ion traces contained in the insulator with (semi) conductive materials, b) by latent ion traces, if these are conductive, and c) by self-organizing structures with an analog structure.
  • heterogeneous and homogeneous monostructures can also be used which show a strong anisotropy of their electrical conductivity (parallel to their surface at most a very low electrical conductivity close to the electrical insulation and perpendicular or at an angle to it) Surface has a higher electrical conductivity by a factor of at least 10 6 ).
  • the current can then either flow directly to w through the surface coverage or it can go through the tracks below into the silicon below.
  • the traces can be described by a resistor R 0 and a diode D ox with a leakage current resistor R ox .
  • An enrichment zone, depletion zone or inversion zone can build up below the oxide layer.
  • the existence of such a layer (referred to as a "channel") depends on the leak properties of the oxide, which can be described by the track resistance Rt and the diode parameters D ox and R ox .
  • the diox and R ox For low-resistance Rt, D ox and R ox little or no charge control is possible due to the field effect via C ox .
  • the channel resistance is described by R c .
  • the current towards connection v will have to overcome a potential barrier from the channel to the base silicon, which is described by an additional diode DL with a leakage resistance RL.
  • conventional, known MOS capacitances without traces are represented in place of the diode DL by a voltage-dependent capacitance, which is given, for example, by the transition from an inversion layer to the base silicon, because no direct current flows here.
  • a voltage-dependent capacitance which is given, for example, by the transition from an inversion layer to the base silicon, because no direct current flows here.
  • the track resistance Rt is of particular interest here because its size controls the presence or absence of layers with free charge carriers, that is to say the inversion or enrichment layers and consequently also the values R c , D L and RL.
  • the detailed description of the Iv-Vvw characteristic according to this model provides results that at least match qualitatively with the observations. A distinction must be made between two cases, which have been marked with type 1 or type 2. The traces of type 1 are only slightly etched, so that R t is very large. Type 2 corresponds to the case of smaller R t , which can be realized experimentally by longer trace etching times. In types 1 and 2, the roles of electrons and holes are reversed, so that complementary characteristics occur.
  • the component can either be viewed as a weakly non-linear resistor or as a pn junction induced by a lateral field.
  • the semiconductor connection structure according to the invention has negative differential resistances, so that it receives the properties of a pnp (for type 1) or npn (for type 2) transistors. Up to a factor of 24 power amplifications have been observed up to now. The transistor effect is reproducible and often accompanied by point light emission.
  • FIG. 5A shows a second equivalence network, with the help of which the explanation for the electronic behavior of the TEMPOS structure in the special form with a negative differential resistance (NERPOS) according to the invention is to be further deepened.
  • NERPOS negative differential resistance
  • the discussion is explicitly limited to the simplest case, namely the use of a p-type substrate. This has the advantage that the substrate is kept in accumulation in the applied voltage ranges and that no additional complications due to the occurrence of inversion layers have to be taken into account.
  • the simplified equivalent circuit consists of the sheet resistance R of p-Si, connected to the contact v, the sheet resistances R w and R 0 , which essentially describe the current propagation along the oxide interface, the Schottky diodes D w and D 0 and the sheet resistances in the metallized nuclear traces, R ⁇ 0 and R « v (the latter not shown).
  • the detection of Schottky behavior from silver to p-type silicon is generally known and is documented, for example, by Smith and Rhoderick.
  • the diode D 0 is open, a current path vo is formed, which has an ohmic character due to the path resistances.
  • the rail resistances are flooded by the injection to such an extent that they disappear and the current is only limited by the diode. There is therefore a switching effect from a high-resistance to a low-resistance state, which manifests itself as a declining characteristic or differential negative resistance.
  • the switching voltage v decreases with a more negative voltage o.
  • the same positive voltage in the silicon under w is always used for the diode D w in order to open it.
  • a reduction in the switching voltage v can therefore only mean that the path resistances in the silicon become smaller and “supply” the potential v better.
  • This reduction is achieved in that a higher forward voltage is set across the diode D 0 when the voltage o is reduced This means that the diode injects more strongly.
  • the rail resistances, RK, in the ion traces are greater than that of the silicon.Note that the injection of D w does not only affect the resistors R w and R v , but also to R 0.
  • the diode D w is opened, the voltage drop across the diode D 0 also changes ; it is opened further and thus falls back on D w via an increased injection.
  • FIG. 6 shows a characteristic curve of the TEMPOS structure measured at room temperature RT with an etching duration of 3 min in the form of a controllable semiconductor resistor.
  • a typical 1, U characteristic curve of a junction semiconductor component is shown in the measurement of the current-voltage characteristic. Its temperature dependency could be demonstrated in accordance with FIG. 7, which shows the characteristic of the TEMPOS structure with an etching time of 3 min at an ambient temperature of 60 ° C.
  • FIG. 8 shows a characteristic field of an npn transistor produced from a TEMPOS structure with an etching time of 7 min (etching in hydrogen fluoride solution HF 7 min), in which the two electrodes o, w and.
  • the electrode v is contacted with silver conductive adhesive.
  • the control circuit is implemented between the electrodes v, w and the load circuit of the npn transistor between the electrodes o, w.
  • the load current l 0 With increasing voltage U o in the load circuit, the load current l 0 also increases and is also controllable by means of control voltage - Uvw.
  • This npn transistor function is provided by the simple diode equivalent circuit diagram of the structure, which is likewise shown in FIG. 8 and which in principle consists of three multi-tip diode complexes.
  • FIG. 9 comparable laboratory tests were carried out on a TEMPOS structure with a 10 min etching time in an extended load current range, with the result that only with unchanged contacting of the TEMPOS structure a pnp transistor was produced and produced by the extended etching duration.
  • the semiconductor composite structure bipolar transistors are also made up of three multi-tip diode complexes, taking the polarity into account as a first approximation.
  • FIG. 10 shows a characteristic field of a TEMPOS structure in the form of an npn phototransistor with a light-active, electrically insulating layer, for example SiON.
  • the etching time HF was only 5 min, so that conical, non-continuous pores were created.
  • the flow of light is denoted by ⁇ .
  • FIG. 11 shows the capacitive change in a TEMPOS structure with an etching time HF of 10 min in the form of a photodiode as a function of the incident light power. This can therefore be determined in a photo sensor by measuring the variable voltage.
  • FIG. 12 shows a characteristic field (current-voltage characteristic) of a light-sensitive TEMPOS structure (p-doped silicon, only the dark currents are shown) according to the invention, as is the case for an interrupted coating between the two surface contacts the structure surface (see inset).
  • a continuous conductive connection between the two surface contacts is therefore only provided by the buried conductive channel in the semiconductor substrate near the interface to the layer made of an electrically insulating material. This channel is driven through the remaining surface covering and the conductive ion traces.
  • the characteristics are very similar to normal diode characteristics and can be pulled apart by applying a gate voltage.
  • FIG. 13 shows the characteristic field of a p-doped, light-sensitive TEMPOS structure according to FIG.
  • the first curve shows the voltage-dependent dark current.
  • a gate voltage is applied.
  • the The component formed behaves like a photodiode or photocell. Without applying a gate voltage, the component formed shows the behavior of a photo resistor.
  • FIG. 13 shows the influence of light on the characteristics of a TEMPOS structure with an interrupted surface coverage. It can be seen that light lowers the characteristic curves in a different way than in FIG. 12, so that the influences of moisture and light can be clearly distinguished from one another.
  • a characteristic field similar to light results for the TEMPOS structure as an organogas sensor. Gases such as alcohol or acetone lower the characteristics in a similar way to light.
  • the two gases cannot be distinguished from one another with a TEMPOS structure with fullerite alone.
  • a coincidence measurement must take place with a further, for example alcohol-specific detector (for example semiconductor composite structure with high-resistance SnO coating and pore filling).
  • FIG. 14 shows a characteristic field of a TEMPOS structure in the form of a moisture sensor with a high-resistance, electrically conductive material as a coating on the layer of electrically insulating material and pore filling made of fullerite (MOSBIT).
  • MOSBIT fullerite
  • the components based on the TEMPOS structure have certain structural arrangements, in particular using metal clusters and higher, applied electrical field strengths
  • FIG. 15 shows a Characteristic field for a characteristic of the TEMPOS structure with a slight noise that sets in above a certain current. The noise here consists of small peaks in the characteristic, which tend to lower voltages at higher currents.
  • FIG. 17 shows a current-voltage characteristic in which the current increases dramatically above a certain threshold voltage without stabilizing again at a higher value.
  • NERPOS Negative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors
  • FIG. 18 shows the representation of an attempt to represent the genealogical relation of the different possible TEMPOS structures that can be generated by different parameterization to one another in a family tree, insofar as they are already known or are under development.
  • the various open arrows show the main area in which future extensions are still to be expected.
  • the freely selectable parameters of the TEMPOS structure are summarized in a table in FIG. The appropriate materials and their areas of application are also entered. The table corresponds to the current state of knowledge and shows room for future expansion.
  • the temperature dependency of the TEMPOS structure 3min HF shown in FIGS. 6 and 7 can also be used very simply as a frequency-determining element in the case of a TEMPOS structure 10min HF with regard to its internal capacitance (thermal capacity) and internal parallel resistance (thermal resistance) (Thermal capacitance) in the functional and application circuit according to FIG. 20, which shows the electrical circuit diagram of a thermocapacitive sensor oscillator with a TEMPOS structure 10min HF, installed and used practically.
  • the frequency of this sensor oscillator is a direct, digital measure of the temperature to be measured. In terms of measurement technology, an oscillator frequency difference of 190 kHz can be determined between room temperature and 80 ° C ambient temperature in the corresponding analyzer spectrum.
  • FIG. 21 shows the circuit diagram of an optocapacitive remote control of a local oscillator.
  • the photo effect of a TEMPOS structure with an etching time HF of 10min is used to build a photo-npn transistor stage. If the direct current flow is prevented in this structure (idling), the measurement results with respect to the capacitive change when optical radiation is coupled in according to FIG.
  • FIG. 22 shows the application of the TEMPOS structure with a predetermined etching duration (here and in the circuit arrangements according to the following figures can be selected accordingly) to a low-frequency noise source, with high local electrical field strengths in the TEMPOS Structure cause random, frequent electrical discharges and recombinations and consequently generate a measurable noise voltage at the taps.
  • ⁇ , ⁇ the slope in the l, U characteristic field changes, that is to say the differential electrical resistance of the semiconductor composite structure (optoresistor) and enables use as an optoresistive sensor according to FIG. 23.
  • the change in the injected optical radiation causes a current change in the circuit and thus a corresponding voltage change available at the electrodes.
  • the semiconductor composite structure as a photodiode is idle operated without DC current by means of the series capacitance Ci in an optocapacitive change and the coupled optical radiation to be measured is converted at the two taps into a countable digital frequency.
  • communication technology applications of the semiconductor composite structure for optocapacitive remote control of a bandpass according to FIG. 25 a low pass according to FIG. 26 and a high pass according to FIG. 27 for the advantageous complete prevention of disturbing electromagnetic external influences can be practically realized by this type of opto-coupling.
  • the IU operating point When the IU operating point is set according to an application as a signal frequency multiplier according to FIG. 28 by means of direct voltages applied to the TEMPOS structure as a bipolar transistor in the area of large characteristic curve curvature, the injected signal voltage is distorted and its frequency, the signal frequency, multiplied and available at the two electrodes posed.
  • the application according to FIG. 29 uses the operating point setting according to FIG. 10 to multiply two signal voltages in an additive mixture, which corresponds to the practical, simple implementation of an amplitude modulator, the modulation voltage then being available at the two electrodes for further processing in communication technology. If you select the IU working point When used on a semiconductor composite structure as an npn tunnel transistor, the tunnel effect characterized by an arc characteristic occurs at approx.
  • the further application according to FIG. 31 in temperature measurement technology shows a TEMPOS structure transistor set at the operating point as a thermal resistor, that is to say a thermoresistive sensor whose output voltage at the two electrodes is a direct measure of the coupled-in temperature.
  • the application according to FIG. 32 represents a phototransistor stage whose output voltage at the two electrodes is a direct measure of the coupled radiation, as was typically measured according to FIG. 10 for the components from the TEMPOS structure.
  • FIG. 34 shows an application of the TEMPOS structure as a frequency-variable resonant circuit.
  • the applied voltage voltage-controlled nanocluster capacitance
  • the TEMPOS structure is also radio frequency capable.
  • Figure 35 shows a simple amplifier with a component based on the TEMPOS structure with a differential negative resistance (NERPOS structure).
  • the result of the voltage amplification is shown in the lower part of the figure.
  • Only two contacts of the component based on the NERPOS structure are required for an amplifier (e.g. v and o);
  • the third contact e.g. w
  • the fact that only two contacts of the new component based on the NERPOS structure are sufficient to implement an amplification circuit greatly simplifies the wiring of the circuit compared to transistor circuits (see below). From the third contact that is not required in the amplifier circuit according to FIG.
  • the third contact (eg w) of the component which is not required in the amplifier circuit can be used on the basis of the NERPOS structure in order to use the contacts v and w parallel to the amplifier according to FIG. 35 realized by the contacts v and o to operate similar amplifiers.
  • a component based on the NERPOS structure can therefore perform two different tasks in parallel. In this case, the capacitive couplings within the component may cause beats, but these can be minimized by appropriate design of the NERPOS structure.
  • oscillators can also be built. In this case too, only two of the three contacts of the standard version are required, so that it is also possible to build tandem oscillators (see Figure 37). In this case too, care must be taken to ensure that the formation of beats is prevented by suitable capacitive decoupling when the component is designed on the basis of the NERPOS structure.
  • FIG. 39 indicates that not only sinusoidal vibrations, but also other types of vibrations can be realized with NERPOS structures, e.g. Sawtooth vibrations (signal curve below).
  • the negative differential resistance of NERPOS structures also makes it possible to operate digital electronics, as shown in FIG. 40 using an optoelectronic flip-flop (a normal electronic flip-flop can also be operated without incidence of light) (S / R set / reset - put).
  • the current-voltage characteristic is shown in the lower part of FIG.
  • An operating point on Ai (FF open flip-flop) is assumed. Then the working point is shifted to the left by a short (here: negative) pulse, so that it moves into the zone of instability and only stabilizes again at A 2 (SF closing flip-flop), whereby the position of A 2 by the external Resistance can be adjusted. Similarly, a short positive pulse can shift the operating point back to Ai.
  • bistable circuits can also be implemented with NERPOS structures, as has long been known from digital electronics with transistors. This results in the basic possibility of building active components for transistor-free computers on the basis of TEMPOS structures with negative differential resistance, the so-called NERPOS structures.
  • NERPOS structures The extremely fast switching times as well as the significantly lower expenditure on components and wiring than with corresponding transistor circuits could make computers constructed in this way competitive.
  • FIGS. 41 to 47 relate to MOSBIT structures, ie to TEMPOS structures designed with fullerite as the electrically conductive material on the surface of the layer of electrically insulating material and in the pores.
  • MOSBIT structures ie to TEMPOS structures designed with fullerite as the electrically conductive material on the surface of the layer of electrically insulating material and in the pores.
  • a MOSBIT structure generates a voltage even in the presence of moisture, which disappears when the humidity drops. Because the moisture-sensitive sensor material C ⁇ o (fullerite) was applied thinly on the surface and not as a thick layer, the diffusion processes of water vapor in the fullerene are reduced to a minimum, so that this sensor has a very short response time of less than one second.
  • the cause of the voltage of such a hygro cell based on the MOSBIT structure can be attributed to an environmentally dependent C ⁇ o / Si contact voltage. This property can be used to build moisture voltage drivers. If the hygro- If the cell is exposed to damp vapors of alcohol or acetone, this also creates a voltage, but the opposite sign is then used. This allows moisture to be distinguished from organogas vapors. Like the TEMPOS structures with nanoclustes, the MOSBIT structures also show resistive, conductive and capacitive sensor behavior. Accordingly, both moisture-resistive sensors, moisture-conductive sensors and moisture-capacitive sensors can be produced, for example. With the latter, it makes sense to convert the capacitive changes into frequency changes. Finally, the change in conductivity of a MOSBIT element can also be used to generate moisture flow converters.
  • FIG. 41 shows a frequency-digital gas sensor in which the MOSER IT structure with nanoclustes, coated with fullerite (C60) and coated with direct current, with its gas-dependent capacitance, controls the oscillator circuit in the MHz range.
  • the oscillator frequency available at both taps is thus a direct digital measure of the gas concentration.
  • FIG. 42 shows an analog-conductive gas sensor amplifier which converts the change in conductance of the MOSBIT structure coated with C60 with nanoclusters depending on the gas concentration directly into a measurable voltage and offers it at the two taps.
  • FIG. 43 shows an analog gas-current conversion amplifier which converts the regenerative short-circuit current in the MOSBIT structure coated with C60 with nanoclusters directly into a measurable voltage as a function of the gas concentration and offers it at the two taps.
  • FIG. 44 shows an analog-resistive gas sensor amplifier which converts the change in resistance of the MOSBIT structure coated with C60 with nanoclusters depending on the gas concentration directly into measurable voltage and offers it at the two taps
  • FIG. 45 shows an analog gas-voltage conversion amplifier which offers the open-circuit voltage, which is dependent on the gas concentration and which is regenerative, of the MOSBIT structure coated with C ⁇ o with nanoclust at the two taps with a low resistance.
  • FIG. 46 shows a gas voltage cell with the C ⁇ o surface-coated MOSBIT structure with nanoclusters, which can be used with a larger gas concentration for power supply using the voltage taps.
  • FIG. 47 shows a solar cell with the C60 surface-coated MOSBIT structure with nano-clusters, which can be used both as a radiation receiver and as a power supply when using optical radiation, using the voltage taps.
  • the large range of semiconductor components described above can be used to recognize the great flexibility of the semiconductor composite structure according to the invention and its uniform application form. Together with the new semiconductor structure according to the invention, a new, inexpensive class of easily manufactured and controllable semiconductor components can thus be made available. The production of this Apart from a large accelerator for ion trace production, structures only require wet chemistry without clean room and vacuum conditions.

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Abstract

Bekannte parametrierte Halbleiterverbundstrukturen arbeiten monofunktionell. Zur Erzielung größter Flexibilität bei gleichzeitig maximaler Universalität weist die parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung (TEMPOS) als Dotierungskanäle nanoskalierte Poren (VP) und einen hochohmigen Belag aus elektrisch leitfähigem Material (ECM) auch zwischen den Poren (VP) auf der Oberfläche der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material auf, wobei ein elektrischer Widerstand erzeugt wird, der eine Migration von zusätzlichen Ladungsträgern vertikal in der Halbleiterverbundstruktur (PSC) unterstützt, horizontal zwischen den gleichseitigen Elektroden (o,w) aber verhindert. Wesentliche Parameter zur Funktionseinstellung der Halbleiter­verbundstruktur (TEMPOS), die auch ein differenziell negatives Widerstands­verhalten (NERPOS) umfassen kann, beziehen sich auf die Ausgestaltung der Poren (VP) und des elektrisch leitfähigen Materials (ECM). Bevorzugt können die Poren (VP) durch lonenbestrahlung mit anschließender Ätzung erzeugt werden, wobei die Ätzdauer die Porentiefe und den Porendurchmesser bestimmt. Das leitfähige Material (ECM) kann bevorzugt aus leitenden Nanoclustern (DNP) oder feuchteempfindlichen Fullerenen (MOSBIT) bestehen. Anwendungen beziehen sich auf elektronische, optoelektronische, hygroelektronische und sensorische Halbleiterbauelemente mit aktivem und passivem, thermischem, resistivem, kapazitivem, frequenzabhängigem, chemischem und/oder strahlungsresistentem Verhalten in analoger und digitaler Ausführung.

Description

Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit integrierten Dotierungskanälen, Verfahren zur Herstellung und Anwendung davon
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden planaren Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, wobei Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleiter- substrat angeordneten Elektroden, auf ein Verfahren zur Herstellung und auf eine Anwendung davon.
