EP3966875A1 - Integrierbarer kondensator - Google Patents

Integrierbarer kondensator

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EP3966875A1
EP3966875A1 EP20718268.4A EP20718268A EP3966875A1 EP 3966875 A1 EP3966875 A1 EP 3966875A1 EP 20718268 A EP20718268 A EP 20718268A EP 3966875 A1 EP3966875 A1 EP 3966875A1
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EP
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porous
semiconductor
capacitor according
capacitor
electrical conductor
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Arno Mecklenburg
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitor, in particular one a monolithic circuit integrable capacitor.
  • the Technical Research Center Finland VTT has dealt with the integration of large capacities in integrated circuits [1].
  • the solution proposed by the VTT concerns so-called super capacitors.
  • the idea is to produce porous silicon in an integrated circuit by (electrochemical) etching according to known processes and to stabilize its structure by thinly chemically (atomic layer deposition, ALD) deposited TiN from the gas phase; the TiN is applied very evenly to the walls of the pores in the form of conformal, approx. 1 nm thick layers.
  • ALD atomic layer deposition
  • the electrically highly conductive TiN also comes into galvanic contact with the electrically conductive bases of the pores.
  • the heterogeneous porous material obtained in this way is suitable as an electrode material for supercapacitors with a liquid electrolyte.
  • the VTT investigated IM NaCl in water and 0.5M tetraethylammonium tetrafluoroborate in propylene carbonate.
  • the cited publication of the VTT also includes a process for integrating corresponding Supercapacitors in integrated circuits.
  • the VTT approach has considerable disadvantages:
  • VTT capacitors Thermal decomposition and / or comparatively high vapor pressure of the liquid electrolyte and the high thermal expansion coefficient of liquids compared to conventional solids, in this case the liquid electrolyte, make the "VTT capacitors" appear unsuitable for use in components, especially SMD components that are used in Soldering is exposed to high temperatures;
  • the possible active surface of the silicon is i.a. limited by the aspect ratio that can still be represented with the atomic layer deposition of TiN; this accordingly limits the achievable specific capacitance and thus also the energy density of such capacitors.
  • the present invention aims to solve the above-mentioned problems.
  • the present invention solves the problem of finding a capacitor that can be integrated into an IC, in particular integrated into a monolithic circuit, which does not have to contain a liquid electrolyte and which is able to combine high energy densities with low internal resistances.
  • a gravimetric energy density of> 1 J / g is to be regarded as high.
  • capacitors according to the invention are also suitable for advantageously replacing MLCCs.
  • Fig. La shows a capacitor according to an embodiment.
  • Fig. Lb shows a layer structure in a capacitor according to an embodiment.
  • the invention consists in capacitors which comprise porous semiconductors, in particular porous silicon (hereinafter: PSi), but also, for example, other porous semiconductors, for example connection semiconductors such as SiC, GaN, GaAlN.
  • PSi porous silicon
  • connection semiconductors such as SiC, GaN, GaAlN.
  • porous semiconductors can be obtained, for example, electrochemically from monocrystalline solid material by known methods and initially behave in an electrically almost insulating manner. This can be remedied by post-doping, for example post-doping from the gas phase combined with a heat treatment, it being possible for post-doping to be carried out until the semiconductor degenerates.
  • post-doping for example post-doping from the gas phase combined with a heat treatment, it being possible for post-doping to be carried out until the semiconductor degenerates.
  • the active surface of the porous semiconductor can be coated with an electrical or electronic conductor.
  • an n-doped first porous semiconductor is infiltrated with at least one second electrical conductor, with semiconductors, ionic liquids, inorganic semiconductors and particularly electrically conductive (conjugated) polymers also being suitable for this second electrical conductor, preferably - but not necessarily. for example with perchlorate from UCIO4 or tosylate anions electrochemically p-doped polypyrrole or PEDOT, and especially PEDOT: PSS.
  • Infiltration here means the penetration of the second electrical conductor into pores of the first porous semiconductor.
  • the skilled person knows that e.g. porous silicon has so-called webs. The area between these webs forms a pore into which the second electrical conductor penetrates.
  • first conductor or its conductive coating
  • second conductor e.g. B.
  • a non-linear current-voltage characteristic in particular at least one heterocontact, so that between the porous semiconductor and its infiltrate due to the diffusion of free charge carriers until the Fermi levels of the different conductors (first semiconductor and second electrical conductor) are equal a potential barrier is created between the two conductors, and thus a kind of diode is formed.
  • a capacitor according to the invention can be used as a varactor, i.e. as a capacitance diode, to generate extremely steep-edged electrical pulses (e.g. by switching the "diode in blocking mode" charging via an inductance).
  • an electrical pulse is to be regarded as extremely steep-edged if it has a higher edge steepness than is achieved with conventional capacitance diodes.
  • those implemented according to the invention are also able to store an order of magnitude more energy with the same component size.
  • the electrical behavior of the structure just described (a first porous semiconductor infiltrated with a second conductor or semiconductor, with possibly both semiconductors being ohmically contacted) can be drastically improved for use as a fixed capacitor / capacitance with regard to leakage resistance, dielectric strength and linearity by introducing it a passivating layer, namely a dielectric, between the first and the second semiconductor.
  • this layer should be selected to be as good an insulator as possible, and in particular to have the largest possible band gap, preferably with high permittivity at the same time, preferably the highest possible effective mass of the charge carriers in the dielectric, and more preferably the highest possible band gap (1)
  • Any electron conductors involved between the power band of the dielectric and the Fermi edge in the ensemble (Metals as well as degenerate and non-degenerate n-conductors) as well as between (2) the valence band of the dielectric and the Fermi edge in the ensemble possibly involved p-conductors, whereby the respective band gaps (1) and / or (2) the amount after each should preferably be greater than 0.3 eV and particularly preferably greater than leV.
  • the dielectric should be as free as possible from electrically active impurities.
  • a simple capacitor of this type can be produced by first producing mesoporous n-PSi by anodizing using known methods.
  • the n-PSi is then post-doped from the gas phase (n-doping) and then partially oxidized on the surface with the formation of conformal a-SiC> 2, for example thermally in an oxygen-containing atmosphere or anodically.
  • the resulting body of n-conductive n-PSi (passivated) coated with amorphous S1O2 of as constant a thickness as possible (“conform”) is then filled with the conjugated polymer and the same optionally doped (here: oxidized), using known methods ( chemical or anodic oxidation, possibly at the same time polymerisation).
  • n-PSi and the p-conducting polymer (p-poly) can each be provided with ohmic contacts.
  • Such capacitors are naturally polar; non-polar configurations can be can be obtained by antiserial arrangements (eg Al / n-Si / n-PSi / SiC / p-poly / SiOz / n-PSi / n-Si / Al or alternatively discrete antiserial circuit).
  • S1O2 impresses as a dielectric, which is present as a high Potential barrier can reduce the tunnel current, which appears as a leakage current, due to its outstandingly high band gap of approx.
  • the topology in the filtration area (see area 13 in Fig. La and lb) is here:
  • n-PSi / a-Si0 2 / p-poly An ohmic contact can easily be established between the Al and the n-Si.
  • antimony alloys instead of aluminum come into consideration, in which antimony atoms that have diffused into the substrate and act as n-donors lead to local (n-) degeneration of the n-silicon after a heat treatment.
  • the described topology acts like a large-area plate capacitor with a-Si02 as a dielectric with a sufficiently thick a-SiO2 (more precisely: like an antiserial circuit of two such ). If the a-SiCh is omitted, a Schottky contact can be formed between the degenerate n-PSi (e.g. H-terminated) and the p-polymer. Its potential barrier SBH is, however, basically lower in amount than would be expected according to the Schottky-Mott rule, which is due to Fermi-level pinning at the interfaces. The a-Si0 2 is able to bring about a Fermi-level unpinning between the p-polymer and the n-PSi in a very thin layer and thus increase the SBH.
  • the electrical properties of the structure described change (Al / n-Si / n-PSi / a-Si0 2 / p-poly / a-Si0 2 / n-PSi / n-Si / Al) Gradually from those of two varactor diodes connected in antiseries with extremely high volume-specific capacitances but with a lower permissible operating voltage to a highly linear capacitor with lower volume-specific capacitance, but with very low dielectric losses and, if necessary, a high permissible operating voltage.
  • Higher volume-specific capacities can be achieved by replacing or supplementing the a-SiO2 layer with a so-called high k dielectric.
  • the following are particularly - but not exclusively - suitable here: ShN 4 , Al2O3, T1O2, ZrC> 2, HfC> 2, Ta 2 0s, La2C> 3, Y2O3, Ta2Ü5 as well as silicates of the aforementioned oxides, and also their mixed oxides and oxynitrides.
  • a structure or topology with contacting AI / n-Si / n-PSi / a-Ta205 / p-poly / Cg raphit / Ag can, for.
  • the a-TazOs layer can be obtained in various ways, for example by electrochemical deposition of metallic tantalum and its subsequent anodization, or by atomic layer deposition.
  • electrochemical deposition of metallic tantalum and its subsequent anodization or by atomic layer deposition.
  • the possible overlap between the conduction band of the a-Ta205 and the Fermi edge of the degenerate n-PSi small band gap, see above
  • the previously electrochemically deposited tantalum can be anodized incompletely, so that a Ta layer remains as a substrate for the grown a-Ta205, which in terms of electrical behavior can come very close to a conventional Ta polymer capacitor - with the difference, that this can be easily integrated into a monolithic chip.
  • Fig. La shows symbolically a section through a capacitor according to the invention in a wafer.
  • Area 10 is intrinsic silicon
  • area 11 is degenerate silicon
  • area 12 is n + silicon (highly doped but not degenerate)
  • area 13 is post-doped
  • n-conductive PSi infiltrated with p-doped PPy (preferably electrochemically doped with LiCICU as a conductive salt ) or PEDOT: PSS
  • area 14 consists of the aforementioned p-conductive polymer
  • area 15 is a graphite layer for ohmic contacting of the polymer
  • area 17 is silver for contacting the graphite with the indicated lead
  • area 16 is aluminum for ohmic contacting of area 12 via the degenerate area 11, also with an indicated supply line.
  • FIG. 1b shows symbolically a section of the layer structure in the border area between layers 13 and 14 in FIG. on the porous silicon 12, post-doped, n-conducting PSi is in galvanic contact with the n-conducting “bulk” n + -Si accordingly Area 12 from Fig. La; in Fig. 1b, the reference numeral 12 is in the middle of a pore wall and forms a so-called web, which is typically 0.1 to 1 mm long and protrudes from the n-conducting "bulk” n + -Si.
  • a pore is here between this web and an adjacent web
  • layer 18 is a layer a-SiC> 2, obtained for example by anodizing, thermal oxidation or atomic layer deposition, which is as uniform as possible in thickness and whose mean thickness is, for example, 1 mm.
  • Area 19 symbolizes a layer made up of one or more of the og so-called high k dielectrics, for example aA Ch, ZrC> 2, HfC> 2 or LaAlO 3 , and has, for example, an average thickness of 4 nm.
  • Reference numeral 14 in FIG. 1b is decisive for the core of the invention, while FIG. 1a only shows one possible implementation (with external contacts).
  • Another aspect of the invention is possible ionic conductivity of the materials involved. If, for example, an ion-conducting dielectric is chosen, Helmholtz layers can be formed within the dielectric and the component can have high pseudocapacities and / or even behave like an accumulator. If, on the other hand, a participating semiconductor, for example a conjugated polymer, is sufficiently ion-conductive, the formation of an electrochemical double layer in the polymer can inhibit the formation of an extended space charge zone (depletion zone) during blocking operation, whereby the "capacity loss" in blocking operation can be compensated or even overcompensated In particular, conjugated polymers which conduct lithium ions are suitable.