Halbleiterverbundstrukturen, realisiert in modernen Halbleiterbauelementen, sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie finden Einsatz in Datenverarbeitung, Kommunikation, Multimedia und in den meisten Geräten des täglichen Lebens. Die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen in integrierten Schaltkreisen ermöglicht die heutigen Computer und die moderne Datenkommunikation. Weiterhin werden Halbleiterverbundstrukturen für Hoch- geschwindigkeits- und Optoelektronik entwickelt. Die fortschreitende Miniaturi- sierung von Halbleiterverbundstrukturen führt aber auch zu neuen Effekten. Aufgrund der geringen Abmessungen von Strukturen mit wenigen Nanometern, kann die direkte Quantisierung der Ladungsträger in diesen Strukturen beobachtet werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Halbleiterverbundstrukturen bekannt, die nach ihrer Monofunktion geordnet werden können. Eine große Gruppe bilden die Feldeffekttransistoren FET, die im Falle von Halbleiterverbundstrukturen mit einem „J" für Verbund gekennzeichnet werden. Hierbei kontrollieren ein oder mehrere Gate-Elektroden spannungsgesteuert oder Undefiniert („floating") den Source-Drain-Strom. Es gibt nur einen Strompfad. In den Source-Drain-Kanal eingebettete Gate-Elektroden in der Form von Nanogittem können die JFET-Funktion verbessern.
Aus der US-PS 5 359 214 ist ein JFET mit einer verbesserten Trans- konduktanz bekannt, bei dem auf dem Siliziumsubstrat eine weitere Siliziumschicht anderer Dotierung („epilayer") aufgebracht ist, die leitende Siliziumkanäle als Poren enthält, wobei alle Poren auf demselben Potenzial liegen. Es handelt sich hierbei also um eine Halbleiterverbundstruktur des Typs (n- Halbleiter/p-Halbleiter mit Poren) oder (p-Halbleiter/n-Halbleiter mit Poren). Eine Porenauskleidung wird ausschließlich durch eine Umdotierung des Substrat- und Epilayer-Materials erreicht. Die Hauptrichtung von Ladungsinfluenz verläuft in radialer Richtung zu den Poren. Durch das Hineinragen der Poren in die Siliziumschicht wird zwar die Transkonduktanz erhöht, andererseits wird aber der Leitungsquerschnitt reduziert und somit ebenfalls der Porenwiderstand erhöht. Ziel der Poren bei dieser bekannten Verbundstruktur ist es, mit Hilfe von influenzierten Raumladungen in der Umgebung der Poren den leitenden Source-Drain-Kanal im Silizium durch Influenz zu öffnen oder zu schließen. Aus der US-PS 5 111 254 ist ebenfalls ein JFET bekannt, dessen Ladungsträgerdurchbruch („avalanche breakdown") verbessert werden soll. Bei dieser bekannten Halbleiterverbundstruktur handelt sich um eine Struktur des Typs (isolierendes Substrat/Halbleiter mit Poren). Deshalb werden Poren in den leitenden Halbleiter-Kanal als "floating gate" eingebracht. In der US- PS 4482 907 wird schließlich ein JFET beschrieben, bei dem die Wirkung der Gate-Elektrode durch deren röhrchenförmige Verlängerung in den leitenden Source-Drain-Kanal hinein verbessert werden soll. Es handelt sich hier um eine Struktur des Typs (isolierendes Substrat/Halbleiter mit Poren). Deshalb werden Poren in den leitenden Source-Drain-Kanal der Halbleiterschicht als Steuermittel eingebracht. Bei der zweiten großen Gruppe von Halbleiterverbundstrukturen werden verschiedene elektrische Bauelemente, wie Dioden, Kondensatoren oder Widerstände, in beliebiger Anzahl einfach parallel geschaltet und damit auf dasselbe Potenzial gelegt. Derartige Halbleiterverbundstrukturen zeigen eine Matrix und darin eingelagerte leitende Elemente, insbesondere Nanodrähte. Wenn sich zwischen der Matrix und den Nanodrähten noch eine dünne Isolatorschicht befindet, erhält man Kondensatoren. Wenn die Matrix n-leitend und die Nanodrähte p-leitende Halbleiter sind (oder umgekehrt), dann wirkt der Übergang zwischen Matrix und Nanodraht als Diode. Diese kann dann durch Vorsehen einer Gate-Elektrode in einen einfachen FET umgewandelt werden.
Ein derartiges Konzept ist aus der US 2002/0192441 A1 in Form eines Nano- komposits bekannt, das durch Einbringen eines Leitmaterials in ein poröses Material hergestellt wird. Durch Anlegen von rein elektrischen Kontakten sollen verschiedene Funktionen erfüllt werden, dabei ist jedoch lediglich eine einzige elektrisch aktive nanostrukturierte Filmschicht vorhanden. Insbesondere wird ein anorganischer Halbleiterdraht in einer Matrix aus einem anderen organischen Halbleiter eingebettet (Typ organisches Substrat / anorganische Poren). Bei einem beschriebenen FET ist der Source-Drain-Kanal als eine Vielzahl paralleler Silizium-Nadeln ausgearbeitet. Eine Vorzugsrichtung der leitenden Nadeln wird nicht angegeben, allerdings soll jeder Bereich des Nanokomposits eine kontinuierliche elektrische Verbindung zu einer Außenelektrode haben. Weiterhin ist aus der US 2003/0057451 A1 ein optoelektronisches Bauelement bekannt, bei dem Elektrolumineszenz und Fotolumineszenz ausgenutzt werden soll. Dazu werden in einem aufwändigen Herstellungsverfahren gleichförmige Nano-Nadeln aus dem Silizium-Substrat herausgeätzt, wobei alle Silizium-Nadeln als parallel geschaltete Dioden wirken und dasselbe Potenzial haben. Die zunächst auf das Silizium-Substrat aufgebrachte Isolatorschicht erfüllt dabei nur eine vorübergehende Hilfsfunktion während des Ätzvorganges zur Herstellung der Silizium-Nadeln. Eine mögliche spätere Einbettung der Silizium-Nadeln in eine Isolatorschicht erfüllt nur Schutzfunktionen gegen Kontamination und Zerstörung. Schließlich ist es aus der US- PS 5705321 bekannt, Nanodrähte, Nanoflächen und andere Nanostrukturen aus Silizium in periodischen Quantenstrukturen für z.B. Laser herzustellen. Dabei werden Lithographie-Verfahren verwendet, die Interferenzmethoden und Ätzverfahren beinhalten. Weiterhin ist aus der US 6 201 291 B1 eine Ver- bundstruktur bekannt, die metallische Leitspuren in einer elektrisch isolierenden SiO2-Schicht aufweist, die auf einem Halbleiterkörper angeordnet ist. Diese Anordnung dient jedoch ausschließlich der elektrischen Verbindung verschiedener, in den Halbleiterkörper integrierter Bauelemente. In die SiO2- Schicht integrierte Diffusionsbarrieren dienen dabei speziell der Unterbindung der Ladungsträgermigration in den Halbleiterkörper. Aus der WO 02/08900 A2 ist schließlich eine ähnliche Halbleiterverbundstruktur bekannt, bei der ebenfalls Leitspuren in eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Halbleiterkörper aufgebracht sind. Auch hier dienen die Leitspuren ausschließlich der rein Ohmschen Verbindung von in den Halbleiterkörper integrierten elektronischen Schaltkreisen. Ähnliche Strukturen sind auch bekannt für die vertikale Verbindung mehrere Schaltungsebenen.
Bei einer dritten Gruppe von Halbleiterverbundstrukturen werden unterschiedliche Sensoren konzipiert. Dabei werden sensorisch empfindliche Materialien in eine isolierende Matrix eingebettet. Ein solcher Verbundschichtaufbau aus dem Bereich der Biosensoren bekannt (vergleiche Veröffentlichung I von H. Lüth et al. „Biochemical sensors with structured and porous Silicon capacitors", Materials Science and Engineering B69-70 (2000) 104-108, oder Veröffentlichung II von M.J. Schöning et al. „Recent advances in biologically field-effect transistors (BioFETs)", Analysts, 2002,127, 1137-1151). In diesen Veröffentlichungen werden aber prinzipiell klassische Transistorkonzepte (z.B. FET) vernetzt, die sich nur durch Zusätze bei der Gate-Elektrode durch deren Einbringen in einen Elektrolyten, in dem unterschiedliche pH-Werte herrschen (ion-selective FET = ISFET), vom klassischen Konzept unterscheiden. Bei diesen Sensoren wird poröses Silizium für Sensorzwecke in Transistoren eingesetzt, wobei die Poren nicht direkt genutzt werden. Vielmehr ist die Oberfläche des porösen Siliziums mit SiO2 und S.3N4 beschichtet, sodass auf diese Weise eine dünne, gefaltete Kondensator-Struktur (Typ Halbleiter- Isolator-Halbleiter) entsteht, die eine sehr große Fläche hat. Abgelagertes Material z.B. biologischer Natur auf der Oberfläche des S-3N4 verändert dessen Oberflächenladung. Dadurch wird bei festgehaltener Spannung die Kapazität des Kondensators erhöht. Diese Erhöhung wird entweder direkt gemessen oder zum Ansteuern eines klassischen FETs genommen. Somit dienen die sich im Substratmaterial (Si) befindenden Poren bei der bekannten Struktur nicht der Ladungsträgerinjektion oder -extraktion. Weiterhin sind aus der US 2002/0118027 A1 Sensoren auf der Basis von porösem Aluminiumoxid bekannt. Poröses Aluminiumoxid weist eine sehr hohe Porendichte auf und ist hoch temperaturbeständig. Hingegen ist es sehr empfindlich gegenüber Laugen und Säuren, was die Möglichkeit der Deposition von Sensormaterialien innerhalb der Poren einschränkt und die Anwendbarkeit in nicht-neutralen Flüssigkeiten weitgehend verbietet. Weiterhin ist poröses Aluminiumoxid sehr zerbrechlich, sodass im rauen Einsatz ein stabiles Substrat erforderlich ist. Zur Widerstandsveränderung kann die Integration eines Miniatur-Heizelementes vorgesehen sein. Die Sensoren werden nur resistiv betrieben. Aus der US 6 278 231 B1 ist es zur Herstellung von Sensoren ebenfalls bekannt, Nanoporen in AI2θ3 mit einer Inkorporation verschiedener Materialien innerhalb der Poren zu produzieren. Dabei werden jedoch nur einfach resistive Sensor- Strukturen mit einfachen Oberflächen-Kontaktierungen konzipiert.
Aus der DE-PS 33 37 049 ist ein Sensor zur Detektion von magnetischer Strahlung bekannt, der aus einem Festkörper mit anisotropen Leitungs- eigenschaften besteht. Dabei werden die Eigenschaften des gesamten isolierenden Festkörpers geändert und durch eine hohe Bestrahlungsdosis zur Erzeugung von Phasenumwandlungen maximal anisotrop in einer Richtung leitend gemacht. Als Ausgangsmaterial muss deshalb ein sehr spezieller amorpher metallreicher Isolator eingesetzt werden, der längs der lonenspuren derart zerstört wird, dass Metallatome lokal freigesetzt werden. Durch Tempern sollen diese dann clustern. Weiterhin wird in der DE 101 21 011 A1 eine Halbleiterverbundstruktur aus einem p-dotierten Siliziumsubstrat mit einer angrenzenden Siliziumdioxidschicht beschrieben, in die vertikale Dotierungskanäle in Form von durchgehenden Kontaktlöchern als Bitleitungskontakte integriert sind. Die Kontakt- löcher sind mit einem Metall ausgefüllt, so dass Elektronen in das Siliziumsubstrat migrieren können. Die Parametrierung der bekannten Halbleiterstruktur erfolgt über Dotierungs-Implantation. Zur Realisierung von Halbleiterbauelementen, beispielsweise DRAMs, ist eine nicht weiter dargestellte Kontaktierung mit Elektroden vorgesehen. Mit dieser bekannten Halbleiter- Verbundstruktur werden ausschließlich einfache Ohmsche Kontakte realisiert. Andere Halbleiterbauelemente, insbesondere auch solche mit einer anderen physikalischen Funktionalität, können nicht realisiert werden. Auch alle anderen aus dem Stand der Technik bekannten, ähnlich realisierten Halbleiterstrukturen sind hinsichtlich ihrer Konstruktion, ihrer Baumaterialien und ihres Designs unflexibel, sodass zwischen den einzelnen Halbleiterstrukturen eine große Uneinheitlichkeit und Unterschiedlichkeit besteht. Gleiches gilt auch für die entsprechenden Herstellungsverfahren.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht deshalb darin, eine parametrierte Halbleiterstruktur der eingangs beschriebenen Art so weiter zu bilden, dass eine große Flexibilität und Universalität hinsichtlich ausbildbarer Halbleiterbauelemente und deren physikalischer Funktionalität entsteht. Dabei soll die Halbleiterverbundstruktur bei allen ausprägbaren Halbleiterbauelementen trotzdem einheitlich in ihrem Aufbau sein und möglichst geringe Unterschiede aufweisen. Trotzdem soll die Halbleiterverbundstruktur einfach und möglichst kostengünstig herstellbar sein, was auch für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren gelten soll. Ausgebildete Halbleiterbauelemente sollen dann in ihrem grundsätzlichen Aufbau nur geringfügige Unterschiede aufweisen. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu ent- nehmen. Ein bevorzugtes Herstellungverfahren für die parametrierte Halbleiterstruktur nach der Erfindung wird in einem Verfahrensanspruch aufgezeigt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu ent- nehmen. Schließlich werden bevorzugte Anwendungen der parametrieten Halbleiterstruktur nach der Erfindung in einem Anwendungsanspruch aufgezeigt.
Aus dem Stand der Technik sind zwar eine Reihe von Halbleiterverbundstrukturen mit einem zur Erfindung ähnlichen Aussehen bekannt (s.o.), deren Funktionalität zeigt jedoch die grundsätzliche andere Bedeutung des jeweiligen Strukturaufbaus. Die große Flexibilität und Universalität wie bei der Halbleiterstruktur nach der Erfindung wird bei keiner der bekannten Strukturen erreicht, wie im Folgenden aufgezeigt wird.
Bei der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung wird die angestrebte Flexibilität bezüglich einer Realisierung von Bauelementen ausschließlich über die Parametrierung der neuen Struktur erreicht, wodurch eine große Einheit- lichkeit zwischen den realisierbaren Bauelementen entsteht. Dabei soll unter dem Begriff „Parametrierung" die wählbare Einstellung verschiedener Parameter der Struktur verstanden werden. Die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung ist als einheitliches Ausgangsmaterial in einer Grundanordnung universell anwendbar. Durch die wählbare Einstellung der inneren Struktur- parameter, wie beispielsweise Schichtdicke und Substratdotierung, können bekannte Auswirkungen hervorgerufen werden. Durch die Anzahl und Anordnung der Elektroden können unterschiedliche Bauelemente auch in elektrisch gekoppelter Form, beispielsweise mehrstufige logische Bauelemente konzipiert werden. Durch die Wahl der angelegten Spannung, des eingespeisten Stroms oder der herrschenden Temperatur als äußere Beaufschlagungsparameter können die Kennlinien und der partielle Arbeitspunkt der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung eingestellt werden. Jeder Punkt bzw. jede Pore in der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung hat anderes Potenzial. Die wesentlichen Parameter mit einem großen Einfluss auf das funktioneile Verhalten der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung stellen bei der Erfindung jedoch insbesondere die geometrischen Ausbildungen und Verteilung der Poren und der elektrisch leitfähigen Beschichtung dar. Dieser Einfluss erstreckt sich sogar auf die physikalische Funktionalität der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung, sodass sowohl ein elektronisches als auch ein optoelektronisches und/oder ein sensorisches Verhalten ausgeprägt werden kann, ohne dass die große Einheitlichkeit der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung verloren geht. Ausschlaggebend bei der Parametrierung ist stets, dass das funktionsgebende, stark ausgeprägte anisotrope Leitverhalten (vertikale Leitfähigkeit um mindestens den Faktor 106 höher als die horizontale Leitfähigkeit) der mit vertikalen, leitenden Poren versehenen und somit heterogenen anisotropen Schicht aus elektrisch isolierendem Material eingestellt wird. Dabei kann die Anisotropie intrinsisch oder künstlich aufgeprägt sein.
Die Bedeutung der Parametrierung kann noch hervorgehoben werden, wenn die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung als „TEMPOS"-Struktur be- zeichnet wird, wobei TEMPOSdas Akronym aus der Bezeichnung „Tunable Electronic Material with Pores On Semiconductors"" darstellt. Aus dieser Bezeichnung wird klar ersichtlich, dass die Poren (lonenspuren oder engl. „Tracks") in der elektrisch isolierenden Schicht (speziell Oxidschicht) das wesentlich Neue an der TEMPOS-Struktur sind, durch welche Ladungsträger aus dem darunterliegenden Substrat (speziell Silizium) extrahiert oder in dasselbe injiziert werden können. Das flexible Funktionsverhalten, insbesondere auch das Schaltverhalten, der TEMPOS-Struktur zeichnet sich speziell durch die Anwendung dieser zusätzlichen Ladungsträger, neben den influenzierten Ladungsträgern der klassischen Halbleiterverbundstruktur, aus, wobei es sich bei den zusätzlichen Ladungs-trägern sowohl um komplementäre Ladungsträger als auch um gleichartige handeln kann. Dabei wird die Migration der zusätzlichen Ladungsträger bei der TEMPOS-Struktur erfindungswesentlich nicht nur von den Poren, sondern insbesondere auch von der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht zwischen den einzelnen Poren und zu dieser hin ermöglicht. Hier ist erfindungsgemäß ebenfalls ein Belag aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, der allerdings aufgrund seiner Hochohmigkeit, die durch das Material selbst oder durch dessen Verteilung herbeigeführt werden kann, einen so hinreichend großen Widerstand zwischen den Elektroden ausprägt, dass nur die angesprochene zusätzliche Migration ermöglicht wird, Kurzschlüsse zwischen den Elektroden aber sicher verhindert werden. Eine alternative Niederohmigkeit auf der Oberfläche würde einen Kurzschluss zwischen den Elektroden herbeiführen, sodass die TEMPOS- Struktur nur eine stark eingeschränkte Funktion als Diode oder Sensor erfüllen könnte. Hingegen ist eine Niederohmigkeit in den Poren akzeptabel, wobei die ausführbare Funktion dann direkt von der genauen Größenordnung des gebildeten Widerstandes abhängt: Wenn der Widerstand klein genug ist, kann eine inverse Halbleitercharakteristik hervorgerufen werden, die auch bei der Ausprägung von Poren mit sehr großem Durchmesser auftritt. Andererseits ergibt sich bei einem sehr kleinen Porenwiderstand ein direkter Kurzschluss zwischen der Oberfläche und dem leitenden Substrat, sodass das Oberflächenpotenzial durch die Poren direkt an das des leitenden Substrats gekoppelt wird. Wenn der Oberflächenwiderstand größer als der Substratwiderstand ist, was der Normalfall ist, dann wird die elektronische Funktion der TEMPOS-Struktur im Wesentlichen nur durch den Substratwiderstand bestimmt, sodass hier die Funktion eines durch den Basiskontakt steuerbaren Widerstandes erreicht wird.