  • a particularly interesting aspect of the invention consists in the fact that, in blocking operation, a space charge zone forming in the semiconductor or semiconductors is able to compensate for defects or unevenness of a dielectric, so that the dielectric can be optimally utilized.
  • the topology in the filtration area is given here by:
  • the SiOz causes the potential barrier to approach the theoretical value (Fermi-level unpinning), on the other hand, as an effective tunnel barrier, it reduces the leakage current.
  • very thin SiOz layers for example in the range from 0.25 to 2 nm, a considerable part of the electrostatic potential does not fall in the dielectric but in the space charge zone or zones in the semiconductors (n-PSi on the one hand, p-type polymer on the other).
  • the topology in the filtration area is given here by:
  • n-PSi / SiOz / AlzOs / p-PPy PSS, n-PSi / SiOz / Alz0 3 / p-Si (amorphous) / Au
  • the topology in the filtration area is given here by:
  • This system uses the high relative dielectric constant of Ti02 as well as its property of forming a high tunnel barrier for defect electrons.
  • the topology in the filtration area is given here by:
  • n-PSi H / ionic liquid / p-PSi: H, n-PSi / TiN / ionic liquid / TiN / n-PSi, n-PSi / ZrN / ionic liquid / ZrN / n-PSi
  • the subsequent doping of the porous silicon can in each case be carried out to the point of degeneration.
  • these systems use a so-called "ionic liquid", preferably those with a melting point or melting range that is sufficiently low for the respective ambient conditions (the liquidus temperature is decisive) and the highest possible (ionic) electrical conductivity , which in the present case means a specific electrical conductivity of at least 2mS / cm and more preferably more than 10mS / cm and more preferably more than 20mS / cm at room temperature, as well as a potential window as high as possible, including a potential window of at least 4.1V and more preferably more than 5 V and more preferably more than 5.5 V.
  • ionic liquid preferably those with a melting point or melting range that is sufficiently low for the respective ambient conditions (the liquidus temperature is decisive) and the highest possible (ionic) electrical conductivity , which in the present case means a specific electrical conductivity of at least 2mS / cm and more preferably more than 10mS / cm and more preferably more than 20mS / cm at room temperature, as well as a potential window as high as possible,
  • capacitors according to the invention which contain exclusively electronic conductors, the internal resistance is increased, but instead extraordinarily high energy densities are achieved (small effective "plate spacing" of the electrochemical double layer -> high capacitance, wide potential window -> high operating voltage), and extremely low leakage currents can be achieved.
  • capacitors are particularly suitable for making energy available to The systems mentioned represent a substantial improvement over those proposed by the VTT.
  • EMI-DCA 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide
  • Capacitors ionic liquids are used to fill the pores, they can preferably be gelled in polymers that are sufficiently stable electrochemically.An intermediate form between the aforementioned systems in which the pores of the semiconductor are either filled with semiconducting and, in particular, p-conducting polymer or ionic F Liquid are filled, results when the ionic liquid is gelled by suspending a conjugated and in particular p-type polymer therein. Such gels can optionally be obtained in situ by, for example, anodic polymerization of suitable ionic liquids.
  • the polymer in principle, in the aforementioned systems, which contain a p-conducting conjugated polymer and in particular p-PPy, oxidized PEDOT, PEDOT: PSS as a component, the polymer can be replaced by a metal with a high work function, which leads to particularly low internal resistances with, however, increased leakage resistances and comparatively lower permissible operating voltage.
  • gold and platinum and their alloys come into question, which can be deposited directly into the pores in a simple manner via chemical vapor deposition using known processes; contacting is trivial.
  • a center tap can also be provided when the two components are integrated in a monolithic chip. This enables either:
  • a trench structure as shown in Fig. 1 can first be created by reactive ion deep etching of intrinsic silicon. la are created (masking steps, etc., which are self-evident to the person skilled in the art, are not explained).
  • the trench structure is then n-doped, for example from the gas phase, whereby the n + -conducting region 12 shown in FIG. La is also created.
  • Subsequent etching (chemical or electrochemical) converts the surface up to a certain etching depth into the porous area (PSi) 13, which initially has almost electrically insulating properties (at least in the dark).
  • the PSi is then dried, preferably by supercritical drying, and then, for example, doped from the gas phase (n-type).
  • first dielectric layer of a-Si0 2 is applied to the pore walls of the n-PSi by anodic or thermal oxidation or by CVD processes such as atomic layer deposition.
  • a second dielectric layer which is as uniform as possible can then be applied to the first, in particular by means of atomic layer deposition and preferably selected from the group of the above-mentioned high k dielectrics (and in particular a-Ah03 or ZrOi). The pores are then filled.
  • a filling with p-PPy can possibly be done by anodic polarization of pyrrole; in this case, a degeneracy of the "bulk" silicon in the area of the pore bottoms, which can be easily brought about by appropriate process management (as a result of post-doping), can be used;
  • the dielectrically coated pores can also be filled by dipping / drying with PEDOT: PSS with commercially available oligomeric suspensions; this also offers the advantage of the high temperature stability of the PEDOT: PSS, which ultimately can simplify or enable safe, simple, non-destructive soldering of corresponding components, in particular with higher-melting tin-free solders.
  • a pore size that is as uniform as possible is desirable for the porous semiconductor.

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Abstract

Kondensator umfassend: einen ersten porösen Halbleiter mit einer mittleren Porengröße zwischen 20nm und 200nm und bevorzugt zwischen 40nm und 100nm, zumindest einen zweiten elektrischen Leiter, wobei der zweite elektrische Leiter die poröse Struktur infiltriert und die beteiligten Materialien dahingehend ausgewählt werden, dass zwischen dem ersten porösen Halbleiter und dem zweiten Leiter ohne Anlegen einer äußeren Spannung infolge der Diffusion von Ladungsträgern eine Potentialbarriere gebildet wird, welche bevorzugt mehr als 0,5V, weiter bevorzugt mehr als 0,7V, weiter bevorzugt mehr als 1V und weiter bevorzugt mehr als 1,4V beträgt, wobei bevorzugt zwischen dem ersten porösen Halbleiter und dem zweiten elektrischen Leiter eine dielektrische Schicht mit einer Dicke von 1nm bis 10nm angeordnet ist.

Description

Integrierbarer Kondensator
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere einen einen monolithischen Schaltkreis integrierbaren Kondensator.
Hintergrund
Für unterschiedlichste integrierte Schaltkreise (monolithische Schaltkreise) wäre von Vorteil, wenn große elektrische Kapazitäten, insbesondere solche mit geringem Reihenwiderstand, darin integriert werden könnten. Dies gilt besonders - jedoch keinesfalls ausschließlich - für Leistungsanwendungen, und hier beispielsweise für MOSFET- und IGBT-Treiber, einschließlich solche enthaltende Motorsteuerungen, wobei integrierte Kapazitäten beispielsweise zum Puffern der Betriebsspannung und bei high- side Treibern auch als sog. Bootstrap-Kondensatoren vorteilhaft wären. Andere mögliche Anwendungen umfassen Schaltwandler aller Art, von Kapazitäten in Resonanzwandlern bis hin zu Ladungspumpen.
Das Technischen Forschungszentrum Finnland VTT hat sich mit der Integration großer Kapazitäten in integrierte Schaltkreise befasst [1]. Die vom VTT vorgeschlagene Lösung betrifft sogenannte Superkondensatoren. Die Idee besteht darin, in einem integrierten Schaltkreis durch (elektrochemisches) Ätzen nach bekannten Verfahren poröses Silizium zu erzeugen und dessen Struktur durch dünn chemisch (Atomlagenabscheidung, ALD) aus der Gasphase abgeschiedenes TiN zu stabilisieren; das TiN wird dabei in Gestalt konformer, ca. lOnm dicker Schichten sehr gleichmäßig auf die Wandungen der Poren aufgebracht. Dabei kommt das elektrisch hoch leitfähige TiN auch in galvanischen Kontakt mit den elektrisch leitenden Böden der Poren. Der so erhaltene heterogene poröse Werkstoff eignet sich als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren mit einem flüssigen Elektrolyten. Vom VTT untersucht wurden IM NaCI in Wasser sowie 0.5M Tetraethylammoniumtetrafluoroborat in Propylencarbonat. Die zitierte Veröffentlichung des VTT umfasst außerdem ein Verfahren zur Integration entsprechender Superkondensatoren in integrierte Schaltkreise. Der Ansatz des VTT ist allerdings mit erheblichen Nachteilen behaftet:
thermische Zersetzung und/oder vergleichsweise hoher Dampfdruck des flüssigen Elektrolyten sowie der im Vergleich zu üblichen Feststoffen hohe thermische Ausdehnungskoeffizient von Flüssigkeiten, hier dem flüssigen Elektrolyten, lassen die „VTT Kondensatoren" ungeeignet erscheinen für die Anwendung in Bauelementen, insbesondere SMD-Bauelementen, die beim Löten hohen Temperaturen ausgesetzt werden;
ein vergleichsweise hoher Innenwiderstand durch die inhärent geringe elektrische Leitfähigkeit ionischer Leiter bei Raumtemperatur, der die Leistungsabgabe begrenzt und, je nach Anwendung, zu einer erheblichen ohmschen Verlustwärme im Elektrolyten führen kann (bspw. bei der Verwendung genannter Kondensatoren in Schwingkreisen, was die Verwendung als Kapazität für Resonanzwandler ausschließt);
hohe Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands;
die mögliche aktive Oberfläche des Siliziums wird u.a. durch das mit der Atomlagenabscheidung von TiN noch darstellbare Aspektverhältnis begrenzt; dies beschränkt entsprechend die erzielbare spezifische Kapazität und damit auch die Energiedichte derartiger Kondensatoren.
[1] Kestutis Grigoras, Leif Grönberg, Jouni Ahopelto, Mika Prunnila „Integrated TiN coated porous Silicon supercapacitor with large capacitance per foot print"; Proceedings Volume 10246, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VIII; 102460Z (2017) https://doi.org/10.1117/12.2266603
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die oben angesprochenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, einen in einen IC integrierbaren, insbesondere in einen monolithischen Schaltkreis integrierbaren, Kondensator zu finden, der keinen flüssigen Elektrolyten enthalten muss, und der hohe Energiedichten mit geringen Innenwiderständen zu verbinden vermag. Für Ausführungsformen der Erfindung, die für hohe gravimetrische Leistungsdichten von beispielsweise >100W/g bemessen sind, ist eine gravimetrische Energiedichte von > 1 J/g als hoch zu betrachten. Für Ausführungsformen der Erfindung, die für hohe gravimetrische Energiedichten von beispielsweise >5,4J/g bemessen sind, sind Leistungsdichten von >2W/g und insbesondere von mehr als 5W/g als hoch zu betrachten.
Gelöst werden diese Probleme durch einen Kondensator gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche. Erfindungsmäße Kondensatoren sind in vielen Fällen auch geeignet, MLCCs vorteilhaft zu ersetzen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. la zeigt einen Kondensator gemäß einer Ausführungsform.
Fig. lb zeigt einen Schichtaufbau in einem Kondensator gemäß einer Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben. Die genannten Beispiele sind keinesfalls als Einschränkungen zu verstehen, sie dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung, vor allem durch Erörterung verschiedener Ausführungsbeispiele. Die Erfindung besteht in Kondensatoren, welche poröse Halbleiter umfassen, insbesondere poröses Silizium (nachfolgend : PSi), aber beispielsweise auch andere poröse Halbleiter, zum Beispiel Verbindungsha lbleiter wie SiC, Ga N, GaAlN.