Neben dem Vorteil der umfassenden Parametrierung der TEMPOS-Struktur zur Erzielung größter Verwendungsflexibilität besteht auch noch der Vorteil der extremen Strahlungshärte. Aus der TEMPOS-Struktur hergestellte Bauelemente sind daher gegen Strahlungseinflüsse resistent. Wenn ein energie- reiches Teilchen, z.B. aus der kosmischen Strahlung oder der hochenergetischen Komponente des Sonnenwindes, die schmale Oxidschicht einer FET-Struktur durchdringt, erzeugt es eine Spur von Ladungen entlang seines Bewegungspfades, der dadurch elektrisch leitend wird. Dadurch können Durchbrüche stattfinden, die den Transistor wegen der sehr hohen fließenden Ströme und der damit verbundenen Temperaturspitzen zerstören können. Daher wird mit Nachdruck an der Erhöhung der Strahlungsfestigkeit von Dioden und Transistoren für die Raumfahrt, in Reaktor-, militärischen oder Hochleistungsumgebungen (z.B. Hochgeschwindigkeitszügen) gearbeitet. Ein Grund für die Strahlungsfestigkeit ist in dem bereits ursprünglichen Vorhandensein einer Vielzahl der mit einem elektrisch leitenden Material ausgekleideten Poren gebildeten elektrischen Leitungspfade (typischerweise ca. 107/cm2) durch die dielektrische Schicht aus einem elektisch isolierenden Material in der TEMPOS-Struktur zu sehen, sodass ein einzelner weiterer strahlungsinduzierter Pfad keine wesentliche Veränderung hervorruft. Zwar ist ein solcher neuer Pfad vorübergehend wesentlich leitfähiger als die lonenpfade der TEMPOS-Struktur mit ihrer hochohmigen Füllung, aber die zusätzliche, elektrisch leitende Oberflächenschicht mit ihrem hohen Widerstand wirkt automatisch als Strombegrenzer, sodass Kurzschlussströme verhindert werden. Der einzige sichtbare Effekt ist eine leichte und vorübergehende Änderung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelements. Selbst wenn ein solches Durchbruchereignis zu einem dauerhaften Kurzschluss führt, bedeutet dies lediglich, dass die genannte leichte Änderung in der Charakteristik dauerhaft bestehen bleibt. Auf Grund der „Pufferung" der internen Stromkreise durch die vielen hochohmigen Verbindungen in der Oberfläche und den Poren wird ein bedeutsamer Nachteil konventioneller Strukturen sicher vermieden.
Die Ausprägung des Belags aus elektrisch leitfähigem hochohmigem Material in und oberflächlich zwischen den Poren bei der Erfindung stellt eine Reihe von verschiedenen Parametern zur Verfügung, die für das funktioneile Verhalten der TEMPOS-Struktur verantwortlich sind. Dabei spielt zur Erreichung der vorgegebenen Potenzialverhältnisse die Verteilung des Materials eine große Rolle. Je nach Anwendungsfall kann das elektrisch leitende Material eine durchgehend oder strukturiert flächige oder insel- oder punktförmige Verteilung aufweisen, wobei auch Mischformen möglich sind. Deshalb kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das elektrisch leitfähige Material in Form von Nanoclustem mit wählbarer Größe ausgebildet und mit wählbarer Dispersionsdichte in die Poren eingebracht sowie auf die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht ist. Dabei können die Nanocluster in einem weiten Größenspektrum (multidispers) mit variierenden Cluster-Cluster- Abständen deponiert werden. Das "schmiert" die eigentlich bei Nanocluster- Übergängen zu erwartenden quantenelektronischen Effekte wegen ihrer individuell unterschiedlichen Größenordnungen und Abstände aus, sodass die die "klassischen" elektronischen Effekte zu beobachten sind. Durch ihre Verteilung können vorgegebene Potenzialverhältnisse einfach eingestellt werden. Ein größerer Abstand der Cluster zueinander ruft einen großen Ohmschen Widerstand hervor, der insbesondere das Fließen von Kurzschlussströmen verhindert, wohingegen eine hohe Clusterdichte einen geringen Ohmschen Widerstand mit einer hohen Ladungsdichte bedingt, der eine optimale Migration von Ladungsträgern ermöglicht. Die Parameter bei der Verwendung von Clustern sind also deren Größe, deren Zusammensetzung und deren Verteilung. Dabei ist der Einfluss der unterschiedlichen Parameter auf das funktioneile Verhalten der TEMPOS-Struktur für den Fachmann leicht nachvollziehbar und in den verschiedenen Anwendungen realisierbar.
Ein Belag mit besonders homogenen Eigenschaften ergibt sich, wenn alle Nanocluster des elektrisch leitfähigen Materials in demselben gewählten Größenbereich liegen. Alternativ können in die Spuren und auf die Oberfläche der TEMPOS-Struktur also auch monodisperse und äquidistante Nanocluster eingebracht werden, sodass die Quanteneffekte in jeder einzelnen Spur deutlich sichtbar werden und sich den klassischen Kennlinien überlagern. Durch die monodisperse Erscheinungsform kann eine homogene Verteilung der Cluster ohne gegenseitige Berührung einfach realisiert werden, sodass auch entsprechend homogene Eigenschaften hervorgerufen werden können. Dann wirken die geordneten Nanocluster längs der Spurenrichtung wie parallele Ketten aus Quantendots und es ergeben sich stufenförmige Strom- Spannungs-Charakteristiken, die durch die Theorie der Leitfähigkeit von Doppel-Barrieren-Strukturen unter Berücksichtigung von Coulomb-Blockade- Effekten und resonantem Tunneln von Einzelektronen bestimmt werden. Dadurch erweitert sich die Anwendungspalette von Bauelementen auf der Basis von TEMPOS-Strukturen erheblich. Als Nanopartikel in geätzten lonenspuren bieten sich auch metalldotierte Porphyren-Moleküle an, die in ihrer Größenverteilung monodispers sind und sich mehr oder weniger äquidistant anordnen lassen. Je nachdem, ob diese Moleküle mit Metallen ohne ungepaarte oder mit ungepaarten Spins dotiert werden, hat der elektrische Widerstand dieser Nanocluster-Ketten verschiedene Temperatur-Abhängigkeiten. Im ersten Fall steigt der Widerstand linear mit der Temperatur an, im zweiten Fall sinkt er zunächst stark, bevor er anschließend wieder schwach ansteigt. Damit ergibt sich also eine weitere Möglichkeit, die Parameter-Abhängigkeit von TEMPOS-Strukturen maßzu- schneidem.
Cluster lassen sich relativ einfach herstellen und in ihrer Größe und Zusammensetzung einfach variieren. Als Verfahren zur Herstellung monodisperser und aquidistanter Nanocluster auf planaren und in inneren lonenspur-Oberflächen kommen z.B. in Frage:
• Produktion von selbstorganisierenden Strukturen, die durch das Wechselspiel zwischen benetzenden und nicht benetzenden Flüssigkeiten (z.B. Monomeren, Polymerlösungen etc. zustande kommen können • Deposition einer kolloidalen Lösung von monodispersen Goldclustern
• Deposition von (relativ monodispersen - 7±3 nm) Cuθ2-Nanoclustem aus flüssiger Phase
• Deposition von Eisen-Nanopartikeln in regelmäßiger Anordnung
• Deposition von geordneten Drähten aus Pdδβ.Nin Core-Shell-Partikeln • Aufdampfen von Gold bei sehr tiefen (Flüssig-Stickstoff-) Temperaturen; evtl. vorheriges Beschichten mit organischen Filmen
Neben Nanoteilchen können auch Nanoröhrchen (Buckytubes) aus FuUerenen in den Poren ausgebildet werden, wobei bevorzugt ein Nickel-Nanokristall als Keim galvanisch auf das zuvor freigelegte Halbleitersubstrat eingebracht wird und darauf die Nanoröhrchen in den geätzten lonenspuren aufgewachsen werden. Dabei werden die Nanoröhrchen bevorzugt nicht aus einer Bogenentladung, sondern durch andere Techniken, z.B. aus einem Plasma, abgeschieden, um die Deposition zusätzlicher amorpher Kohlenstoff-Schichten zu reduzieren und eine solche Plasmaformung zu ermöglichen, dass die Nanoröhrchen-Deposition bevorzugt in den geätzten lonenspuren stattfindet. Dabei können die Nanoröhrchen aber nach der Art von Haaren auch aus den Poren herauswachsen. TEMPOS-Strukturen mit integrierten Buckytubes weisen nicht nur die üblichen TEM-POS-Eigenschaften auf, sondern verkoppeln damit auch mechanische und elektronische Eigenschaften der Nanoröhrchen. Zum Beispiel wird jede Bewegung der Nanoröhrchen zu einer Kapazitätsänderung des gesamten Bauelementes führen, was sich für Schaltvorgänge ausnutzen lässt. Damit können also z.B. feinste Beschleunigungen und Windströmungen gemessen werden (Anwendungen z.B. als Sonden im menschlichen Respirationssystem); das Bauelement ließe sich als Nanowaage verwenden (z.B. für Viren, Proteine u.a.), wobei jedes Nanoröhrchen als Waagebalken benutzt wird. Falls die Röhrchen lokal mit einem Isolator überzogen werden, lassen sich elektrostatische Felder damit ausmessen; ein lokaler Überzug aus magnetischem Material würde dieses Bauelement zum Sensor für magnetische Felder machen.
Es können auch Nanodrähte aus Selen, Tellur oder anderer Materialien in die lonenspuren eingebracht werden. Die mechanischen Änderungen der biegsamen Drähte können durch kapazitive Kopplung als elektronisches Signal aufgenommen werden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass Se und Te piezoelektrisch sind.
Für den Belag eignet sich jedes genügend hochohmige elektrisch leitfähige Material. Im Falle zu hoher intrinsischer Leitfähigkeit, d.h. falls das Material bei direkter Anwendung Kurzschlüsse verursachen würde, wie z.B. bei Metallen, lässt sich die Leitfähigkeit gezielt dadurch herabsetzen, dass das Material nicht homogen, sondern in Form räumlich voneinander getrennter disperser Cluster oder Tubes aufgebracht wird. Dann wird die Leitfähigkeit des Materials durch Schottky-Emission, Tunneling o.a. verursacht und liegt um sehr viele Größenordnungen unter der ursprünglichen Leitfähigkeit bei einem homogenen Auftrag. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das elektrisch leitfähige Material ein dispers verteiltes Metall (beispielsweise Silber, Wolfram, Kupfer oder Aluminiumkupfer), eine Halbleiterverbindung, (beispielsweise ein lll/V- Halbleiter wie GaAs oder ein ll/IV-Halbleiter wie CdS), ein Kohlenstoffallotrop (beispielsweise Diamant, Graphit, graphitähnlicher Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff und Fulleren (Buckyballs und Buckytubes)), ein oxidischer Halbleiter (beispielsweise ZnO, TiO2, SnO), ein leitendes Oxid (beispielsweise ITO (Indium-Zinn-Oxid)) oder eine Mischform davon ist. Auch Ferrofluide sind auf Grund ihrer elektrisch schlecht leitenden kolloiden Struktur einsetzbar. Insbesondere Silber lässt sich einfach in Clusterform abscheiden und stellt eine große Menge zusätzlicher Ladungsträger zur Verfügung. Mischformen aus unterschiedlichen Metallen vereinigen die positiven Eigenschaften der einzelnen Komponenten. Im Fall von genügend geringer Leitfähigkeit, das heißt ausreichender Hochohmigkeit, können an Stelle von dispers verteilten clusterförmigen Leitermaterialien auch durchgehende Schichten sehr hochohmiger Materialien wie Fullerit eingesetzt werden.
Weiterhin trägt der Belag aus elektrisch leitfähigem Material auch wesentlich zur Funktionsausprägung der Halbleiterstruktur nach der Erfindung bei. Dabei kann das elektrisch leitfähige Material durch ein für eine spezielle Substanz, insbesondere auch Feuchtigkeit oder Dampf, sensoraktives Material mit elektrischer Leitfähigkeit ergänzt oder ersetzt sein, sodass eine sensorische Funktionalität der TEMPOS-Struktur ausgeprägt werden kann, wodurch ein völlig neues Anwendungsgebiet für die TEMPOS-Struktur erschlossen wird. Durch das Ersetzen oder Ergänzen des elektrisch leitfähigen Materials, beispielsweise in der Ausprägung eines Metall- oder ITO-Belags, durch Sensormaterialien - auch hier sind beliebige Mischformen innerhalb des zusätzlichen Materials und zusammen mit dem elektrisch leitfähigen Material möglich - können geeignete Umwelteinflüsse zu direkten Änderungen des Schaltzustandes der TEMPOS-Struktur führen, ohne dass es dazu noch zusätzlicher Schaltungen bedarf. Als Beispiele können an dieser Stelle genannt werden :
a) Herstellen des elektrisch leitfähigen Belags aus diskreten Palladium (Pd)-Nanokristallen: Da der Ohmsche Widerstand von Pd von der inkorporierten Wasserstoff-Konzentration abhängt, wird die TEMPOS-Struktur in einen Wasserstoffsensor umgewandelt. Die Empfindlichkeit kann dabei noch durch das Aufbringen einer Schicht von ionenbestrahltem und geätztem Polycarbonat gesteigert werden, da dieses ebenfalls wasserstoff-sensorische Eigenschaften besitzt. Für Wasserstoffsensoren ergibt sich beispielsweise eine Anwendungsmöglichkeit bei Wasserstoff-Energiespeichern.
b) Verwendung eines hochohmigen, elektrisch leitfähigen Belags aus Buckminsterfullerit (C6o): Da sowohl der Ohmsche Widerstand von Cβo als auch die Kapazität von Fullerit-Schichten von Umgebungsfeuchte, Temperatur und optischen Bestrahlungsfluss abhängen, kann die TEMPOS-Struktur durch Einsatz von Fullerit beispielsweise zu Feuchte-, Temperatur-, Alkohol-, Azeton- und/oder Fotodetektoren führen. Die meisten dieser einzelnen Parameter können hierbei nicht nur getrennt, sondern auch gleichzeitig detektiert werden, da sie auf Grund unterschiedlichen Einflusses auf die jeweilige Bauelement- Charakteristik voneinander diskriminiert werden können. Zusätzlich ergibt sich hier noch die Möglichkeit, das entsprechende Bauelement auch als Spannungsquelle (Fotozelle, „Hygro-Zelle", „Organo-Zelle") zu betreiben, weil es nach Lichteinstrahlung bzw. nach Beladung mit Feuchtigkeit oder organischen Gasen elektrische Spannungen von etwa + 0.5 V bzw. -0.5 V aufbaut.
c) Ebenfalls besteht die Möglichkeit, die Leitfähigkeit des Fullerit-Belages durch lonenbestrahlung lokal oder vollständig von n- zu p-Leitung umzuwan- dein und so die Charakteristik der TEMPOS-Struktur- durch Einbau zusätzlicher pn-Übergänge gezielt zu tunen. Kombinierte Temperatur- und Feuchtesensoren finden Anwendung bei sehr vielen elektrischen und elektronischen Geräten und Maschinen in Industrie und Haushalt in Feuchträumen, wie z.B. bei Waschmaschinen, Klimaaggregaten, Pumpen, auf Schiffen, in Schwimmbädern, chemischen Fabriken, usw.
d) Verwendung eines hochohmigen elektrisch leitfähigen Belags aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen („Buckytubes"): Da sich sowohl der Ohmsche Widerstand als auch die Kapazität einer filzartigen Schicht aus Buckytubes bei deren mechanischer Deformation ändert, besteht hier die Möglichkeit, die TEMPOS-Struktur in Druck-, Akustik- und Bewegungssensoren anzuwenden. Derartige Sensoren finden z.B. Anwendungen in der Vakuum- und Hochdrucktechnik, Tonindustrie, Medizin, und Autoindustrie. Auf Grund der Möglichkeit, Buckytubes auch als Transistoren oder Lichtemitter einzusetzen, gibt es hier in Kombination mit der TEMPOS-Struktur noch weitere Anwendungen.
e) Inkorporation von unbestrahltem oder bestrahltem Phthalocyanin (Ptc)- Schichten in den elektrisch leitfähigen Belag. Damit kann die TEMPOS- Struktur je nach Auslegung der Ptc-Schichten als Sensoren für Alkohol, Methan, Erdgas u.a. angewendet werden. Es ergeben sich Anwendungs- möglichkeiten in der Erdgasindustrie von Förderungs- bis Haushaltsphase.
f) Belegung der inneren Wand geätzter längerer, schräg implantierter lonenspuren als Poren (vergleiche weiter unten) mit einem elektronenvervielfachenden Material wie z.B. Cäsiumjodid. Damit können die geätzten lonenspuren als Fotomultiplier eingesetzt werden, sodass mit der entsprechenden TEMPOS-Struktur eine Multikanal-Verstärkerplatte ausgebildet werden kann, wobei sämtliche Dimensionen um ein bis zwei Größenordnungen gegenüber den derzeit kommerziell erhältlichen Artikeln herabskaliert werden. Die durch die geätzten lonenspuren in das leitende Substrat (Silizium-Kanal) auftreffenden Elektronenschwärme werden in der dazugehörigen Bauelementschaltung in analoge elektronische Pulse umgewandelt, sodass das diese dann als Strahlungsdetektor eingesetzt werden kann. Die dramatische Größenreduktion ist besonders bedeutsam für Satellitenanwendungen im Weltraum und für transportable Systeme. Die auf Grund der geringeren Dimensionen reduzierte mittlere freie Weglänge der Elektronen in den lonenspuren als Elektronenvervielfacherkanäle ermöglicht es, die Ansprüche an das dazugehörige Vakuumsystem zu reduzieren, was zu weiterer Kosten- und Gewichtsersparnis führt. Weiterhin werden dadurch die Zeitdauern der elektronischen Pulse bis in den Picosekunden-Bereich hinein reduziert, sodass mit diesen neuartigen Detektortypen eine besonders schnelle Messelektronik realisiert werden kann.
g) Zusatz der sensorischen Werkstoffe in verkapselter Form. Wenn gleichzeitig auch die Kontaktierungen gut verkapselt werden, erreichen die herstellbaren Sensoren nach der Erfindung auch in flüssigen Medien, z.B. wässerigen Lösungen, gute Funktionsfähigkeit. Damit kann der Anwendungs- bereich wesentlich erweitert werden.
h) Inkorporation von flüssigkeitseingebetteten Ferrofluiden oder Magnetit- Nanopartikeln in geätzten Spuren als Poren. Da die Bindung der ferromag netischen Kolloide zu Ketten oder höherdimensionalen Gebilden und deren Orientierung innerhalb der lonenspuren empfindlich von extern angelegten Magnetfeldern abhängt, was seinerseits zu resistiven und kapazitiven Änderungen der Halbleiterverbindungsstruktur nach der Erfindung führt, ergibt sich hier die Möglichkeit der Konstruktion eines neuen Typs magnetischer Sensoren. In diesem Fall müssen die flüssigkeitsgefüllten lonenspuren allerdings noch verkapselt werden. Das kann z.B. durch oberflächlichen Auftrag einer Schicht von Wachs-Nanopartikeln und deren anschließendes Aufschmelzen zu einem kontinuierlichen, hermetisch abschließenden dünnen Film realisiert werden. Auf Grund der geringen Dicke der Wachsschicht ist in diesem Fall zumindest eine hinreichende kapazitive Stromkopplung schon bei Niederfrequenz-Betrieb gewährleistet. i) Auffüllung der lonenspuren und Belag der Oberfläche der TEMPOS- Struktur mit Aktuator-Materialien, z.B. Blei-Zirkon-Titanat, PZT, Polymerschäumen, Elastomeren und nematischen Gelen. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um piezoelektrische Materialien, die z.B. nach der Sol-Gel- Methode oder aus der Gasphase (z.B. durch Aufdampfen u.a.) deponiert werden können. Durch Einbringen von Aktuator-Materialien in die Poren und auf die Oberfläche können einerseits die Eingangssignale der Bauelemente auf Basis der TEMPOS-Struktur unmittelbar in eine mechanische Verformung oder Bewegung (z.B. in Schall) umsetzt werden (oder umgekehrt), andererseits ermöglichen es Aktuator-Schichten auch, Drücke oder Schallsignale in elektronische Signale umzusetzen. Der Vorteil der Kombination von Aktuatoren und TEMPOS-Strukturen liegt hierbei in der Fähigkeit der TEMPOS-Strukturen, auf Grund ihrer Komplexität als Mittler zwischen den verschiedenen physikalischen Größen zu fungieren, um so eine unmittelbare Umwandlung z.B. von Schall in Licht, von Licht in Druck, von Temperatur in Bewegung, von Feuchte in Verformung, von Schall in modulierte Radiofrequenzen oder Ähnliches umzusetzen und gleichzeitig die Signale stets elektronisch weiterzuverarbeiten.
j) Von besonderem sicherheitstechnischen Interesse sind außerdem elektrisch leitfähige Beläge für schaltbare chemische, biologische und medizinische Erkennungs- und Abwehrsensoren, die sich in analoger Weise in das Bauelement mit der parametrierten TEMPOS-Struktur integrieren lassen. Die entsprechenden Beläge können selbst noch sehr hochohmig sein, was die Auswahl der in Frage kommenden Materialien erheblich erweitert. Beispiels- weise lässt sich als Sensormaterial eine MoO3-Polypyrrol-Verbindung aus der Lösung in die Spuren einbringen, welche als Sensor für viele der gebräuchlichen Gase dient, z.B. für Formaldehyd, Methanol, Ethanol. Weiterhin können auch thermoresponsible Gele in die Poren eingebettet werden. Auf Grund ihrer maßgeschneidert einstellbaren Fähigkeit, unterhalb einer kritischen Temperatur zu schwellen, können sie auf diese Weise bis zu einer bestimmten kritischen Temperatur die Funktion der TEMPOS-Struktur in gewissem Maße durch Verschließen der Poren verhindern und erst oberhalb dieser Temperatur aktivieren. Derartige Sensoren wären z.B. als Brandmelder und für Haushaltsgeräte nützlich. In Kombination mit passenden Aktuatoren könnten auf diese Weise miniaturisierte Alarmgeber u. a. hergestellt werden.
k) Durch parallelen Einsatz geeigneter Sensormaterialien in einem gemeinsamen, die TEMPOS-Struktur aufweisenden Bauelement, kann eine gleichzeitige Messung vorgegebener Messgrößen (beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchte, Licht oder Chemikalien) sowohl auf resistivem als auch auf kapazitivem Wege durchgeführt werden. Aus dem Stand der Technik (vergleiche Veröffentlichung III von J. Wang et al. „Dual amperometric- potentiometric biosensor detection System for monitoring organophosphorus neurotoxins", Analytica Chimica Acta 49 (2002) 197-203) ist lediglich eine alternative resistive oder kapazitive Messung mit zwei verschiedenen Messanordnungen bekannt, bei der bei Bedarf die beiden getrennten Messwege miteinander verglichen werden, um so über Koinzidenz eine bessere Ansprechempfindlichkeit zu erzielen. Weiterhin können die Poren mit einem Komposit aus Gummi Arabicum und Chrom-Salzen mit einer Leitfähigkeit von ungefähr 10"6 S/cm gefüllt werden.