Derartige poröse Halbleiter können nach bekannten Verfahren beispielsweise elektrochemisch aus einkristallinem Vollmaterial gewonnen werden und verhalten sich zunächst elektrisch nahezu isolierend. Dies kann durch Nachdotieren, beispielsweise Nachdotieren aus der Gasphase verbunden mit einer Wä rmebehandlung, behoben werden, wobei das Nachdotieren bis zur Entartung des Halbleiters geführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich zum Nachdotieren kann die aktive Oberfläche des porösen Halbleiters mit einem elektrischen bzw. elektronischen Leiter beschichtet werden.
Ein beispielsweise n-dotierter erster poröser Halbleiter ist mit zumindest einem zweiten elektrischen Leiter infiltriert, wobei für diesen zweiten elektrischen Leiter bevorzugt - jedoch nicht notwendig - ebenfalls Halbleiter, ionische Flüssig keiten, anorganische Halbleiter und hier besonders elektrisch leitende (konjugierte) Polymere geeignet sind, beispielsweise mit Perchlorat aus UCIO4 oder Tosylat-Anionen elektrochemisch p- dotiertes Polypyrrol oder PEDOT, und besonders PEDOT: PSS. Infiltrieren bedeutet hier das Eindringen des zweiten elektrischen Leiters in Poren des ersten porösen Halbleiters. Der Fachmann weiß, dass z.B. poröses Silizium sogenannte Stege aufweist. Der Bereich zwischen diesen Stegen bildet eine Pore aus, in die der zweite elektrische Leiter eindringt.
Wichtig ist, dass zwischen dem ersten Ha lbleiter (oder dessen leitenden Beschichtung) und dem zweiten Leiter ein nicht-ohmscher elektrischer Kontakt, z. B. mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskennlinie, insbesondere zumindest ein Heterokontakt, gebildet wird, dass also zwischen dem porösen Ha lbleiter und dessen Infiltrat infolge der Diffusion freier Ladungsträger bis zum Angleich der Fermi-Niveaus der unterschiedlichen Leiter (erster Halbleiter und zweiter elektrischer Leiter) eine Potentialbarriere zwischen beiden Leitern zustande kommt, und mithin eine Art Diode gebildet wird .
Bereits solch einfache Anordnungen sind als kapazitive Energiespeicher geeignet, wobei im Vorwärtsbetrieb der Diode spezifische Kapazitäten erzielt werden, welche denen von Doppelschichtkondensatoren vergleichbar sind; dabei muss allerdings die Ladespannung auf Werte begrenzt werden, die dem Betrag nach wesentlich geringer sind als die Kniespannung der Diode, da ansonsten der Leckwiderstand des Kondensators (also der Diodenkapazität) sehr kleine Werte annimmt und der Leckstrom entsprechend eskaliert. Hinzu kommt die sehr stark ausgeprägte Abhängigkeit der Diodenkapazität von der Ladespannung; eine wie beschrieben gebildete und vorwärts betriebene Diode kann sehr hohe Kapazitäten bei verhältnismäßig kleinen zulässigen Ladespannungen zeigen.
Das Verwenden einer solchen Diode als Kondensator im Sperrbetrieb ist ebenfalls möglich, wobei weitaus höhere Ladespannungen erzielt werden können als im Vorwärtsbetrieb, ohne dass der Leckstrom eskalieren muss: Allerdings sind die im Sperrbetrieb darstellbaren Kapazitäten solcher Dioden auch tendenziell geringer als die im Vorwärtsbetrieb (bei betragsmäßig gleicher äußerer Spannung). Sofern beispielsweise der infiltrierte poröse„erste" Halbleiter nicht entartet sondern hinreichend gering dotiert ist, kann außerordentliches bzw. ausgeprägtes Varaktor-Verhalten erzielt werden: Indem im Sperrbetrieb durch Ausdehnung der Verarmungszone in den Porenwänden des porösen Halbleiter deren Leitfähigkeit kollabiert, bricht auch die effektive aktive Oberfläche der Kondensatorstruktur und damit deren Kapazität zusammen. Sofern dieser Kollaps der Kapazität im Sperrbetrieb mit einer Spannung zu erreichen ist, welche kleiner ist als die Durchbruchspannung der Diode, kann ein erfindungsgemäßer Kondensator als Varaktor, also als Kapazitätsdiode, zur Erzeugung extrem steilflankiger elektrischer Impulse gebraucht werden (z.B. durch geschaltetes Laden der„Diode im Sperrbetrieb" über eine Induktivität). Vorliegend ist ein elektrischer Impuls dann als extrem steilflankig aufzufassen, wenn er eine höhere Flankensteilheit aufweist, als dies mit herkömmlichen Kapazitätsdioden erreicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Varaktoren vermögen erfindungsgemäß ausgeführte auch, bei gleicher Bauteilgröße größenordnungsmäßig mehr Energie zu speichern.