Die prinzipielle Arbeitsweise eines möglichen biologischen Sensors mit der parametrierten TEMPOS-Struktur kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen. Licht von speziellen fluoreszierenden Molekülen, z.B. von konjugierten Polymeren, die an die Struktur gebunden werden, wird durch bestimmte integrierte Moleküle („Quencher") unterdrückt. Kommt ein passendes biologisches Molekül, z.B. ein Antikörper, in Kontakt mit einem Quencher, so verbindet es sich mit jenem und verlässt mit ihm zusammen das fluoreszierende Molekül, das dann zu leuchten anfängt. Durch Wahl eines Fluoreszenz-Moleküls in einem für die elektrisch isolierende Schicht, passenden Wellenlängenbereich und durch den Einsatz speziell von Siliziumoxynitrid-Schichten (im Folgenden als „SiON" bezeichnet) lässt sich die Fotolumineszenz von SiON ausnutzen, sodass eine verstärkte Lichtemission einsetzt, die die biologische Detektionsempfindlichkeit weiter steigert. Der Gesamtwirkungsgrad der Fotozelle wird entsprechend gesteigert. Nach erfolgter Detektierung muss dieser Sensor-Typ allerdings durch Binden an neue Quencher-Moleküle wieder aktiviert werden. Zur Realisierung in Bauelementen mit der TEMPOS-Struktur werden konisch geätzte lonenspuren größeren Außendurchmessers (» 1 μm) im SiON vorgeschlagen, an deren Innenwände die Fluoreszenzmoleküle gebunden werden können und an die die biologischen Moleküle innerhalb ihres Zellverbandes vorübergehend andocken können. Die konisch zulaufende Struktur der Spuren bewirkt andererseits, dass an der Grenzfläche zur Substratschicht, beispielsweise Silizium, das erzeugte Fluoreszenzlicht konzentriert wird, sodass eine hohe Fotoeffizienz erzielt werden kann.
Um biologische Waffen aufzuspüren zu können, wird dasselbe Konzept wie bei der Ausbildung von TEMPOS-Strukturen als biologischem Sensor angewendet - mit dem Unterschied, dass der entsprechende Quencher auf die entsprechenden Viren, Bakterien, Pilze usw. maßgeschneidert sein muss. Bezüglich von Explosivwaffen können TEMPOS-Strukturen als „künstliche Nase" benutzt werden. Hier wird die Eigenschaft aller gebräuchlichen Sprengstoffe ausgenutzt, die sie wegen ihren hohen Gehaltes an metastabilen organischen Stickstoffverbindungen bei Zimmertemperatur stets einen gewissen Dampfdruck haben, sodass sie prinzipiell über ihre Abgasprodukte nachgewiesen werden können. Wenn also eine TEMPOS-Struktur mit einem entsprechenden Rezeptor versehen ist, an den diese Abgasprodukte andocken, und der seinerseits dabei genügend deutliche Änderungen seiner elektrischen Eigenschaften (beispielsweise Widerstand, Dielektrizitätskonstante, Polarisation, Ladungszustand) aufweist, so kann entsprechend ein Sprengstoff-Detektor hergestellt werden. Bei Giftgasen gilt dasselbe Prinzip. In allen Fällen kann zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit die entsprechend mit Rezeptoren modifizierte TEMPOS-Struktur auf ihren dafür optimalen Arbeitspunkt eingestellt werden. Dieser liegt in der Regel an der Grenze desjenigen Gebietes, bei dem lokale negative differenzielle Widerstände (s.u.) einsetzen. Dann kann schon eine sehr geringfügige Änderung der Arbeits- Spannung in Folge der Anwesenheit eines Waffenmaterials die Charakteristik in den lokalen Negativbereich verschieben, sodass in der Folge ein sehr großes Signal erzeugt wird.
Aus dem zuvor Beschriebenen wird auch die Bedeutung der zweiten großen Parametergruppe deutlich. Hierbei handelt es sich um die Dimensionierung und Verteilung der Poren in der elektrisch isolierenden Schicht. Variiert werden können neben der Verteilungsdichte noch der Porendurchmesser, die Eindringtiefe der Poren in die Schicht (die Poren können durchgängig oder als „Grundloch" gestaltet sein) und die Porenform (die Poren können zylindrisch oder auch konisch verlaufen. Für den Fachmann ist klar, dass sich durch eine entsprechende Auslegung dieser Parameter jeweils unterschiedliche Migrationsverhältnisse ergeben, die zu grundsätzlich anderen Funktionen der Verbundstruktur führen können. Weitere Parameter der TEMPOS-Struktur liegen im Bereich der elektrisch isolierenden Schicht und dem Halbleitersubstrat. Nach einer anderen Erfindungsfortführung ist es vorteilhaft, wenn das elektrisch isolierende Material eine Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumoxynitrid, oder ein Kohlenstoffallotrop oder ein Polymer, insbesondere Fotolack oder Kapton, ist. Dabei zeigt SiON insbesondere die bereits angesprochenen besonderen Fotolumineszenzeigenschaften, was in der Verwendung zu einer kräftigen Lichtemission infolge Elektrolumineszenz führt. Zu den Kohlenstoffallotropen zählen auch solche mit FuUerenen, die in besonderer Weise dotierbar sind, sowie Diamant- und diamantähnliche Schichten. Fotolack oder Kapton stellen eher herkömmliche Isolations- schichten dar, die sich aber einfach strukturieren lassen. Desweiteren kann nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung das Halbleitersubstrat sauerstoffarmes Silizium oder Czochralski-Silizium sein. Insbesondere bei letzterem ist seine hohe Kompensationsfähigkeit für Sauerstoff von Bedeutung. Weiterhin kann das Substrat nach den Funktionsvorgaben entsprechend dotiert sein. Viele der bei der TEMPOS-Struktur als elektrisch leitfähigem, aber hochohmig ausgeprägtem Belag und/oder Porenfüllung benutzten Materialien haben Sensoreigenschaften nicht nur für eine physiko-chemische Größe, sondern für mehrere davon. Deshalb kann es in Zweifelsfällen schwierig sein, ein von einer einzigen TEMPOS-Struktur in einem Bauelement emittiertes elektrisches Signal eindeutig einer bestimmten Quelle zuzuordnen. In diesen Fällen ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorteilhaft, wenn unterschiedliche parametrierte Bereiche, insbesondere hinsichtlich der Wahl des elektrisch leitfähigen Materials, die jeweils Spektren verschiedener physiko-chemischer Groessen abdecken, benachbart auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Somit können mehrere mit verschiedenen Belägen versehene TEMPOS-Strukturen gleichzeitig als Sensoren eingesetzt und deren Signale miteinander verglichen werden. Auch ist es dabei wichtig, auf des Vorzeichen des entsprechenden Sensorsignals zu achten. Die kombinierten Beläge können dann mit einer entsprechenden Auswerteelektronik versehen werden, sodass auf diese Weise Multifunktions-Sensoren ("künstliche Sinnesorgane") entstehen, die ein ganzes Spektrum verschiedener physiko- chemischer Größen gleichzeitig und mit hoher Zuverlässigkeit abzudecken im Stande sind. Ein einfaches Beispiel stellt eine TEMPOS-Struktur mit Silbercluster-Schichten dar, diese sind nur lichtempfindlich. Eine TEMPOS- Struktur mit elektrisch leitfähigen, aber hochohmigen Fullerit-Schichten ist hingegen empfindlich auf Licht, Feuchte, Alkohol- und Azetondämpfe, wobei Feuchte zu positiven, Licht und Organodämpfe hingegen zu negativen Signalen führen. Wenn also eine Fulleren-TEMPOS-Struktur, d.h. eine MOSBIT-Struktur, ein negatives Signal und gleichzeitig eine Silbercluster- TEMPOS-Struktur kein Signal liefert, so kann die Quelle eindeutig mit Organodämpfen identifiziert werden, Lichteinfall als Ursache scheidet aus. Umgekehrt ist bei gleichzeitigem Ansprechen beider Sensoren Lichteinfall mit Sicherheit anzunehmen; die zusätzliche Anwesenheit von Organodämpfen ist nun noch möglich, aber nicht sicher. Ein dritter, hier zu Vergleichszwecken herangezogener Sensor, z.B. TEMPOS-Struktur mit SnO-Belag, kann dann zur Entscheidung zu Rate gezogen werden. Wenn dieser anspricht, dann ist außer Lichteinfall auch Alkoholdampf vorhanden. Weiterhin ist es auch möglich, andere Parameter, beispielsweise die Porendichte, bereichsweise zu verändern.
Ein weiterer Parameter ist die konstruktive Ausgestaltung des leitenden Belages auf der Oberfläche der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material. Dabei sei eine Ausführungsform besonders erwähnt, bei der der Belag zwischen den beiden Oberflächenkontakten vollkommen unterbrochen ist, sodass eine durchgehende leitende Verbindung zwischen den beiden Oberflächenkontakten nur durch den vergrabenen leitenden Kanal im Halbleitersubstrat nahe der Grenzfläche zur Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material gegeben ist. Dieser Kanal wird durch den restlichen Oberflächenbelag und die leitenden lonenspuren hindurch angesteuert. Auch bei dieser Ausprägung handelt es sich um eine funktionsfähige Struktur, deren Kennlinien stark normalen Dioden-Kennlinien ähneln und durch Anlegen einer Gate-Spannung verschoben werden können. Derart aufgebaute Bauelemente auf der Basis der TEMPOS-Struktur zeichnen sich durch eine starke Lichtempfindlichkeit aus. Schon bei Bestrahlung mit Tageslicht werden sie in Sperrichtung sehr stark leitend, da der vergrabene Leitkanal im Unterschied zu den meisten herkömmlichen TEMPOS-Strukturen hier zum großen Teil gegenüber Lichteinfall nicht optisch abgedeckt, sondern freigelegt ist. Je nach Arbeitspunkt lassen sie diese Strukturen als Fotowiderstände oder als Fotodioden bzw. Fotozelle nutzen, deren Ansprechvermögen im Unterschied zu herkömmlichen lichtempfindlichen Baueelementen durch eine angelegte Gate- Spannung gesteuert werden kann.
Ein weiterer Parameter betrifft das Material der dielektrischen Schicht auf dem Halbleitersubstrat. Als Isolator-Material auf dem Halbleitersubstrat (i. A. Silizium) kommen nicht nur Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid, Diamant, Polymere, usw. in Frage, sondern auch poröses Aluminiumoxid (AI2O3). Hierzu kann Aluminium z.B. per Sputter-Deposition auf einen Silizium-Wafer aufgebracht und diese Schicht dann anodisch oxidiert werden. Bei der Oxidation des Aluminium wächst ein Material mit einer regulären Anordnung äußerst paralleler Poren auf, die typische Durchmesser von 20 nm bis 200 nm haben. Das AI2θ3-Wachstum kommt dann zur Ruhe, wenn das Aluminium auf den Silizium verbraucht ist. In diesem Fall, werden keine anschließende lonenim- plantation und Ätzvorgänge mehr benötigt. Die Poren des AI2O3 sind allerdings nicht bis zum Halbleitersubstrat durchgängig; es befinden sich darauf noch Reste der Aluminium-Beschichtung sowie eine dünne Aluminium-Oxidschicht. Weil letztere als Tunnelbarriere wirken kann, ist sie nicht unbedingt schädlich, sondern im Gegenteil wahrscheinlich geradezu nützlich für die Erzeugung quantenelektronischer Bauelemente auf der Basis der TEMPOS-Struktur (s.u.). In die Poren des Aluminiumoxids lassen sich dann wieder wie üblich unterschiedliche Materialien einbringen. Hierfür können zwar sehr hohe Prozesstemperaturen toleriert werden, nicht aber saure oder alkalische Medien, weil diese das Aluminiumoxid auflösen würden. Weiterhin lassen sich beispielsweise Buckytubes in die A^Os-Poren einwachsen, die als Sensor u.a. eingesetzt werden können (s.o.).
An Stelle von SiO2- oder SiON-Schichten mit eingebrachten geätzten lonenspuren können auch sogenannte "molekulare Siebe" auf das Halbleitermaterial aufgebracht werden, wie z.B. mesopores Siliziumdioxid, welches ein regelmäßigen Muster aus 2,7 nm breiten Poren enthält. In diese Nanokanäle kann (halb)leitendes Material eingebracht werden, z.B. durch galvanische Techniken. Je nachdem, ob die Nanokanäle benetzbar oder nicht benetzbar sind (durch Inkorporation von entsprechenden organischen Filmen), entstehen Nanodrähte oder Nano-Perlenketten ("nanonecklaces"), die verschiedene Parameterabhängigkeiten ihrer Leitfähigkeit aufweisen. Auch Porphyrene lassen sich dafür im Prinzip nutzen.
Weiterhin weist die TEMPOS-Struktur bei bestimmten konstruktiven Anordnun- gen, insbesondere bei relativ schmalen Porendurchmessern, Metall-oder
Chalkopyrit-Clustern (z.B. Ag- oder CdS-Nanopartikel), in den Poren und auf der Oberfläche der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, lokale Instabilitäten ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik auf. Dieser Effekt ist möglicherweise die Konsequenz des quantenelektrischen Effekts und oft mit Lichtemission gekoppelt. Diese Instabilitäten können sich als leichtes Rauschen bemerkbar machen, welches oberhalb einer bestimmten Stromstärke einsetzt. Das Rauschen besteht hiebei aus kleinen Spitzen in der Charakteristik, welche zu kleineren Spannungen bei höherem Strom tendieren. Gelegentlich sind diese Spitzen in der Strom-Spannungs-Charakteristik an einem gewissen Punkt äußerst stark ausgeprägt. Dies ist ein Verhalten, das dem von Esaki-oder Tunnel-Dioden sehr nahe kommt. Schließlich kann auch oberhalb einer bestimmten Schwell-Spannung der Strom dramatisch ansteigen, ohne sich bei einem höheren Wert wieder zu stabilisieren. Der Stromanstieg ist von einer gewissen Reduktion der Spannung begleitet, sodass das Bauelement einen sehr starken ausgeprägten negativen differenziellen Widerstand besitzt. Im Arbeitspunkt, der in elektronischen Schaltungen durch eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom eingestellt wird, ist der Widerstand zwar positiv, bei einem kleinen (differenziellen) Spannungszuwachs sinkt der Strom allerdings. Für kleine überlagerte Wechselströme oder Wechselspannungen wirkt das entsprechende Bauteil dann wie ein kleiner negativer Widerstand. Diese Poren-basierenden Strukturen mit lokalem negativem differenziellem Widerstand kann treffend mit dem Akronym: "NERPOS" = "NEgative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors" bezeichnet werden. Jede Struktur mit lokalem negativem differenziellem Widerstand lässt sich bekanntlich zum Bau von z.B. Verstärkern, Flip-Flops für den Einsatz in Digitaltechnik und Oszillatoren ein- setzen. Da es bislang vor allem nur Esaki- oder allgemein Tunnel-Dioden als Bauelemente mit negativem Widerstand auf dem Markt gab, war diese Anwendungspalette bisher jenen vorbehalten. Nun kann dieses Gebiet auch von aktiven NERPOS-Bauelementen mit Nanopartikel erschlossen werden.
Ein weiterer Parameter der TEMPOS-Struktur ist die Ausprägung der Elektroden. In der Grundanordnung sind an zwei Stellen auf der Oberseite und an einer Stelle auf der Unterseite der TEMPOS-Struktur Elektroden zur Kontaktie- rung vorgesehen. Die so aufgebaute Halbleiterverbundstruktur kann dann als Bauelement auf der Basis der TEMPOS-Struktur mit je nach Parametrierung eingestellter Funktion benutzt werden. Weiterhin ist es bezüglich der Elektrodenanordnung möglich, das klassische Feldeffekt-Transistor-Konzept mit dem Konzept der TEMPOS-Struktur zu kombinieren. Dazu müssen lediglich auf der Oberseite der TEMPOS-Struktur noch eine Quellen-Elektrode (Source- Elektrode) und eine Senken- Elektrode (Drain- Elektrode) vorgesehen werden. Diese Elektroden können zum einen direkt auf dem dotierten Halbleitersubstrat angeordnet sein, indem dort zuvor die angrenzende Schicht aus elektrisch isolierendem Material mit dem hochohmigen Belag (z.B. Fullerit oder disperse Nanokristalle) entfernt worden ist. Allerdings erfordert das wie bei FET-Transistoren eine zusätzliche Dotierung im Source- und Drain-Kontaktbereich, um dort im Halbleiter eine leitende Zone herauszubilden. Dieser Aufwand kann vermieden werden, wenn die Source- und Drain- Elektroden durch dünne hochleitende lonenspuren in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material direkt in das Bauelement auf Basis der TEMPOS-Struktur integriert werden, da dann bereits durch Induktion der intrinsischen Ladungsträger in der Oxidschicht die Silizium-Grenzschicht leitend wird. Mit der genannten Kombination lassen sich die Eigenschaften beider Bauelemente nutzbringend vereinen. So kann der Strom von der Source-Elektrode zur Drain- Elektrode durch jede der drei Grundelektroden v, w, und/oder o als Steuer- Elektrode (Gate) gesteuert werden. Auch kapazitive oder resistive Veränderungen der hochohmigen leitenden Schicht auf der Oberseite des Bauelementes auf Basis der TEMPOS-Struktur beeinflussen den Source- Drain-Strom. Umgekehrt kann durch eine Ladungsträger-Injektion von Source oder Drain die TEMPOS-Charakteristik beeinflusst werden. Das ermöglicht den Aufbau sehr komplexer logischer Schaltungen innerhalb eines einzelnen Bauelementes.
Weiterhin können die mit einem halbleitenden oder leitenden Material ausgefüllten Poren in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auch mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht begrenzt werden, sodass Tunnelbarrieren entstehen und quantenelektronische Nanobauelemente auf der Basis von Tunneleffekten erhalten werden können. Dabei kann die dünne Isolatorschicht auf unterschiedliche Arten hergestellt werden.