Das elektrische Verhalten der soeben beschriebenen Struktur (eines ersten poröser Halbleiters infiltriert mit einem zweiten Leiter oder Halbleiter, wobei ggf. beide Halbleiter ohmsch kontaktiert sind) kann für die Verwendung als fixer Kondensator/Kapazität bzgl. Leckwiderstand, Spannungsfestigkeit und Linearität drastisch verbessert werden durch Einführen einer passivierenden Schicht, nämlich eines Dielektrikums, zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiter. Diese Schicht sollte unter anderem danach ausgewählt werden, ein möglichst guter Isolator zu sein, und insbesondere eine möglichst große Bandlücke aufzuweisen, bevorzugt bei gleichzeitig hoher Permittivität, bevorzugt möglichst hoher effektiver Masse der Ladungsträger im Dielektrikum, und weiter bevorzugt einem möglichst hohen Bandabstand (1) zwischen dem Leistungsband des Dielektrikums und der Fermi-Kante am Ensemble ggf. beteiligter Elektronenleiter (Metalle sowie entartete und nicht-entartete n-Leiter) sowie zwischen (2) dem Valenzband des Dielektrikums und der Fermi-Kante am Ensemble ggf. beteiligter p- Leiter, wobei die jeweiligen Bandabstände (1) und/oder (2) dem Betrag nach jeweils bevorzugt größer als 0,3eV und besonders bevorzugt größer als leV sein sollte. Ferner sollte das Dielektrikum möglichst frei sein von elektrisch aktiven Störstellen.
Erstes Ausführungsbeispiel :
Ein einfacher Kondensator dieser Art kann erzeugt werden, indem zunächst durch Anodisieren nach bekannten Verfahren mesoporöses n-PSi hergestellt wird. Anschließend wird das n-PSi aus der Gasphase nachdotiert (n-Dotierung) und sodann partiell unter Bildung von konformem a-SiC>2 oberflächlich oxidiert, beispielsweise thermisch in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oder anodisch. Der so erhaltene Körper aus n-leitendem, mit amorphem S1O2 möglichst konstanter Dicke („konform") beschichteten (passivierten) n-PSi wird sodann mit dem konjugierten Polymer gefüllt und selbiges ggf. dotiert (hier: oxidert), wobei nach bekannten Verfahren (chemische oder anodische Oxidation, ggf. auch zugleich Polymerisation) vorgegangen werden kann . Schließlich können das n-PSi und das p-leitende Polymer (p-poly) jeweils mit ohmschen Kontaktierungen versehen werden. Derartige Kondensatoren sind naturgemäß polar; nicht-polare Konfigurationen können durch antiserielle Anordnungen erhalten werden (z.B. Al/n-Si/n-PSi/SiC /p- poly/SiOz/n-PSi/n-Si/AI oder alternativ diskrete antiserielle Schaltung). S1O2 besticht als Dielektrikum, welches vorliegend als hohe Potentialbarriere den als Leckstrom sich zeigenden Tunnelstrom vermindern kann, durch seine herausragend hohe Bandlücke von ca. 8,9eV, hohe effektive Masse der Ladungsträger und ausgeprägtes Fermi-Level- Unpinning an der Grenzfläche n-Si/a-Si02. Allerdings ist seine relative Permittivität mit eG ~ 3,9 vergleichsweise niedrig. Als Beispiel kann die bereits genannte Topologie eines Kondensator-Schichtaufbaus mit Kontaktierung herangezogen werden :
AI/n-Si/n-PSi/a-Si02/p-poly/a-SiC>2/n-PSi/n-Si/AI.
Die Topologie im Filtrierungsbereich (siehe Bereich 13 in Fig. la und lb) ist hier:
n-PSi/a-Si02/p-poly. Zwischen dem AI und dem n-Si kann leicht ein ohmscher Kontakt hergestellt werden. Alternativ kommen bspw. Antimon-Legierungen anstelle des Aluminiums in Betracht, bei denen nach einer Wärmebehandlung ins Substrat eindiffundierte, als n-Donatoren wirksame Antimon-Atome zu einer lokalen (n-)Entartung des n-Siliziums führen.
Wird das n-PSi bis zur Entartung dotiert, und sind auch Leitfähigkeit und Ladungsträgerdichte des Polymers hoch, so wirkt die beschriebene Topologie bei hinreichend dickem a-SiÜ2 wie ein großflächiger Plattenkondensator mit a-Si02 als Dielektrikum (genaugenommen : wie eine antiserielle Schaltung zweier ebensolcher) . Bei Weglassen des a-SiCh kann zwischen dem entarteten n-PSi (bspw. H-terminiert) und dem p-Polymer ein Schottky-Kontakt gebildet werden. Dessen Potentialbarriere SBH ist allerdings grundsätzlich dem Betrag nach geringer als nach der Schottky-Mott-Regel zu erwarten wäre, was auf Fermi-Level-Pinning an den Grenzflächen zurückzuführen ist. Das a-Si02 vermag bereits in sehr dünner Schicht ein Fermi-Level-Unpinning zwischen p- Polymer und dem n-PSi zu bewirken und somit die SBH zu erhöhen.
Mit zunehmender Schichtdicke des a-SiÜ2 verändern sich die elektrischen Eigenschaften der beschriebenen Struktur (AI/n-Si/n-PSi/a-Si02/p-poly/a-Si02/n-PSi/n-Si/AI) graduell von denen zweier antiseriell geschalteten Varaktor-Dioden mit extrem hohen volumenspezifischen Kapazitäten jedoch geringer zulässiger Betriebsspannung zu einem hochgradig linearen Kondensator geringerer volumenspezifischer Kapazität, dafür mit sehr geringen dielektrischen Verlusten und bedarfsweise hoher zulässiger Betriebsspannung.
Zweites Ausführungsbeispiel :
Höhere volumenspezifische Kapazitäten können erreicht werden, indem die a-Si02- Schicht durch ein sog. high k Dielektrikum ersetzt oder ergänzt wird. Hier bieten sich insbesondere - aber nicht ausschließlich - an : ShN4, AI2O3, T1O2, ZrC>2, HfC>2, Ta20s, La2C>3, Y2O3, Ta2Ü5 sowie Silikate der vorgenannten Oxide, und auch deren Mischoxide und Oxynitride. Eine Struktur bzw. Topologie mit Kontaktierung AI/n-Si/n-PSi/a-Ta205/p- poly/Cgraphit/Ag (mit Graphit und Silber zur ohmschen Kontaktierung des p-leitenden Polymers) kann z. B. bei Verwendung von entartetem n-PSi mit geeigneter Mesostruktur/Porösität und hinreichend dicken Ta20s-Schichten die Eigenschaften eines gewöhnlichen Polymer-Tantalkondensators aufweisen, und zwar mit stark vermindertem Ta-Einsatz, da das metallische Ta in der Struktur durch entartetes n-PSi ersetzt ist - und integrierbar in Chips. Die a-TazOs-Schicht kann auf verschiedenen Wegen erhalten werden, zum Beispiel durch elektrochemisches Abscheiden metallischen Tantals und dessen anschließender Anodisierung oder aber durch Atomlagenabscheidung. Störend ist hierbei allerdings die mögliche Überlappung zwischen dem Leitungsband des a-Ta205 und der Fermi-Kante des entarteten n-PSi (geringer Bandabstand, s.o.). Zur Umgehung dieses Problems kann die Anodisierung zuvor elektrochemisch abgeschiedenen Tantals unvollständig erfolgen, sodass eine Ta-Schicht als Substrat für das aufgewachsene a- Ta205 erhalten bleibt, wodurch bezüglich des elektrischen Verhaltens einem herkömmlichen Ta-Polymerkondensator sehr nahe gekommen werden kann - mit dem Unterschied, dass dieser in einfacher Weise in einen monolithischen Chip integriert werden kann. Ein Ersetzen des p-poly durch Braunstein (MnÜ2) ermöglicht in äquivalenter Weise die Integration eines herkömmlichen, „trockenen" Tantal- Kondensators in einen monolithischen Chip. Das Füllen der Poren mit dem MnOz kann hierbei auf bekanntem Wege durch Infiltrieren mit schmelzflüssigem Mn(N03)2*6H20 und dessen Pyrolyse erfolgen, ein Prozess, der ggf. mehrfach wiederholt werden muss.
Drittes Ausführungsbeispiel :
Die Erfindung wird im Weiteren an einem dritten Ausführungsbeispiel anhand der Figuren Fig. la und Fig . lb erläutert:
Fig. la zeigt symbolisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kondensator in einem Wafer. Bereich 10 ist intrinsisches Silizium, Bereich 11 ist entartetes Silizium, Bereich 12 ist n+-Silizium (hoch dotiert jedoch nicht entartet), Bereich 13 ist nachdotiertes, n-leitendes PSi, infiltriert mit p-dotiertem PPy (bevorzugt elektrochemisch dotiert mit LiCICU als Leitsalz) oder PEDOT: PSS, Bereich 14 besteht aus dem vorgenannten p-leitenden Polymer, Bereich 15 ist eine Graphitschicht zur ohmschen Kontaktierung des Polymers, Bereich 17 ist Silber zur Kontaktierung des Graphits mit angedeuteter Zuleitung, Bereich 16 ist Aluminium zur ohmschen Kontaktierung von Bereich 12 über den entarteten Bereich 11, ebenfalls mit angedeuteter Zuleitung.
Fig. lb zeigt symbolisch einen Ausschnitt des Schichtaufbaus in Grenzbereich zwischen der Schicht 13 und 14 in Fig. la; auf dem porösen Silizium 12 ist nachdotiertes, n- leitendes PSi in galvanischem Kontakt mit dem n-leitenden„bulk" n+-Si entsprechend Bereich 12 aus Fig. la; in Fig . lb steht das Bezugszeichen 12 also inmitten einer Porenwand und bildet einen sogenannten Steg aus, die typischerweise 0.1 bis 1 mm lang sind und aus dem n-leitenden„bulk" n+-Si herausragen. Eine Pore wird hier zwischen diesem Steg und einem benachbarten Steg (nicht gezeigt) ausgebildet. Schicht 18 ist eine Schicht a-SiC>2, beispielsweise durch Anodisieren, thermisches Oxidieren oder Atomlagenabscheidung erhalten, die möglichst gleichmäßiger Dicke ist, und deren mittlere Dicke beispielsweise lnm beträgt. Bereich 19 symbolisiert eine Schicht aus einem oder mehreren der o.g. sog. high k Dielektrika, beispielsweise a-A Ch, ZrC>2, HfC>2 oder LaAI03, und weist beispielsweise eine mittlere Dicke von 4nm auf. Mit Bezugszeichen 14 wird in Figur lb wiederum das hier die Poren (zwischen zwei Stegen) füllende p-leitende Polymer dargestellt. Für den Kern der Erfindung ausschlaggebend ist Fig. lb, während Fig. la lediglich eine mögliche Implementierung zeigt (mit externen Kontaktierungen).
Zusätzliche Betrachtungen und Ausgestaltungen der Erfindung :
Einen weiteren Aspekt der Erfindung stellen mögliche Ionenleitfähigkeiten der beteiligten Werkstoffe dar. Wird beispielsweise ein ionenleitendes Dielektrikum gewählt, so können innerhalb des Dielektrikums Helmholtz-Schichten ausgebildet werden und das Baulelement kann hohe Pseudokapazitäten aufweisen und/oder sich gar wie ein Akkumulator verhalten. Ist andererseits ein beteiligter Halbleiter, beispielsweise ein konjugiertes Polymer, hinreichend ionenleitend, so kann im Sperrbetrieb die Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht im Polymer die Ausbildung einer ausgedehnten Raumladungszone (Verarmungszone) hemmen, wodurch der „Kapazitätsverlust" im Sperrbetrieb kompensiert oder sogar überkompensiert werden kann. Hier kommen insbesondere Lithiumionen leitende konjugierte Polymere in Betracht.
Ein besonders interessanter Aspekt der Erfindung besteht darin, dass im Sperrbetrieb eine sich in dem oder den Halbleitern bildende Raumladungszone Defekte bzw. Unebenheiten eines Dielektrikums auszugleichen vermag, sodass das Dielektrikum optimal ausgenutzt werden kann.