Nach Anätzen einer durchgehenden lonenspur in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material wird das innerhalb der lonenspur freigelegte Halbleitersubstrat, z.B. Silizium, bei definierter Temperatur und Zeit oxidiert, sodass sich an der Substratoberfläche im Bereich der lonenspur ein sehr dünner Oxidfilm definierter Dicke - typischerweise zwischen 1 nm und 5 nm - herausbildet. Beim längeren Arbeiten in normaler Atmosphäre kann sich das freigelegte Halbleitersubstrat am Boden geätzter lonenspuren schon durch natürliche Korrosionsvorgänge in eine genügend dicke Oxidschicht umwandeln. Anstatt eine dünne Isolatorschicht auf dem Halbleitersubstrat durch Oxidation zu erzeugen, kann alternativ die ganze geätze lonenspur mit einem 1 bis 5 nm dünnen Isolatorfilm ausgekleidet werden, was z.B durch Deposition eines Lackes aus Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyren (PS) o.a. erfolgen kann. Weiterhin kann die lonenspur in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material (Dielektrikum) nicht bis zum Halbleitersubstrat durchgeätzt, sondern der Ätzvorgang kurz vor dem Durchbruch unterbrochen werden, sodass zwischen der Spurspitze und dem Halbleitersubstrat ein Abstand von etwa 1 nm bis 5 nm bleibt („Grundlochporen"). Dieser Zustand lässt sich während des Ätzvorganges durch Messungen der Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat und der ätzmittelgefüllten lonenspur kontrollieren. Als weitere Herstellungsalternative kann das Dielektrikum auch zweischichtig aufgebaut sein, wobei die auf auf dem Halbleitersubstrat aufliegende 1 nm bis 5 nm dünne Schicht schwer ätzbar ist (z.B. aus Siliziumoxynitrid SiON) und eine darüber liegende, wesentlich dickere Schicht (z.B. aus SiO2) leichter ätzbar ist. Dann wird der Spurenätzvorgang mit einem schwachen Ätzmittel bei Erreichen der Grenzschicht zum Stillstand kommen, sodass geätzte Spuren mit einer restlichen Isolatorschicht vor den Halbleitersubstrat entstehen. Anschließend werden die Poren der derart hergestellten Strukturen mit leitenden Materialien aufgefüllt. Das Material kann hochohmig oder nieder- ohmig sein. Die Oberfläche der Struktur wird mit einem hochohmig leitendem Material bedeckt - vorzugsweise mit demselben Material wie in den geätzten Spuren, falls diese hochohmig sind. Die Verwendung von gut leitenden Materialien führt zu anderen Strom/Spannungs-Charakteristiken. Somit können je nach dem gewählten Widerstand der Materialien die Strukturen unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen. Die Kontaktierung kann durch zwei Kontakte auf der Oberfläche der Struktur und einen Rückkontakt auf dem Silizium in der gleichen Weise erfolgen, wie es bereits bei verschiedenen Bauelementen auf Basis der TEMPOS-Struktur beschrieben wurde. Im Fall, dass die in die geätzten lonenspuren eingebetteten Leiter aus dispersen, (halb-)leitenden Nanokristallen bestehen, gibt es eine weitere Herstellungsmöglichkeit. Die Nanokristalle können vor dem Einfüllen in die lonenspur mit einer Isolationsschicht umgeben werden (core-shell-Strukturen), sodass sie anschließend nie einen direkten leitenden Kontakt zum Halbleitersubstrat haben. In diesem Fall kann die Ausbildung einer Tunnelschicht in den Spuren entfallen. Diese kann auch entfallen, wenn bei der Ausbildung von Grundlochporen (s.o.) in die verbleibende durchgängige Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen den Poren und dem Halbleitersubstrat leitende Nanocluster, beispielsweise durch lonendeposition, integriert werden. Es bildet sich dann ober- und unterhalb der Nanocluster jeweils eine Tunnelbarriere bezüglich der darüberliegenden Pore aus. Durch diese Maßnahme kann die Struktur eines Einzelelektrontransistors (SET) in die TEMPOS-Struktur integriert werden. Auf diese Weise werden die Charakteristiken jeder Einzelspur viel definierter, sodass auch die Gesamtcharakteristik des Bauelementes auf Basis der TEMPOS-Struktur wesentlich besser reproduzierbar wird. Das gilt insbesondere für TEMPOS-Bauelelemente mit negativen, differenziellen Widerständen. In diesem Fall wird die klassische Gate-Steuerung durch die kombinierte Steuerung zweier existierender Kontakte übernommen. Im Fall, dass die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aus Diamant oder Polysilanen besteht, (sodass die lonenspuren eine intrinsische Leitfähigkeit besitzen, also nicht mehr mit leitendem Material aufgefüllt werden brauchen), kann für die Herstelllung nur ein zweischichtiges Dielektrikum verwendet werden (1 nm bis 5 nm SiO2, SiON, Lack o.a.) und dickere Schicht aus Diamant, Polysilan o.a.). Nach der Schwerionenbestrahlung weisen die lonenspuren der Doppelschicht dann die Struktur:(SiO2l SiON o.a.) / (sp2- haltiger Kohlenstoff, SiC o.a.) auf, bestehen also aus einem dünnen Isolatorfilm zwischen dem Halbleitersubstrat und der schlecht leitenden lonenspur.
Die derart auf verschiedene Weise zwischen dem Halbleitersubstrat und dem auf dem Halbleitersubstrat aufgebauten leitenden Kanal eingebrachten 1 nm bis 5 nm dünnen Isolatorschichten dienen als Tunnelbarrieren. Deren Theorie ist seit Jahrzehnten bekannt; sie sind seit etwa einem Jahrzehnt in den Brenn- punkt der elektronischen Forschung gerückt. Es handelt sich bei den obigen Vorschlägen also um Strategien, in (halb)leitende null- bzw. eindimensionale Strukturen Tunnelbarrieren einzufügen, um auf diese Weise die Effekte des Tunneling oder gar Coulomb-Blocking zu erhalten. Diese Strukturen können einerseits für sich alleine in einzelnen lonenspuren realisiert werden (was für die Nanoelektronik zur Erzielung hoher Bauelement-Dichten vorteilhaft ist), es können mehrere in einem Pixel mit Hilfe einer schachbrettartigen Kontaktierung angesprochen werden oder es können sehr viele (typischerweise einige 106 bis 108/cm2) gleichartige Bauelemente parallel zusammengefasst und gleichzeitig kontaktiert werden.
Mittlerweile ist außerdem bekannt, dass in Buckytubes eingebrachte Defekte wie z.B. Knicke u.a., wie Tunnelbarrieren wirken. Bei Buckytubes mit zwei benachbarten Defekten (z.B. zwei Knicken) lässt sich Coulomb-Blocking ermöglichen, sodass Tunneldioden konstruierbar werden. Bereits weiter oben wurde das Aufwachsen von Buckytubes in den Poren erwähnt. Durch den Einbau von Defekten in die Buckytubes während geeigneter Momente in ihrer Wachstumsphase (z.B. durch kurzfristiges Einbringen von Fremdatomen in die Röhrchen durch Aufdampfen während ihres Wachstumsprozesses) können gezielt Tunnelbarrieren in jene eingebracht werden. Damit lassen sich dann auf der Basis von Buckytubes Tunneldioden bzw. SET-ähnliche Strukturen innerhalb von lonenspuren erstellen. Alternativ können Buckytubes nach ihrem Herauswachsen aus geätzten lonenspuren (oder anderen Poren) zur Herstellung von Tunnelbarrieren geknickt und oberflächlich kontaktiert werden. Dabei können die Buckytubes bis zu Längen von μm oder mm aus den lonenspuren herauswachsen. Dann können sie einerseits als Antennen für sehr kurze Mikrowellen bzw. sehr langwelliges Infrarot, andererseits als feine Resonatoren für Ultraschall sehr hoher Frequenz benutzt werden. Im letzten Fall erfolgt die Übertragung der mechanischen Vibrationen in elektrische Signale durch Änderungen der Kapazität des Systems (Buckytube - Kontakte in der lonenspur). Schließlich können die Buckytubes auch mit nano- oder mikroskopischen Objekten (wie z.B. Zellen oder Enzymen) bedeckt werden, was zur Änderung der Eigenschwingungsfrequenz der Nanoröhrchen führt. Diese Frequenzänderungen sind prinzipiell elektronisch messbar. Damit lassen sich die Buckytube-Ionenspur-Bauelemente als biologische Sensoren nutzen (vergleiche auch weiter oben).
Das Verfahren zur Herstellung einer parametrierten TEMPOS-Struktur umfasst grundsätzlich folgende Verfahrensschritte :
I. Aufbringen einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf ein p- oder n-dotiertes Halbleitersubstrat II. Erzeugung von Dotierungskanälen in der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material
III. Aufbringen eines Belages aus einem elektrisch leitfähigen Material in den
Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden
Material und IV. Aufbringen von Elektroden auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden
Material und dem Halbleitersubstrat. Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte mit an sich bekannten Methoden durchgeführt werden. Insbesondere der Verfahrensschritt I, in dem eine elektrisch isolierende Oxidschicht durch herkömmliche thermische Oxidation hergestellt werden kann, kann jedoch auch bevorzugt mittels einer Plasma-Chemical-Vapor-Deposition bei einer Prozesstemperatur in einem Temperaturbereich von 200°C bis 300°C durchgeführt werden. Der bei dieser Depositionstechnik, bei der das Material aus dem Plasmazustand abgeschieden wird, moderate Temperaturbereich führt zu einer erheblichen Energieersparnis. Hierbei kann durch genaue Einstellung der Plasma-Parameter die genaue stöchiometrische Zusammensetzung der bevorzugt herzustellenden, lichtemittierenden SiON-Schicht bestimmt werden, was sowohl die gegebenenfalls benötigte Ätzbarkeit als auch die Lumineszenz-Ausbeute bestimmt. Weiterhin wird keine Vakuum- und Reinraumtechnik zur Herstellung der TEMPOS-Struktur benötigt, was sich ebenfalls kostensenkend auswirkt.
Die Dotierungskanäle in Verfahrensschritt II können beispielsweise herkömmlich durch masken behaftete oder maskenfreie Lithographieverfahren, beispielsweise mit einem Elektronenstrahl, hergestellt werden, wobei hier untere Strukturgrenzen im Bereich von 100 nm erreicht werden. Deshalb kann bevorzugt der Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen als nanoskalierte Poren mit wählbarer statistischer Verteilung in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform mittels Bestrahlung der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material mit hochenergetischen Schwerionen durchgeführt werden, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Bestrahlungspara- metereinstellbar sind. Durch Anwendung von lonenstrahlung können insbesondere nanoskalierte Poren mit hoher Präzision relativ einfach hergestellt und in industriellem Maßstab vorkonfektioniert werden. Dabei kann zum einen direkt durch die lonenbestrahlung eine Umwandlung des nichtleitenden Materials in leitendes Material im Bereich der Poren erfolgen, beispielweise bei einer Umwandlung von elektrisch nichtleitendem Kohlenstoff mit sp3-Struktur (Diamantstruktur) in elektrisch leitenden Kohlenstoff mit sp2- Struktur (graphitähnlicher Struktur). Weiterhin kann nach einer vorteilhaften Erfindungsweiterbildung im Verfahren aber auch vorgesehen sein, dass im Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen ein an die Bestrahlung anschließendes Ätzen der lonenspuren durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Ätzparameter, insbesondere der Ätzdauer, einstellbar sind. Damit können die Porenparameter sowohl durch die Bestrahlung als auch durch die Ätzung eingestellt werden.
Bei der Bestrahlung der aus einem elektrisch leitenden Substrat und einer elektrisch isolierenden Schicht aufgebauten Struktur, beispielsweise SiO2/Si oder SiON/Si-Strukturen, mit hochenergetischen Schwerionen richtet sich die Wahl der lonensorte und der lonenenergie nach der durch das anschließende Ätzen zu erzielenden Spurengeometrie für die herzustellenden Poren. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Porenherstellung durch lonen- bestrahlung, für die ein Teilchenbeschleuniger erforderlich ist, durch eine bevorratende Halbzeugherstellung überraschend preiswert - insbesondere auch gegenüber herkömmliche Herstellungsverfahren - durchgeführt werden kann. Beispielsweise ergeben sich bei angenommenen Kosten von 1000 € pro Stunde Strahlzeit an einem typischen Schwerionenbeschleuniger mit einem Strahlfluss von 109 Ionen/s für eine Bestrahlung einer Waferscheibe mit 10 cm Durchmesser zur Erzeugung von 107 lonenspuren pro cm2 Kosten von nur ungefähr 20 Cent. Bei sehr schweren Projektilionen (z.B. Xe, Au) und hohen Energien (ungefähr hunderte von MeV bis einige GeV) können durch anschließende Ätzung in geeigneten Materialien wie SiON Poren mit nahezu zylindrischer Geometrie erzeugt werden, bei Projektilionen mittlerer Ordnungszahl (z.B. Ar, Kr) und geringeren Energien (ungefähr dutzende von MeV bis ungefähr 100 MeV) werden die Ätzstrukturen nadeiförmig (konisch) bzw. trichterförmig. Mit sehr leichten Projektilionen ist das Herausätzen besonderer Strukturen nicht möglich. Die lonenbestrahlung kann, je nach der Anwendung, entweder die ganze Oberfläche bedecken oder mit Hilfe von Lithographie zweidimensional strukturiert werden. Dabei kann die Strukturierung beispielsweise eine Zuordnung der Poren zu den anzubringenden Elektroden auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorsehen. Das Ätzmittel beim gegebenenfalls nachfolgenden Ätzen der lonenspuren ist üblicherweise Flusssäure, die Wahl der Ätzmittel-Konzentration und Ätzdauer richtet sich nach dem zu ätzenden Material (beispielsweise SiO2, SION) und dessen genauer chemischer Zusammensetzung. Je nach Anwendung kann die lonenspur durch Variation der Ätzdauer auf ganzer Länge, d.h. bis hin zur Substrat-Grenzschicht, oder nur teilweise als nadeiförmiger Hohlraum angeätzt werden, beziehungsweise kann die lonenspur auf verschiedene Durchmesser geöffnet werden. Durchdringen die Poren die elektrisch isolierende Schicht nicht vollständig, erfolgt eine Ladungsträgerinjektion primär in die elektrisch isolierende Schicht, was insbesondere bei SiON zu einer erhöhten Lichtausbeute führt. Dieses Konzept ist daher insbesondere für optoelektronische Bauelemente geeignet. Die Ätzdauer bestimmt somit über Porenlänge und -durchmesser die Funktionsweise der daraus entwickelten Strukturen beispielsweise als npn- oder pnp-Transistoren. Daher lassen sich bei der TEMPOS-Struktur erstmals typische Strukturen anders als durch Dotieren mit Fremdatomen herstellen.
Für eine extreme Miniaturisierung und höhere Porendichte bei den Bauele- menten auf Basis der TEMPOS-Struktur ist in Zukunft eine genaue Poren- Positionierung unerlässlich; die übliche statistische Porenverteilung in der TEMPOS-Struktur ist hier nicht ausreichend. Hierzu kann beispielsweise entweder die zukünftige Nanolithographie benutzt werden; jedes Ion mit einem passenden Ablenksystem einzeln auf das Bauelement auf Basis der TEMPOS- Struktur geschrieben werden oder poröses Aluminiumoxid direkt oder als Maske eingesetzt werden für die lonenbestrahlung auf die dielektrische Schicht auf dem Halbleitersubstrat.
Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen, aber hochohmigen Schicht gemäß Verfahrensschritt III, insbesondere auf die SiO2- bzw. SiON-Schicht und in die geätzten lonenspuren, kann beispielsweise durch Silber-Bedampfung oder chemische Deposition von Silber oder einem anderen leitfähigen Material erfolgen. Möglich ist auch eine Abscheidung aus der flüssigen Phase über ein entsprechend eingestelltes Kolloid. Beim Aufbringen soll der Belag in seiner Leitfähigkeit so eingestellt sein, dass er einerseits gute Ladungsinjektion durch die lonenspuren in das darunterliegende Si ermöglicht, andererseits aber einen nicht vernachlässigbaren Widerstand an der Oberfläche aufweist, sodass Mehrfachkontaktierungen an der Oberfläche ohne Kurzschluss zwischen diesen Kontakten möglich sind („Teilleitfähigkeit"). Als geeignete leitfähige Schicht sind z.B. dispers verteilte Nanocluster aus Metall oder leitenden Oxiden, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), möglich - letzteres wegen der Transparenz von ITO speziell für optische Anwendungen. Die teilleitfähige Schicht kann, je nach der Anwendung, entweder die ganze Probe bedecken oder mit Hilfe von Lithographie zweidimensional strukturiert werden. Abschließend wird in Verfahrensschritt IV die hergestellte TEMPOS-Struktur an den für die gewünschte Funktionsweise strategisch geeigneten Stellen in bekannter Weise kontaktiert und elektrisch verbunden. Je nach der geometrischen Anordnung der Poren, der leitenden Schichten und der elektrischen Kontakte kann somit ein Übergang von der einfachen analogen oder digitalen Schaltungstechnik auf mehrstufige Logik-Bauelemente erfolgen.
Analog zu einer kombinierten TEMPOS-Struktur mit bereichsweise veränderten Parametern ist es gemäß einer Verfahrensausgestaltung auch vorteilhaft, wenn im Verfahrensschritt III unterschiedliche Beläge aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material aufgebracht werden. Somit können in ihren Parametern nahezu beliebig gewählte und kontinuierlich und/oder diskontinuierlich verlaufende TEMPOS-Strukturen hergestellt werden.
Ein besondere Vorteil der parametrierten TEMPOS-Struktur ist ihre erhebliche Universalität und Flexibilität, die zur Ausprägung der unterschiedlichsten Bauelemente, auch mit unterschiedlichen physikalischen Funktionsprinzipien, aber trotzdem zu einem einheitlichen Erscheinungsbild führt. Die neue TEMPOS-Struktur ist als einheitliches Ausgangsmaterial für die praktische nanometrische Realisierung von elektronischen und optoelektronischen Basisbauelementen in aktiver und passiver sowie in analoger wie auch digitaler Ausführungsform geeignet wie beispielsweise Transistor, SET (Single Electron Transistor), FET (Feld Effect Transistor, auch verbunden JFET), Verstärker, Generator, Oszillator, Flip-Flop- Speicher, Widerstand, Stromsteuerwiderstand, Kapazität, Diode, S-Tunneldiode, Thermowiderstand, Thermokapazität, Optowiderstand, Optokapazität, Fotodiode, Bipolar(foto)transistor, Fotozelle, Leuchtdiode, Hygrowiderstand, Hygrokapazität, Hygrodiode, Hygrozelle, Orga- nogas-Widerstand, Organogas-Kapazität, Organogas-Diode, und Organo- gaszelle. Eine vorteilhafte Anwendung der parametrierten TEMPOS-Struktur ist daher gekennzeichnet durch eine Funktion als elektronisches, aktives oder passives Bauelement in einer einfachen Schaltungsanordnung mit einer möglichst geringen Anzahl von zusätzlichen Schaltelementen, insbesondere in einer Ausbildung als Transistor, Kondensator, Widerstand, Verstärker oder Schwingkreis (Hochfrequenzbauelement), als optoelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Lichtemitter oder Lichtdetektor, als hygroelektronische Bauelement, insbesondere in der Ausbildung als Hygrozelle, oder als sensorisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Sensorzelle, als digitales Bauelement, insbesondere als Flip-Flop, oder als Kombination dieser Bauelemente, wobei die jeweilige funktionelle Ausprägung durch die Parametrierung der TEMPOS-Struktur, insbesondere durch die Ausprägung der Dotierungskanäle in Form von Poren und dem Belag aus dem elektrisch leitenden Material in Form von Nanoclustem, sowie durch eine partielle Einstellung des Arbeitspunktes durch Variation der Beaufschla- gungsgrößen und durch die Anordnung der Elektroden ausgebildet wird. Spezielle Ausführungsbeispiele werden im speziellen Beschreibungsteil gegeben.
Grundsätzlich zeigt die TEMPOS-Struktur nicht nur passive sondern auch aktive Eigenschaften. Bei realisierten elektronischen Bauelementen mit passiven Eigenschaften werden vorhandenen Signale unter üblicher
Abschwächung der Signale modifiziert, bei aktiven Bauelementen werden Signaje erzeugt und Verstärkerfunktionen generiert. In allen realisierten Schaltungen zeigt sich gegenüber konventionellen Schaltungsanordnungen ein erheblich verringerter Bedarf an zusätzlichen Schaltungslementen. Die TEMPOS-Struktur zeigt einen echten Transistor-Effekt. Somit kann die TEMPOS-Struktur vorteilhaft je nach ihrer konstruktiven Auslegung sowohl als aktives als auch als passives elektronisches Bauelement eingesetzt werden. Es gibt Parameterkombinationen (beispielsweise bei: nicht Fotolumineszentem SiON auf p-Si; lonenspuren 50 s geätzt, mit Ag-Clustem), die zu Charakteristiken mit stark negativen Widerständen führen. Diese Parameterkombination ist Fotoresistiv, d.h. Lichteinfall bedeutet Aufsteilung der Iv/Vvw-Charakteristik, sodass die Verstärkung stark ansteigt. Von einer kritischen Lichtintensität ab, beispielsweise zwischen Tageslicht und Licht eines 1 mW-Lasers, wird der Widertand positiv und die Verstärkung bricht zusammen. Auf Grund der sehr steilen Charakteristik reagiert das Bauelement also extrem empfindlich auf kleinste Unterschiede in der Lichtintensität, sodass sich hier die Konstruktion eines sehr empfindlichen Fotometers anbietet. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind analoge und digitale bidirektionale Verstärker mit der TEMPOS-Struktur als Entdämpfungsglied im Sinne einer Tunnel- oder Esaki-Diode unter Ausnutzung des fallenden Teils des Kennlinienverlaufes. Diese Bidirektionalität stellt einen besonderen Vorteil dar : mit einem herkömmlichen Transistor funktioniert eine Schaltung nur in unidirektional, z.B. vom Mikrofon zum Lautsprecher. Mit einem auf der TEMPOS-Struktur basierenden Bauelement kann auch die umgekehrte Richtung vom Lautsprecher zum Mikrofon genutzt werden. Eine weitere Anwendung, die sich aus der aktiven Verstärkerfunktion ergibt, stellt beispielsweise ein Oszillator dar. Weiterhin weisen Ausführungsformen auf der Basis der TEMPOS-Struktur mit engen, mit metallischen oder halbleitenden Güstern gefüllte Poren lokal einen differenziell negativen Widerstand auf (NERPOS). Durch dieses Verhalten können digitale Bauelemente, beispielsweise Flip- Flops und Speicher, konzipiert werden, sodass auch die Digitaltechnik als Anwendungsgebiet für die TEMPOS-Sruktur in Frage kommt. Ausbildungsformen der Erfindung werden zu deren weiteren Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau der Halbleiterverbundstruktur nach der
Erfindung (TEMPOS-Struktur) mit durchgehenden zylindrischen Poren im Querschnitt, Figur 2 eine SEM-Aufnahme einer gemäß Figur 1 hergestellten TEMPOS-Struktur
Figur 3 den prinzipiellen Aufbau der TEMPOS-Struktur mit nicht- durhgängigen, konischen Poren, Figur 4 eine Prinzipskizze der elektronischen Funktionsweise einer erweiterten TEMPOS-Struktur, bei der Quellen- und Senken- kontakte integriert sind,
Figur 5 ein erstes Äquivalenznetzwerk eines Bauelements aus der
TEMPOS-Struktur,
Figur 5A ein zweites Äquivalenznetzwerk eines Bauelements aus der
TEMPOS-Struktur mit negativem differenziellem Widerstand, F Fiigguurr 66 eine Kennlinie der TEMPOS-Struktur als nichtlinearer
Widerstand bei Raumtemperatur,
Figur 7 eine Kennlinie der TEMPOS-Struktur als nichtlinearer Widerstand bei erhöhter Umgebungstemperatur,
Figur 8 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur als npn-Transistor, F Fiigguurr 99 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur als pnp-Transistor,
Figur 10 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur als npn-Foto- transistor,
Figur 11 Kapazität und Leitfähigkeit der TEMPOS-Struktur als Fotodiode in Abhängigkeit der eingestrahlten Lichtintensität, F Fiigguurr 1122 ein erstes Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur mit unterbrochener Deckschicht aus Silber-Clustern, Figur 13 ein zweites Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur mit unterbrochener Deckschicht aus Silber-Clustern,
Figur 14 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur als Feuchtesensor,
Figur 15 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur mit Rauschen ober- halb einer bestimmten Spannungsschwelle,
Figur 16 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur mit lokal ausgeprägtem negativen differenziellen Widerstand,
Figur 17 ein Kennlinienfeld der TEMPOS-Struktur mit starkem negativen differenziellen Widerstand, Figur 18 einen Stammbaum der TEMPOS-Struktur sowie
Figur 19 eine Parametrierungstabelle für die TEMPOS-Struktur
und die folgenden Figuren Schaltungsanordnungen für eine Anwendung der TEMPOS-Struktur mit leitfähigen Nanoclustem als
Figur 20 thermokapazitiver Sensor-Oszillator,
Figur 21 optokapazitive Fernsteuerung eines Lokaloszillators,
Figur 22 Niederfrequenzrauschquelle,
Figur 23 optoresistiver Sensor, Figur 24 optokapazitiver Sensor,
Figur 25 optokapazitive Fernsteuerung eines Bandpasses,
Figur 26 optokapazitive Fernsteuerung eines Tiefpasses,
Figur 27 optokapazitive Fernsteuerung eines Hochpasses,
Figur 28 Signalfrequenzvervielfacher, Figur 29 Amplitudenmodulator,
Figur 30 astabiler Multivibrator,
Figur 31 thermoresistiver Sensor,
Figur 32 Fototransistorstufe,
Figur 33 optoelektronischer Nanoclusterstrahler sowie Figur 34 Schwingkreis und die folgenden Figuren Schaltungsanordnungen für eine Anwendung der TEMPOS-Struktur mit negativem Widerstand (NERPOS) als
Figur 35 analoger, bidirektionaler Verstärker (oben Schaltungsaufbau, unten Spannungsverstärkung, M1 eingegebener Spannungsverlauf, M2 Ausgangssignal nach Verstärkung), Figur 36 einfacher NERPOS-Oszillator (oben) im Vergleich mit klassischer Transistor-Elektronik (unten), Figur 37 Tandem-Niederfrequenz-Oszillator Figur 38 amplitudenmodulierter Oszillator (oben Schaltungsaufbau, unten Signalverlauf, MNF Modulationssignal, MAM modulierte Trägerfrequenz) Figur 39 Sägezahngenerator (oben Schaltungsaufbau, unten sägezahn- förmiges Ausgangssignal) und als Figur 40 optolektronisches Flip-Flop (oben Schaltungsaufbau, unten
Spannungsverlauf)
und die folgenden Figuren Schaltungsanordnungen für eine Anwendung TEMPOS-Struktur mit feuchteempfindlichem Fullerit (MOSBIT) als
Figur 41 frequenzdigitaler Gassensor,
Figur 42 analog-konduktiver Gassensorverstärker,
Figur 43 analoger Gas-Strom-Umsetzungsverstärker,
Figur 44 analog-resisitiver Gassensorverstärker, Figur 45 analoger Gas-Spannungs-Umsetzungsverstärker,
Figur 46 Gas-Spannungszelle und als
Figur 47 Solarzelle
Bereits weiter oben wurde erwähnt, dass sich die Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung allgemein mit „TEMPOS" als Akronym aus „Tunable
Electronic Material with Pores On Semiconductors"bezeichnen lässt. Analog dazu kann eine TEMPOS-Struktur mit feuchteempfindlichem Fulleren als elektrisch leitfähigem, aber hochohmigen Belag auf der elektrisch isolierenden Schicht mit dem Akronym „MOSBIT" bezeichnet werden, wobei es sich dabei um die Abkürzung der Bezeichnung: „MOisture Sensoring with Buckminster- fullerene in Ion Tracks" handelt. Weiterhin können TEMPOS-Strukturen mit lokalem negativem differenziellem Widerstand mit "NERPOS" als Akronym aus "NEgative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors" bezeichnet werden. Eine Beschränkung der Erfindung durch die Verwendung dieser Begriffe auf spezielle Ausführungsformen, die zu der Begriffswahl geführt haben, ist dadurch aber nicht gegeben.
Die Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine parametrierte TEMPOS- Struktur mit einem Halbleitersubstrat SCS und einer angrenzenden Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material. Über drei Elektroden o,v,w (elektrisch gleichbedeutend mit „Anschlüssen" oder „Abgriffen") ist die TEMPOS-Struktur elektrisch kontaktiert. In die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material sind vertikal orientierte Dotierungskanäle in Form von nanoskalierten Poren VP integriert. Dabei ist die Verteilung der Poren VP, der Porendurchmesser, die Porentiefe und die Porenform frei wählbar. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind zylindrische Poren VP in Gruppen unterschiedlicher Größe, die den oberen Elektroden o,w zugeordnet sind, dargestellt, die die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material vollständig durchdringen und so eine einfache Migration zusätzlicher Ladungsträger insbesondere in das Halbleitersubstrat SCS ermöglichen. Die zusätzlichen Ladungsträger werden von einem elektrisch leitfähigen Material ECM zur Verfügung gestellt, das im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von dispersen Nanopartikeln DNP in die Poren VP und auch auf die Oberfläche der Schicht EIL aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist. Dabei erzeugen die dispersen Nanopartikel DNP einen hochohmigen Widerstandsgradienten zwischen den Elektroden o,w, sodass hier ein Kurzschluss verhindert wird. Eine im Wesentlichen vertikale Migration der zusätz- liehen Ladungsträger durch die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material ist hingegen möglich. Die Poren VP mit den dispersen Nanopartikeln NP stellen in der TEMPOS-Struktur eine besonders große Anzahl von nadeiförmigen Halbleiterübergängen dar, sodass die TEMPOS-Struktur als eine „Multispitzendiodenanordnung" bezeichnet werden kann. Diese ist elektrisch durch Ersatzschaltbilder mit entsprechenden Diodenanordnungen darstellbar.
In der Figur 2 ist eine Aufnahme mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop SEM gezeigt. Von oben ist die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, hier SiO2, zu sehen, in die eine Vielzahl von Poren unterschiedlichen Durchmessers in disperser Verteilung integriert sind. Der dunkle Mittenbereich in den Poren zeigt das darunter liegende Halbleitersubstrat, hier Si. Die Poren sind im gezeigten Ausführungsbeispiel also durchgeätzt. Der helle Rand um die Poren zeigt deren konischen Verlauf an. Die in der SEM-Aufnahme zu sehenden weißen Punkte sind Cluster aus einem elektrisch leitfähigen Material, hier Silber, das in die Poren und auch auf die Oberfläche der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht sind.
Die Figur 3 zeigt in Analogie zu Figur 1 schematisch einen Querschnitt einer parametrierten TEMPOS-Struktur, hier jedoch mit konisch verlaufenden Poren VP, die die Schicht EIL aus einem elektrisch isolierenden Material nicht vollständig durchdringen. Bei diesem Konzept migrieren die zusätzlichen Ladungsträger vermehrt in die Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material. Handelt es sich hierbei beispielsweise um Fotosensitives Silizium- oxinitrid SiON, kommt es bei einer Bestrahlung der TEMPOS-Struktur mit Licht verstärkt zu einer Fotoemission, die in Messungen entsprechend genutzt werden kann.
Die Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze der elektronischen Funktionsweise der TEMPOS-Struktur. Mindestens zwei horizontale und eine Vielzahl vertikaler Strompfade (siehe Einschub) konkurrieren miteinander, wobei sich an den Übergängen Dioden ausbilden. Jeder Strompfad unterscheidet sich vom anderen durch verschiedene Potenzialverhältnisse. Es wird gezeigt : die hochohmige Deckschicht T, die anisotrop leitende Schicht A, das Halbleiter- Substrat S, ein leitender Kanal C im Halbleiter S nahe der A-S-Grenzschicht, zwei obere Kontakte K0, K , ein unterer Kontakt Kv . Der Quellenkontakt Ks und der Senkenkontakt Kp sind optional für den strukturellen Aufbaus eines zusätzlich integrierten steuerbaren Transistors unter Nutzung des horizontalen Kanals C dargestellt. Die Anisotropizität der Schicht A wird bei TEMPOS- Strukturen üblicherweise durch parallel zueinander ausgerichtete, vornehmlich vertikale Leitungspfade in einer Isolator-Schicht erzeugt. Jene können erzeugt werden: a) durch Auffüllen von im Isolator enthaltenen geätzten lonenspuren mit (halb)leitenden Materialien, b) durch latente lonenspuren, falls diese leitfähig sind, und c) durch analog aufgebaute selbstorganisierende Strukturen. Somit können prinzipiell neben den heterogenen Kompositstrukturen nach der Erfindung auch heterogene und homogene MonoStrukturen eingesetzt werden, die eine starke Anisotropie ihrer elektrischen Leitfähigkeit aufzeigen (parallel zu ihrer Oberfläche höchstens eine sehr geringe, der elektrischen Isolation nahekommende elektrische Leitfähigkeit und senkrecht oder in einem Winkel zu ihrer Oberfläche eine um mindestens Faktor 106 höhere elektrische Leitfähigkeit).
Theoretische Beschreibung der TEMPOS-Struktur. Es wurden erste Versuche unternommen, die Funktionsweise der neuen TEMPOS-Struktur physikalisch zu begründen. Hierzu wurde ein Äquivalent-Netzwerk gemäß Figur 5 angenommen, wobei es sich jedoch um einen Spezialfall einer TEMPOS-Struktur-Ausgestaltung (spannungsgesteuerter Widerstand) handelt. Für andere wertvolle Eigenschaften der TEMPOS-Struktur (beispielsweise die Eigenschaft des negativen differenziellen Widerstandes) sind andere Äquiva- lenz-Netzwerke mit anderen physikalischen Überlegungen, insbesondere im Bereich der Quanteneffekte, zu erstellen. Trotzdem können auch an dem Spezialfall des spannungsgesteuerten Widerstandes schon grundlegende und richtungsweisende Erkenntnisse gewonnen werden. Mit dem Äquivalent- Netzwerk gemäß Figur 5 lassen sich die Strompfade z.B. vom Kontakt o zu den Kontakten w oder v verfolgen. Der Strom kann dann entweder direkt zu w durch die Oberflächenbelegung fließen oder er kann durch die darunterliegenden Spuren ins darunterliegende Silizium gehen. Die Spuren können durch einen Wider-stand R0 und eine Diode Dox mit einem Leckstromwiderstand Rox beschrieben werden. Unterhalb der Oxidschicht kann sich eine Anreicherungszone, Verarmungszone oder Inversionszone aufbauen. In der Nähe der angelegten Spannungen hängt die Existenz einer solchen Schicht (als „Kanal" bezeichnet) von den Leckeigenschaften des Oxids ab, was durch den Spurwiderstand Rt und die Diodenparameter Dox und Rox beschrieben werden kann. Für niederohmige Rt, Dox und Rox ist nur eine geringfügige oder gar keine Ladungskontrolle durch den Feldeffekt über Cox möglich. Der Kanalwiderstand wird durch Rc beschrieben. Unter bestimmten Vorspannungs-Bedingungen wird der Strom in Richtung zum Anschluss v eine Potenzialbarriere vom Kanal zum Basis-Silizium überwinden müssen, was durch eine zusätzliche Diode DL mit einem Leckwiderstand RL beschrieben wird. Zum Vergleich werden konventionelle, bekannte MOS-Kapazitäten ohne Spuren an Stelle der Diode DL durch eine vorspannungsabhängige Kapazität dargestellt, die z.B durch den Übergang von einer Inversionsschicht zum Basis-Silizium gegeben ist, weil hier kein Gleichstrom fließt. Im Fall, dass an den Kontakten o und w Spannungen verschiedener Polaritäten liegen, muss noch ein zusätzlicher pn-Übergang an der Silizium-Oberfläche berücksichtigt werden.
Mit diesem Ansatz lassen sich die Beiträge der einzelnen Komponenten abschätzen. Besonders ist hier der Spurwiderstand Rt von Interesse, weil seine Größe die An- oder Abwesenheit von Schichten mit freien Ladungsträgern kontrolliert, also die Inversions- oder Anreicherungsschichten und konsequenterweise auch die Werte Rc, DL und RL. Die detaillierte Beschreibung der Iv-Vvw Charakteristik nach diesem Modell liefert Resultate, die zumindest qualitativ mit den Beobachtungen übereinstimmen. Zwei Fälle müssen hierbei unterschieden werden, die mit Typ 1 bzw. Typ 2 gekennzeichnet wurden. Beim Typ 1 sind die Spuren nur geringfügig aufgeätzt, sodass Rt sehr groß ist. Typ 2 entspricht dem Fall kleinerer Rt, was experimentell durch längere Spuren- Ätzdauern realisiert werden kann. Bei den Typen 1 und 2 sind die Rollen von Elektronen und Löchern vertauscht, sodass komplementäre Charakteristiken auftreten. Es kann gezeigt werden, dass je nach den anliegenden Spannungen das Bauelement entweder als ein schwach nichtlinearer Widerstand oder als ein durch ein laterales Feld induzierter pn-Übergang angesehen werden kann. Es treten oft dramatische Asymmetrien bei den Charakteristiken auf, sowie Knicke und/oder steile Anstiege. Sowohl Verarmungs- als auch Inversions- und Anreicherungszonen können je nach der angelegten Spannung unterhalb der Oberflächenkontakte erzeugt werden, sodass es möglich ist, Ströme von einem Kontakt zum anderen zu schalten. An gewissen Arbeitspunkten weist die Halbleiterverbindungsstruktur nach der Erfindung negative differentielle Widerstände auf, sodass sie die Eigenschaften eines pnp- (beim Typ 1) bzw. npn- (beim Typ 2) -Transistors erhält. Es wurden hier bislang Leistungsverstärkungen bis zu einem Faktor 24 beobachtet. Der Transistoreffekt ist reproduzierbar und oft von punktförmiger Lichtemission begleitet.
Der erste ansatzweise Versuch einer anhand des Äquivalent-Netzwerkes gemäß Figur 5 abgeleiteten Theorie für die Funktionsweise der TEMPOS- Struktur nach der Erfindung liefert für die Strom/Spannungs-Charakteristik in grober Näherung die Beziehung:
lo = ß (R (R+2) (Vv + Vw) (V0 - Vw),
wobei ß = C0χ μ W/L, R das Widerstandverhältnis RJR μ die Ladungsträgerbeweglichkeit, W die Kanalbreite, L die Kanallänge, und Vv, V0, Vw die an den Kontakten v, o und w angelegten Spannungen sind. Diese Beziehung gilt nur für kleine Spannungen VV) weil R als konstant angenommen wurde. Mit wachsender Spannung Vv sinkt jedoch Rc auf Grund der durch den Feldeffekt im Kanal erzeugten Ladung, was zu den beobachteten Nichtlinearitäten führt. Bei sehr stark negativen Spannungen Vo wird durch den anwachsenden Feldeffekt die Strom/Spannungs-Charakteristik für den Typ 1 parabelförmig, sodass sich jene der des klassischen MOS-Transistors annähert.
Die Figur 5A zeigt ein zweites Äquivalenz-Netzwerk, mit dessen Hilfe eine die Erklärung für das elektronische Verhalten der TEMPOS-Struktur in der speziellen Ausprägung mit einem negativen differenziellen Widerstand (NERPOS) nach der Erfindung noch vertieft werden soll. Grau eingezeichnet ist eine weitere dünne und hochohmige Silberschicht direkt über dem Oxidnitrid, die auch die lonenspuren füllt. Die Diskussion beschränkt sich ausdrücklich auf den einfachsten Fall, nämlich die Benutzung eines p-Typ Substrates. Dies hat den Vorteil, dass bei den angewandten Spannungsbereichen das Substrat in Akkumulation gehalten wird und keine zusätzlichen Komplikationen durch das Auftreten von Inversionsschichten zu berücksichtigen sind. Das vereinfachte Ersatzschaltbild besteht aus dem Bahnwiderstand R des p-Si, verbunden mit dem Kontakt v, den Bahnwiderständen Rw und R0, die im wesentlichen die Stromausbreitung längs der Oxidgrenzfläche beschreiben, den Schottky-Dioden Dw und D0 und den Bahnwiderständen in den metallisierten Kernspuren, Rκ0 und R«v (letztere nicht eingezeichnet). Der Nachweis eines Schottkyverhaltens von Silber auf p-Typ Silizium ist allgemein bekannt und beispielsweise von Smith und Rhoderick dokumentiert. Im Fall einer negativen Spannung an o und einer positiven Spannung an v ist die Diode D0 offen, es bildet sich eine Strombahn v-o, die durch die Bahn- widerstände ohmschen Charakter haben. Bei der vorausgesetzten negativen Spannung an o und noch kleinen positiven Spannungen an v zeigt sich eine negative Spannung unter der Kernspur w, sodass die Diode Dw rückwärts gepolt ist. Mit zunehmender positiver Spannung von v gibt es einen Punkt, an dem die unter w abfallende Spannung positiv ist. Die Diode Dw wird leitend. Es werden Minoritätsträger (Elektronen) in das benachbarte p-Gebiet injiziert. Es ist zu beachten, dass der Widerstand R im wesentlichen auf das Gebiet um das Austrittsloch um die Kernspur im Silizium konzentriert ist. Dieser Fall ist vergleichbar mit dem Potenzialverlauf um eine Metallspitze, die an einen Halbleiter angelegt wird. Die injizierten Minoritätsträger führen zu einer Verringerung des Widerstands Rw und damit zu einer Erhöhung der positiven Spannung über der Diode. Die Diode injiziert erneut mehr Strom usw. Im Idealfall werden die Bahnwiderstände durch die Injektion soweit überschwemmt, dass sie verschwinden und der Strom nur noch von der Diode begrenzt wird. Es tritt also ein Schalteffekt aus einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand auf, der sich als rückläufige Kennlinie bzw. differenzieller negativer Widerstand bemerkbar macht.
Im Folgenden ist die Beobachtung zu erklären, dass die Schaltspannung v mit negativerer Spannung o abnimmt. Für die Diode Dw wird immer dieselbe positive Spannung im Silizium unter w gebraucht, um sie zu öffnen. Eine Verringerung der Schaltspannung v kann daher nur bedeuten, dass die Bahnwiderstände im Silizium kleiner werden und das Potenzial v besser „zuführen". Diese Verringerung wird dadurch erreicht, dass eine höhere Vorwärtsspannung über der Diode D0 eingestellt wird, wenn die Spannung o erniedrigt wird. Damit injiziert die Diode stärker. Diese Betrachtung setzt voraus, dass die Bahnwiderstände, RK, in den lonenspuren größer als der des Siliziums sind. Es ist zu beachten, dass die Injektion von Dw nicht nur auf die Widerstände Rw und Rv durchgreift, sondern auch auf R0. Mit dem Öffnen der Diode Dw ändert sich auch der Spannungsabfall an der Diode D0; sie wird weiter geöffnet und greift damit über eine erhöhte Injektion auf Dw zurück.
Die bisherige Erklärung wurde für p-Typ-Silizium durchgeführt. Es ist jedoch auch bekannt, dass auch n-Typ-Silizium mit Silbermetallisierung Schottky- verhalten aufweist (beispielsweise bei Rhoderick und Williams). Deshalb ist ein ähnliches Schaltverhalten auch für eine Halbleiteπterbundstruktur nach der Erfindung mit einem Substrat aus n-Typ Material anzunehmen. In der Figur 6 ist eine bei Raumtemperatur RT gemessene Kennlinie der TEMPOS-Struktur mit einer Ätzdauer von 3 min in einer Ausbildung als steuerbarer Halbleiter-Widerstand dargestellt. Es zeigt sich bei der Messung der Strom-Spannungs-Charakteristik ein typischer l,U-Kennlinienverlauf eines Sperrschichthalbleiterbauelements. Dessen Temperaturabhängigkeit konnte gemäß Figur 7 nachgewiesen werden, die die Kennlinie der TEMPOS-Struktur mit einer Ätzdauer von 3 min bei einer Umgebungstemperatur von 60°C zeigt. Deutlich ist die erwartete Verflachung der Kennlinie zu erkennen. An dieser Stelle sei bemerkt, dass Kontrollversuche mit ähnlichen Halbleiter- Verbundstrukturen, aber ohne Poren durchgeführt wurden. Diese zeigen nicht die beschriebene Charakteristik der TEMPOS-Struktur , sondern nur die eines normalen hochohmigen Widerstands, was auf die erfindungswesentliche Anwesenheit von elektrisch leitfähigen Poren, insbesondere in der Ausbildung von geätzten lonenspuren, in der elektrisch isolierenden Schicht bei der TEMPOS-Struktur hinweist.
Die Figur 8 zeigt ein Kennlinienfeld eines aus einer TEMPOS-Struktur mit einer Ätzdauer von 7 min (Ätzung in Fluorwasserstoff-Lösung HF 7 min) hergestellten npn-Transistors, bei dem auf der silberbeschichteten Oberseite der TEMPOS-Struktur die beiden Elektroden o,w und auf deren aluminiumbelegten Unterseite die Elektrode v silberleitkleberkontaktiert sind. In der vorliegenden Anwendung wird zwischen den Elektroden v,w der Steuer- und zwischen den Elektroden o, w der Laststromkreis des npn-Transistors realisiert. Mit steigender Spannung Uo im Laststromkreis steigt auch der Laststrom l0 und ist zudem mittels Steuerspannung - Uvw steuerbar. Diese npn-Transistorfunktion ist mit dem in der Figur 8 ebenfalls dargestellten einfachen Dioden-Ersatzschaltbild der Struktur gegeben, das prinzipiell aus drei Multispitzendiodenkomplexen besteht. Analog hierzu wurden gemäss Figur 9 an einer TEMPOS-Struktur mit 10 min Ätzdauer in einem erweiterten Laststrombereich vergleichbare Laboruntersuchungen vorgenommen mit dem Ergebnis, dass mit unveränderter Kontaktierung der TEMPOS-Struktur nur durch die verlängerte Ätzdauer ein pnp-Transistor erzeugt und hergestellt wurde. Entsprechend den Ersatzschaltbildern setzen sich die Halbleiterverbundstruktur-Bipolartransistoren unter Beachtung der Polung in erster Näherung ebenfalls aus drei Multispitzendiodenkomplexen zusammen.
In der Figur 10 ist ein Kennlinienfeld einer TEMPOS-Struktur in der Ausprägung als npn-Fototransistor mit einer lichtaktiven, elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise SiON, dargestellt. Zur Unterstützung der Lichtaktivität betrug die Ätzdauer HF nur 5 min, sodass konische, nicht durchgängige Poren erzeugt wurden. Der Lichteinstrahlungsfluss ist mit Φ bezeichnet. Deutlich ist das Ansteigen der Kennlinien mit ansteigender Lichteinstrahlung zu erkennen. Die Figur 11 zeigt die kapazitive Änderung einer TEMPOS-Struktur mit einer Ätzdauer HF von 10 min in der Ausprägung als Fotodiode in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung. Diese kann also in einem Fotosensor durch Messung der veränderlichen Spannung ermittelt werden.
In der Figur 12 ist ein Kennlinienfeld (Strom-Spannungs-Charakteristik) einer lichtempfindlichen TEMPOS-Struktur (p-dotiertes Silizium, gezeigt sind nur die Dunkelströme) nach der Erfindung dargestellt, wie es sich für einen unter- brochenen Belag zwischen den beiden Oberflächenkontakten auf der Strukturoberfläche (siehe Einschub) ergibt. Eine durchgehende leitende Verbindung zwischen den beiden Oberflächenkontakten , ist somit nur durch den vergrabenen leitenden Kanal im Halbleitersubstrat nahe der Grenzfläche zur Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material gegeben ist. Dieser Kanal wird durch den restlichen Oberflächenbelag und die leitenden lonenspuren hindurch angesteuert. Die Kennlinien ähneln stark normalen Dioden-Kennlinien und lassen sich durch Anlegen einer Gate-Spannung auseinanderziehen. Die Figur 13 zeigt das Kennlinienfeld einer p-dotierten, lichtempfindlichen TEMPOS-Struktur gemäß Figur 12, gesteuert durch Bestrahlung mit sicht- barem Licht verschiedener Intensität. Die erste Kurve zeigt den spannungsabhängigen Dunkelstrom. Zusätzlich ist eine Gate-Spannung angelegt. Das gebildete Bauelement verhält sich wie eine Fotodiode bzw. Fotozelle. Ohne Anlegen einer Gate-Spannung zeigt das gebildete Bauelement das Verhalten eines Fotowiderstandes. In der Figur 13 ist der Einfluss von Licht auf die Kennlinien einer TEMPOS-Struktur mit einer unterbrochenen Oberflächen- belegung gezeigt. Es ist zu erkennen, dass Licht die Kennlinien in anderer Weise als bei Figur 12 absenkt, sodass die Einflüsse von Feuchte und Licht deutlich voneinander unterschieden werden können. Ein zum Licht ähnliches Kennlinienfeld ergibt sich für die TEMPOS-Struktur als Organogas-Sensor. Gase wie Alkohol oder Azeton senken die Kennlinien in ähnlicher Weise wie Licht ab. Die beiden Gase können aber mit einer TEMPOS-Struktur mit Fullerit alleine nicht voneinander unterschieden werden. Um das zu ermöglichen, muss eine Koinzidenzmessung mit einem weiteren, z.B. alkoholspezifischen Detektor (z.B. Halbleiterverbundstruktur mit hochohmigen SnO-Belag und Porenfüllung) stattfinden.
In der Figur 14 ist ein Kennlinienfeld einer TEMPOS-Struktur in der Ausprägung als Feuchtesensor mit einem hochohmigen, elektrisch leitfähigen Materials als Belag auf der Schicht aus elektrisch isolierendem Material und Porenfüllung aus Fullerit (MOSBIT) dargestellt. Die Kennlinien haben einen diodenförmigen Verlauf. Deutlich ist die Erhöhung der Kennlinien mit ansteigender Feuchte zu erkennen. Dabei fließt in Anwesenheit von Feuchte selbst ohne angelegte Spannung ein Strom, was bedeutet, dass die TEMPOS- Strukturen mit Fullerit bei Feuchte selbst Spannungen generieren und als Energiespeicher dienen können. Der Grund dafür kann auf eine umweltabhängige Kontaktpotenzialdifferenz zwischen Fullerit und Silizium als Substrat zurückgeführt werden.
Die auf der TEMPOS-Struktur basierenden Bauelemente weisen bei bestimmten konstruktiven Anordnungen, insbesondere unter der Verwendung von Metallclustem und bei höheren, angelegten elektrischen Feldstärken
Instabilitäten ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik auf. Die Figur 15 zeigt ein Kenlinienfeld zu einer Charakteristik der TEMPOS-Struktur mit einem leichten Rauschen, welches oberhalb einer bestimmten Stromstärke einsetzt. Das Rauschen besteht hierbei aus kleinen Spitzen in der Charakteristik, welche zu kleineren Spannungen bei höherem Strom tendieren. Die Figur 16 zeigt eine Charakteristik (bei Vo = 2V und Vov = 10V), bei der diese Spitzen an einem gewissen Punkt äußerst stark ausgeprägt sind. Hierbei handelt es sich um ein Verhalten, das dem von Esaki-oder Tunnel-Dioden, die in der Digitaltechnik eingesetzt werden, sehr nahe kommt. Schließlich zeigt die Figur 17 eine Strom-Spannungs-Charakteristik, bei der oberhalb einer bestimmten Schwell- Spannung der Strom dramatisch ansteigt, ohne sich bei einem höheren Wert wieder zu stabilisieren. Der Stromanstieg ist von einer gewissen Reduktion der Spannung begleitet, sodass ein auf dieser TEMPOS-Struktur basierendes Bauelement einen sehr starken ausgeprägten negativen differenziellen Widerstand besitzt (Akronym "NERPOS" = "NEgative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors").
Die Figur 18 zeigt die Darstellung eines Versuchs, die genealogische Relation der durch unterschiedliche Parametrierung erzeugbaren verschiedenen möglichen TEMPOS-Strukturen zueinander in einem Stammbaum darzu- stellen, soweit sie heute schon bekannt bzw. in Entwicklung sind. Die verschiedenen offenen Pfeile zeigen das hauptsächliche Gebiet, in dem zukünftige Erweiterungen noch zu erwarten sind. In der Figur 19 sind die frei wählbaren Parameter der TEMPOS-Struktur tabellarisch zusammengestellt. Eingetragen sind auch die dazu passenden Materialien und deren Anwen- dungsgebiete. Die Tabelle entspricht dem derzeitigen Stand der Erkenntnis und zeigt Raum für zukünftige Erweiterungen.
Die in den Figuren 6 und 7 gezeigte Temperaturabhängigkeit der TEMPOS- Struktur 3min HF kann auch bei einer TEMPOS-Struktur 10min HF bezüglich deren innerer Kapazität (Thermokapazität) und innerem Parallelwiderstand (Thermowiderstand) sehr einfach als frequenzbestimmendes Element (Thermokapazität) in die Funktions- und Anwendungsschaltung gemäß Figur 20, die das elektrische Schaltbild eines thermokapazitiven Sensor-Oszillators mit einer TEMPOS-Struktur 10min HF zeigt, eingebaut und praktisch genutzt werden. Die Frequenz dieses Sensor-Oszillators ist ein direktes, digitales Maß für die zu messende Temperatur. Messtechnisch kann so zwischen Raumtemperatur und 80°C Umgebungstemperatur im entsprechenden Analysatorspektrum ein Oszillatorfrequenzunterschied von 190 kHz festgestellt werden. Bei Verwendung einer Halbleiterverbundstruktur 7 min HF ergibt sich ein Oszillatorfrequenzunterschied von 201 kHz und bei Verwendung einer TEMPOS-Struktur 5min HF ein Oszillatorfrequenzunterschied von 188 kHz, sodass sich für diesen Temperaturmessbereich eine Temperatursensorempfindlichkeit von ungefähr 3 kHz/°C ergibt. In der Figur 21 ist das Schaltungsbild einer optokapazitiven Fernsteuerung eines Lokaloszillators dargestellt. Dabei wird der Fotoeffekt einer TEMPOS-Struktur mit einer Ätzdauer HF von 10min auf den Bau einer Foto-npn-Transistorstufe angewendet. Unterbindet man den Gleichstromfluss in dieser Struktur (Leerlauf), so werden die Messergebnisse bezüglich der kapazitiven Änderung bei Einkopplung optischer Strahlung gemäß Figur 11 an den Elektroden o,w bzw. v,w größenordnungsmäßig bestätigt. Diese besondere Eigenschaft der optoelektronischen TEMPOS-Struktur wird gemäß Figur 21 in der Funktionsschaltung zur optokapazitiven Steuerung eines Lokaloszillators mit der Frequenz f=3, 88756 MHz mittels einer Halbleiterverbundstruktur 10min HF technisch angewendet. In einem gering gehaltenen Frequenztrimmbereich einer ungefähr einprozentigen kapazitive Änderung ergibt sich eine Frequenz- änderung dieses Lokaloszillators bei einer Grundfrequenz f = 3,88756 MHz um Δf = 16,5 kHz.
Die Figur 22 zeigt die Anwendung der TEMPOS-Struktur mit einer vorgegebenen Ätzdauer (hier und in den Schaltungsanordnungen gemäß den nachfolgenden Figuren entsprechend wählbar) auf eine Niederfrequenzrauschquelle, wobei hohe lokale elektrische Feldstärken in der TEMPOS- Struktur zufällige, häufige elektrische Entladungen und Rekombinationen bewirken und demzufolge an den Abgriffen eine messbare Rauschspannung erzeugen. Wie die Messungen gemäß Figur 10 zeigen, ändert sich mit der Einkopplung von optischer Strahlung Φ, λ die Steigung im l,U-Kennlinienfeld, also der differenzielle elektrische Widerstand der Halbleiterverbundstruktur (Optowiderstand) und ermöglicht gemäß Figur 23 die Anwendung als optoresistiver Sensor. Die Änderung der eingekoppelten optischen Strahlung bewirkt hier im Stromkreis eine Strom- und damit eine an den Elektroden verfügbare entsprechende Spannungsänderung. In der Anwendung gemäß Figur 24 als optokapazitiver Sensor wird die Halbleiterverbundstruktur als Fotodiode mittels der Reihenkapazität Ci in optokapazitiver Änderung gleichstromlos leerlaufbetrieben und die zu messende eingekoppelte optische Strahlung an den beiden Abgriffen in eine zählbare digitale Frequenz umgesetzt. Neben der Kommunikationstechnikanwendung gemäß Figur 21 sind auch Kommunikationstechnikanwendungen der Halbleiterverbundstruktur zur optokapazitiven Fernsteuerung eines Bandpasses gemäß Figur 25, eines Tiefpasses gemäß Figur 26 und eines Hochpasses gemäß Figur 27 zur vorteilhaften vollständigen Unterbindung störender elektromagnetischer Fremdeinflüsse durch diese Art der Optokopplung praktisch realisierbar.
Bei der Einstellung des I.U-Arbeitspunktes gemäß einer Anwendung als Signalfrequenzvervielfacher nach Figur 28 mittels im Bereich großer Kennlinienkrümmung angelegter Gleichspannungen an der TEMPOS-Struktur als Bipolartransistor, wird die eingekoppelte Signalspannung verzerrt und ihre Frequenz, die Signalfrequenz, vervielfacht und an den beiden Elektroden zu Verfügung gestellt. Die Anwendung gemäß Figur 29 nutzt die Arbeitspunkteinstellung gemäß Figur 10 dazu, zwei Signalspannungen in additiver Mischung miteinander zu multiplizieren, was der praktischen, einfachen Realisierung eines Amplitudenmodulators entspricht, wobei die Modulations- Spannung dann an den beiden Elektroden für die kommunikationstechnische Weiterverarbeitung verfügbar ist. Wählt man den I.U-Arbeitspunkt bei Verwendung an einer Halbleiterverbundstruktur als npn-Tunneltransistor, stellt sich der durch einen Bogenkennlinie gekennzeichnete Tunneleffekt bei ca. 2V/1mA ein (S-Tunneldiode). Es ergibt sich dann bei einer Beschaltung der TEMPOS-Struktur gemäß Figur 30 die Anwendung als astabiler Multivibrator im Tunneleffekt und als nächste Entwicklungsstufen mit diesem Halbleiterbauelement ergeben sich ein Radiofrequenz-Oszillator und ein bidirektionaler Hochfrequenz-Verstärker.
Die weitere Anwendung nach Figur 31 in der Temperaturmesstechnik zeigt einen arbeitspunkteingestellten TEMPOS-Struktur -Transistor als Thermo- widerstand, also einen thermoresistiven Sensor, dessen Ausgangsspannung an den beiden Elektroden ein direktes Maß für die eingekoppelte Temperatur ist. Die Anwendung nach Figur 32 stellt eine Fototransistorstufe dar, deren Ausgangsspannung an den beiden Elektroden ein direktes Maß für die eingekoppelte Strahlung ist, so wie dies gemäß Figur 10 für die Bauelemente aus der TEMPOS-Struktur typisch gemessen wurde. Die Anwendung nach Figur 33 betrifft eine TEMPOS-Struktur SiON/n-Si(ll) und SiON/p-Si(l), die beide zwischen den Anschlüssen o, w mit ca. 15 mA elektrisch gespeist werden, als farboptoelektronische Nanoclusterstrahler, deren jeweilige Wellenlänge λ=4*n*l vom Brechungsindex n und von der jeweiligen Länge bzw. Tiefe I des Porenkanals abhängt. Dabei erzeugt beispielsweise die Probe (I) mit ca. 150 strahlenden Nanoclustem ca. 1 ,4 nW optischen Strahlungsfluss. In dieser Anwendung reagiert die jeweilige TEMPOS-Struktur bei zusätzlicher Einkopplung von optischem Strahlungsfluss wie eine Fotodiode, sodass im nächsten Entwicklungsschritt der Bau eines optoelektronischen Transceivers für kommunikationstechnische Anwendungen auf Basis der TEMPOS-Struktur realisierbar ist. In der Figur 34 ist eine Anwendung der TEMPOS-Struktur als frequenzvariabler Schwingkreis dargestellt. Durch Variation der angelegten Spannung (spannungsgesteuerte Nanocluster-Kapazität) kann ein zumindest im unteren Hochfrequenzbereich zwischen 500 MHz und 800 MHz abstimmbarer Schwingkreis realisiert werden. Somit ist die TEMPOS-Struktur auch hochfrequenztüchtig.
Einen einfachen Verstärker mit einem Bauelement auf Basis der TEMPOS- Struktur mit differenziell negativem Widerstand (NERPOS-Struktur) zeigt die Figur 35. Im unteren Figurenteil ist das Ergebnis der Spannungsverstärkung dargestellt. Für einenVerstärker werden nur zwei Kontakte des Bauelementes auf Basis der NERPOS-Struktur benötigt (z.B. v und o); der dritte Kontakt (z.B. w) wird, um nicht Undefinierte Potenzialverhältnisse zu schaffen, insbesondere auf das Potenzial des Nachbarkontaktes oder auf Null gelegt. Die Tatsache, dass nur zwei Kontaktierungen des neuen Bauelementes auf Basis der NERPOS-Struktur zur Realisierung einer Verstärkungsschaltung ausreichen, vereinfacht die Verdrahtung der Schaltung im Vergleich zu Transistor- Schaltungen sehr (s.u.). Aus dem nicht benötigten dritten Kontakt bei der Verstärkerschaltung gemäß Figur 35 ergibt sich einerseits die Möglichkeit, den einzigen benötigten Kontakt auf der Porenseite des Bauelementes (z.B. o) großflächig über die gesamte Isolatorfläche zu legen (und das gleiche mit dem rückwärtigen Kontakt (v) zu tun), um so Hochleistungs-Bauelemente zu schaffen. Andererseits kann der in der Verstärker-Schaltung nicht benötigte dritte Kontakt (z.B. w) des Bauelementes auf Basis der NERPOS-Struktur dazu genommen werden, um mit den Kontakten v und w parallel zum durch die Kontakte v und o realisierten Verstärker gemäß Figur 35 einen zweiten gleichartigen Verstärker zu betreiben. Bei dieser Tandem-Verstärker-Schaltung kann ein Bauelement auf Basis der NERPOS-Struktur also zwei verschiedene Aufgaben parallel erfüllen. Es treten in diesem Fall durch die kapazitiven Kopplungen innerhalb des Bauelementes zwar möglicherweise Schwebungen auf, die sich aber durch passende konstruktive Auslegung der NERPOS- Struktur minimieren lassen.
Bereits weiter oben wurde der besondere Vorteil von Bauelelementen mit einer Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung erwähnt, dass die zugehörigen Schaltungen wesentlich weniger zusätzliche Bauelemente benötigen und damit wesentlich vereinfacht gegenüber klassischen Schaltungen aufgebaut sind. Ein Vergleich zwischen einer einfachen Oszillatorschaltung mit einem Bauelement auf Basis der NERPOS-Struktur und einer klassischen Oszillatorschaltung mit Transistor-Elektronik ist in der Figur 36 dargestellt. Während die Schaltung mit dem Bauelement auf Basis der NERPOS-Struktur (oben) nur vier Bauelemente benötigt, sind es bei der klassischen Schaltung (unten) doppelt so viele.
Mit Hilfe von NERPOS-Strukturen können also auch Oszillatoren gebaut wer- den. Auch in diesem Fall werden wieder nur zwei von den drei Kontakten der Standard-Ausführung benötigt, sodass es möglich ist, auch Tandem- Oszillatoren zu bauen (vergleiche Figur 37). Auch in diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Ausbildung von Schwebungen durch geeignete kapazitive Entkopplung schon bei der Auslegung des Bauelementes auf Basis der NERPOS-Struktur verhindert wird. Natürlich kann die von Bauelementen auf Basis der NERPOS-Struktur erzeugte Schwingung auch durch ein von außen aufgeprägtes Signal moduliert werden, wie in Figur 38 (Schaltungsaufbau oben, Signalverlauf unten) im Falle eines amplitudenmodulierten Niederfrequenz-Oszillators (= Radiosender) gezeigt, sodass im Prinzip die Anwen- düng von Bauelementen auf Basis der NERPOS-Struktur bei Sendern aller Art angezeigt ist.
Weiterhin weist die Figur 39 mit der Schaltungsdarstellung eines Sägezahngenerators (oben) darauf hin, dass nicht nur sinusförmige Schwingungen, sondern auch andere Schwingungsformen mit NERPOS-Strukuren realisiert werden können, wie z.B. Sägezahn-Schwingungen (Signalverlauf unten).
Schließlich ermöglicht es der negative differenzielle Widerstand von NERPOS- Strukuren auch, Digitalelektronik zu betreiben, wie in der Figur 40 anhand eines optoelektronischen Flip-Flops (ohne Lichteinfall kann auch ein normales elektronsisches Flip-Flop betrieben werden) dargestellt (S/R Setzen/Rück- setzen). Im unteren Teil von Figur 40 ist die Strom-Spannungskennlinie dargestellt. Angenommen ist ein Arbeitspunkt auf Ai (FF Öffnen Flip-Flop). Dann wird durch einen kurzen (hier : negativen) Puls der Arbeitspunkt nach links verschoben, sodass er in die Zone der Instabilität wandert und sich erst bei A2 (SF Schließen Flip-Flop) wieder stabilisiert, wobei die Lage von A2 durch den externen Widerstand eingestellt werden kann. Analog kann ein kurzer positiver Puls den Arbeitspunkt wieder nach Ai verschieben. Die Schaltdauern sind extrem klein; sie liegen in der Größenordnung von Picosekunden. Es können also auch mit NERPOS-Strukturen bistabile Schaltungen realisiert werden, wie aus der Digitalelektronik mit Transistoren seit langem bekannt. Damit ergibt sich also die prinzipielle Möglichkeit, auf der Basis von TEMPOS- Strukturen mit negativem differenziellen Widerstand, den sog. NERPOS- Strukturen, aktive Bauelemente für transistorfreie Computer zu bauen. Die extrem schnellen Schaltzeiten sowie der wesentlich geringere Aufwand an Bauelementen und Verdrahtung als bei entsprechenden Transistor- Schaltungen könnten derart aufgebaute Rechner wettbewerbsfähig werden lassen.
Die folgenden Figuren 41 bis 47 beziehen sich auf MOSBIT-Strukturen, d.h. auf mit Fullerit als elektrisch leitfähigem Material auf der Oberfläche der Schicht aus elektrisch isolierenden Material und in den Poren ausgelegte TEMPOS-Strukturen. In Analogie zum Lichteinfall erzeugt eine MOSBIT- Struktur auch bei Anwesenheit von Feuchtigkeit eine Spannung, die beim Absinken der Feuchte wieder verschwindet. Weil das feuchteempfindliche Sensormaterial Cβo (Fullerit) oberflächlich dünn aufgetragen wurde und nicht als dicke Schicht, sind die Diffusionsprozesse des Wasserdampfes im Fulleren auf ein Minimum reduziert, sodass dieser Sensor eine sehr kurze Ansprechzeit unterhalb von einer Sekunde besitzt. Die Ursache der Spannung einer solchen Hygrozelle auf Basis der MOSBIT-Struktur kann einer umweltabhängigen Cβo/Si-Kontaktspannung zugeschrieben werden. Diese Eigenschaft kann dazu ausgenutzt werden, Feuchtespannungs-Treiber zu bauen. Wenn die Hygro- zelle an Stelle von Feuchte Dämpfen von Alkohol oder Azeton ausgesetzt wird, erzeugt diese ebenfalls eine Spannung, allerdings ist deren Vorzeichen dann entgegengesetzt. Dadurch kann Feuchtigkeit von Organogas-Dämpfen unterschieden werden. Wie schon die TEMPOS-Strukturen mit Nanoclustem, so lassen auch die MOSBIT-Strukturen sowohl resistives, konduktives als auch kapazitives Sensorverhalten erkennen. Demgemäß lassen sich beispielsweise sowohl Feuchte-Resistiv-Sensoren, Feuchte-Konduktiv-Sensoren als auch Feuchte-Kapazitiv-Sensoren herstellen. Bei letzteren ist es sinnvoll, die kapazitiven Änderungen in Frequenzänderungen umzusetzen. Schließlich lässt sich die Änderung der Leitfähigkeit eines MOSBIT-Elementes auch zur Erzeugung von Feuchtestrom-Umsetzern verwenden.
In der Figur 41 ist ein frequenzdigitaler Gassensor dargestellt, in dem die mit Fullerit (C60) Oberflächen-beschichtete und gleichstromlos betriebene MOSB IT-Struktur mit Nanoclustem mit ihrer gasabhängigen Kapazität den Oszillatorkreis im MHz-Bereich steuert. Somit ist die an beiden Abgriffen verfügbare Oszillatorfrequenz ein direktes digitales Maß für die Gaskonzentration.
In der Figur 42 ist ein analog-konduktiver Gassensorverstärker dargestellt, der die Leitwertänderung der mit C60 oberflächenbeschichteten MOSBIT-Struktur mit Nanoclustem in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in eine messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet.
In der Figur 43 ist ein analoger Gas-Strom-Umsetzverstärker dargestellt, der den generatorischen Kurzschlussstrom in der mit C60 oberflächenbeschichteten MOSBIT-Struktur mit Nanoclustem in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in eine messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet. In der Figur 44 ist ein analog-resistiver Gassensorverstärker dargestellt, der die Widerstandsänderung der mit C60 oberflächenbeschichteten MOSBIT- Struktur mit Nanoclustem in Abhängigkeit von der Gaskonzentration direkt in messbare Spannung umsetzt und an den beiden Abgriffen anbietet
In der Figur 45 ist ein analoger Gas-Spannungs-Umsetzverstärker dargestellt, der die von der Gaskonzentration abhängige und generatorische Leerlaufspannung der mit Cβo oberflächenbeschichteten MOSBIT-Struktur mit Nanoclustem an den beiden Abgriffen niederohmig- belastbar anbietet.
In der Figur 46 ist eine Gas-Spannungszelle mit der Cβo oberflächenbeschichteten MOSBIT-Struktur mit Nanoclustem dargestellt, die unter Verwendung größerer Gaskonzentration zur Stromversorgung unter Benutzung der Spannungsabgriffe angewendet werden kann.
In der Figur 47 ist eine Solarzelle mit der C60 oberflächenbeschichteten MOSBIT-Struktur mit Nanoclustem dargestellt, die bei Einkopplung optischer Strahlung sowohl als Strahlungsempfänger als auch als Stromversorgung unter Benutzung der Spannungsabgriffe angewendet werden kann. Es tritt eine Verschiebung der Kennlinien bei Lichteinfall (symbolisiert durch φ) auf. Bei gleicher eingestrahlter Lichtintensität ist die Verschiebung wellenlängenabhängig (symbolisiert durch λ), sodass sich dadurch der Bau neuartiger kompakter optischer Spektrometer ohne bewegliche Teile ermöglichen lässt.
Zusammenfassend gesehen kann an der vorangehend beschriebenen, umfangreichen, aber nicht als abschließend zu betrachtenden Palette von Halbleiterbauelemente die große Flexibilität der Halbleiterverbundstruktur nach der Erfindung und deren einheitliche Anwendungsform erkannt werden. Zusammen mit der neuen Halbleiterstruktur nach der Erfindung kann somit auch eine neue, preiswerte Klasse von einfach herstell- und steuerbaren Halbleiterbauelementen zur Verfügung gestellt werden. Die Produktion dieser Strukturen benötigt, abgesehen von einem Großbeschleuniger zur lonen- spurenherstellung, lediglich Nasschemie ohne Reinraum- und Vakuumbedingungen.
Bezugszeichenliste
DNP Nanopartikel
ECM elektrisch leitfähiges Material
EIL angrenzende Schicht aus elektrisch isolierendem Material
MOSBIT MOisture Sensoring with Buckminsterfullerene in Ion Tracks
NERPOS NEgative Resistance of Pores in Oxide on Semiconductors o,v,w Elektrode, Anschluss
SCS Halbleitersubstrat
TEMPOS Tunable Electronic Material with Pores On Semiconductors VP Pore

Claims

Patentansprüche
1. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleiter- substrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden planaren Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, wobei Ladungsträger in der Halbleiteπterbundstruktur migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskanäle als nanoskalierte Poren (VP) mit wählbarer Verteilung in der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform ausgebildet sind und dass mit dem in die Poren (VP) eingebrachten oder mit einem anderen, elektrisch leitfähigen, aber hochohmig ausgeprägten Material (ECM) auch die Oberfläche der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material belegt ist unter Erzeugung eines wählbaren elektrischen Widerstands, der eine im Wesentlichen horizontale Migration der Ladungsträger zwischen zwei auf der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material zueinander beabstandet angeordneten, strukturierten oberen Elektroden (o,v), zwischen denen durch wählbares Anlegen unterschiedlicher Potenziale ein wählbarer Potenzialverlauf erzeugt wird, verhindert, aber eine im Wesentlichen vertikale Migration der Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur (PSC) zu einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten, strukturierten unteren Elektrode (w) unterstützt..
2. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) in Form von Nanoclustem (DNC) mit wählbarer Größe ausgebildet und mit wählbarer Dispersionsdichte in die Poren (VP) eingebracht sowie auf die Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht ist.
3. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Nanocluster (DNC) des elektrisch leitfähigen Materials (ECM) in demselben gewählten Größenbereich liegen und/oder äquidistant verteilt angeordnet sind.
4. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) ein Metall in homogener oder disperser Verteilung, ein Halbleitermaterial oder eine Verbindung daraus, ein Chalkogen oder eine Verbindung daraus, ein Kohlenstoffallotrop, ein oxidischer Halbleiter, ein leitendes Oxid, metalldotierte Porphyren- oder Polypyrrol-Verbindungen, ein Aktuator-Material, eine Mischung aus Gummi Arabicum und einem Metallsalz oder eine Mischform davon ist.
5. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass solche Nanocluster (DNC) in engen Poren (VP) angeordnet sind, dass die Kennlinie der parametrierten Halbleiterverbundstruktur lokal differenziell negatives Widerstandsverhalten zeigt.
6. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material (ECM) von einem für eine spezielle Substanz sensoraktiven Material mit elektrischer Leitfähigkeit ergänzt oder ersetzt ist.
7. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle Substanz Feuchtigkeit .Dampf oder ein Gas ist.
8. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Nanoröhrchen aus FuUerenen in den Poren (VP) aufgewachsen sind, wobei das Aufwachsen von einem Nickel-Nanokristall gestartet werden und über den Rand der Poren (VP) hinaus erfolgen kann.
9. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchen Knicke oder andere Störstellen an vorbestimmten Stellen aufweisen.
10. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass biegsame Nanodrähte aus einem Metall oder einem Halbleiter in die Poren (VP) eingebracht ist.
11. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierendem Material inselartig mit dem elektrisch leitfähigen Material (ECM) belegt ist, wobei der Belag zwischen den beiden oberen Elektroden (o,v) vollständig unterbrochen ist.
12. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (EIL) eine Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumoxinitrid, oder ein Kohlenstoffallotrop, insbesondere Diamant, oder ein Polymer, insbesondere Fotolack oder Kapton, ist.
13. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (EIL) als poröses Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid, oder als molekulares Sieb, insbesondere mesopores Siliziumdioxid, ausgebildet ist.
14. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (SCS) sauerstoffarmes Silizium oder Czochralski-Silizi- um ist.
15. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche parametrierte Bereiche, insbesondere hinsichtlich der Wahl des elektrisch leitfähigen Materials (ECM), die jeweils Spektren verschiedener physiko-chemischer Größen abdecken, benachbart auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (SCS) angeordnet sind.
16. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite neben den beiden oberen Elektroden (o,v) noch eine Quellen-Elektrode und eine Senken-Elektrode vorgesehen sind, wobei diese entweder direkten Kontakt zu dotierten Gebieten im Halbleitersubstrat haben oder mit dem undotierten Halbleitersubstrat über niederohmig ausgeprägte Poren kontaktiert sind, und eine der drei Elektroden (o,v,w) zusätzlich als Steuer-Elektrode ausgebildet ist.
17. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem halbleitenden oder leitenden Material ausgefüllten Poren in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht zum Halbleitersubstrat (SCS) begrenzt sind, wobei die dünne, elektrisch isolierende Schicht als Oxid- oder Isolatorfilm, als Restschicht der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierendem Material oder als Doppelschicht mit einer leicht und einer schwer ätzbaren Schicht ausgebildet ist.
18. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass leitende oder halbleitende Nanocluster (DNC) in den Poren (VP) mit einer elektrisch isolierenden Hüllschicht umgeben sind.
19. Parametrierte Halbleiterverbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen in der Schicht (EIL) aus elektrisch isolierendem Material nicht durchgängig ausgebildeten und leitende oder halbleitende aufgefüllten Poren (VP) und dem Halbleitersubstrat (SCS) Metallcluster deponiert sind.
20. Verfahren zur Herstellung einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden planaren Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, dessen komplementäre Ladungsträger in das Halbleitersubstrat migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit den Verfahrensschritten :
I. Aufbringen einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf ein p- oder n-dotierte Halbleitersubstrat
II. Erzeugung von Dotierungskanälen in der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material
III. Aufbringen eines Belages aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und
IV. Aufbringen von Elektroden auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt I mittels einer Plasma-Chemical-Vapor-Deposition bei einer Prozesstemperatur in einem Temperaturbereich von 200°C bis 300°C durchgeführt wird und/oder dass der Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen als nanoskalierte Poren (VP) mit wählbarer Verteilung in der Schicht (EIL) aus einem elektrisch isolierenden Material sowie wählbarem Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform mittels Bestrahlung der Schicht (EIL) aus dem elektrisch isolierenden Material mit hochenergetischen Schwerionen durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Bestrahlungsparameter einstellbar sind.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt II zur Ausbildung von Dotierungskanälen ein an die Bestrahlung anschließendes Ätzen der lonenspuren durchgeführt wird, wobei die Porenparameter durch die Wahl der Ätzparameter, insbesondere der Ätzdauer, einstellbar sind.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt III unterschiedliche Beläge aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Dotierungskanälen und auf der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material aufgebracht werden.
23. Anwendung einer parametrierten Halbleiterverbundstruktur mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung und elektrischer Leitfähigkeit und einer angrenzenden planaren Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in die ein elektrisch leitfähiges Material mit wählbarer elektrischer Leitfähigkeit eingebracht ist, dessen komplementäre Ladungsträger in das Halbleitersubstrat migrieren, und einer elektrischen Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und dem Halb- leitersubstrat angeordneten Elektroden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine Funktion als elektronisches, aktives oder passives Bauelement in einer einfachen Schaltungsanordnung mit einer möglichst geringen Anzahl von zusätzlichen Schaltelementen, insbesondere in einer Ausbildung als Transistor, Kondensator, Widerstand, Verstärker oder Schwingkreis, als optoelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Lichtemitter oder Lichtdetektor, als hygroelektronisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Hygrozelle, oder als sensorisches Bauelement, insbesondere in einer Ausbildung als Sensorzelle, als digitales Bauelement, insbesondere als Flip-Flop, oder als Kombination dieser Bauelemente, wobei die jeweilige funktionelle Ausprägung durch die Parametrierung der Halbleiterverbundstruktur (PSC), insbesondere durch die Ausprägung der Dotierungskanäle in Form von Poren (VP) und dem Belag aus dem elektrisch leitenden Material (ECM) in Form von Nanoclustem (DNC), sowie durch eine partielle Einstellung des Arbeitspunktes durch Variation der Beaufschlagungsgrößen und durch die Strukturierung und Anordnung der Elektroden (o,v,w) ausgebildet wird.
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