Abschließend werden zum besseren Verständnis der Erfindung verschiedene Systeme aufgeführt und erläutert. Viertes Ausführungsbeispiel :
Die Topologie im Filtrierungsbereich ist hier gegeben durch :
n-PSi/SiOz/p-PPy, n-PSi/Si02/PEDOT: PSS
Diese Systeme machen sich die hohe Potentialbarriere zwischen n-PSi und den genannten p-leitenden Polymeren zunutze; das SiOz bewirkt einerseits eine Annäherung der Potentialbarriere an den theoretischen Wert (Fermi-Level-Unpinning), andererseits vermindert es als effektive Tunnelbarriere den Leckstrom. Bei sehr dünnen SiOz- Schichten, beispielsweise im Bereich von 0.25 bis 2nm, fällt ein beträchtlicher Teil des elektrostatischen Potentials nicht etwa im Dielektrikum sondern in der oder den Raumladungszonen in den Halbleitern (n-PSi einerseits, p-type Polymer andererseits) ab. Dies führt einerseits zu einem ausgeprägt nichtlinearen Verhalten der Kapazität in Abhängigkeit von der Ladespannung sowie einer vergleichsweise kleinen zulässigen Ladespannung; andererseits sind die genannten Systeme vergleichsweise einfach herzustellen, die erzielbare spezifische Kapazität ist hoch und die erzielbare ESR (engl. Electrical Series Resistance) sehr gering.
Fünftes Ausführungsbeispiel :
Die Topologie im Filtrierungsbereich ist hier gegeben durch :
n-PSi/SiOz/AlzOs/p-PPy, n-PSi/Si0z/AI203/PED0T: PSS, n-PSi/SiOz/Alz03/p-Si(amorph)/Au
Diese Systeme nutzen aus, dass die Atomlagenabscheidung amorphen Aluminiumoxids hervorragend beherrscht wird und Aluminiumoxid als a-AI203 bei einer nahezu gleichgroßen Bandlücke wie a-SiOz eine gut doppelt so hohe relative Dielektrizitätskonstante aufweist. Das zuletzt genannte System, in dem p-dotiertes amorphes Silizium die Poren des n-PSi infiltriert, weist eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit auf. Zudem bildet das Au zwar leicht einen ohmschen Kontakt mit dem p-Si(amorph), jedoch mit den übrigen Konstituenten einen gleichrichtenden MIS-Kontakt vom Schottky-Typ, weshalb es hier - obwohl im vorliegenden Beispiel hauptsächlich der ohmschen Kontaktierung dienend - extra erwähnt wird. Sechstes Ausführungsbeispiel:
Die Topologie im Filtrierungsbereich ist hier gegeben durch :
p-PSi/Si02/Ti02/PED0T : PSS
Dieses System nutzt die hohe relative Dielektrizitätskonstante des Ti02 sowie dessen Eigenschaft, eine hohe Tunnelbarriere für Defektelektronen zu bilden.
Siebentes Ausführungsbeispiel:
Die Topologie im Filtrierungsbereich ist hier gegeben durch :
n-PSi : H/ionic liquid/p-PSi: H, n-PSi/TiN/ionic liquid/TiN/n-PSi, n-PSi/ZrN/ionic liquid/ZrN/n-PSi
Die nachträgliche Dotierung des porösen Siliziums kann jeweils bis zur Entartung geführt werden.
Diese Systeme verwenden anstelle eines konjugierten Polymers vielmehr eine sog. „ionische Flüssigkeit" (ionic liquid), und zwar bevorzugt solche mit einem für die jeweiligen Umgebungsbedingungen hinreichend niedrigen Schmelzpunkt bzw. Schmelzbereich (ausschlaggebend ist die Liquidustemperatur) sowie möglichst hoher (ionischer) elektrischer Leitfähigkeit, worunter vorliegend eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 2mS/cm und weiter bevorzugt mehr als 10mS/cm und weiter bevorzugt mehr als 20mS/cm bei Raumtemperatur zu verstehen ist, sowie einem möglichst hohen Potentialfenster, worunter vorliegend ein Potentialfenster von wenigstens 4,1V und weiter bevorzugt mehr als 5V und weiter bevorzugt mehr als 5,5V zu verstehen ist. Im Vergleich zu erfindungsgemäßen Kondensatoren, welche ausschließlich elektronische Leiter enthalten, ist zwar der Innenwiderstand erhöht, dafür werden außerordentlich hohe Energiedichten erreicht (geringer effektiver „Plattenabstand" der elektrochemischen Doppelschicht -> hohe Kapazität, weites Potentialfenster -> hohe Betriebsspannung), und es können extrem niedrige Leckströme erzielt werden. Damit sind derartige Kondensatoren besonders geeignet, Energie zur Verfügung zu stellen, um den Speicherinhalt von RAM-Bauelementen unterschiedlicher Art zu erhalten. Die genannten Systeme stellen eine substanzielle Verbesserung zu den vom VTT vorgeschlagenen dar. Als ionische Flüssigkeit hervorragend geeignet ist vorliegend l-Ethyl-3-Methylimidazolium-Dicyanamid (EMI-DCA). Werden in erfindungsgemäßen Kondensatoren ionische Flüssigkeiten zum Füllen der Poren verwendet, so können diese bevorzugt in mit Hilfe elektrochemisch hinreichend stabiler Polymere geliert werden. Eine Zwischenform zwischen den vorgenannten Systemen, in welchen die Poren des Halbleiters entweder mit halbleitendem und insbesondere p- leitendem Polymer oder ionischer Flüssigkeit gefüllt sind, ergibt sich, wenn die ionische Flüssigkeit durch suspendieren eines konjugierten und insbesondere p-leitenden Polymers darin geliert wird. Derartige Gele können ggf. durch z.B. anodische Polymerisation geeigneter ionischer Flüssigkeiten in situ erhalten werden.
Weitere Ausführungshinweise:
Grundsätzlich kann bei den vorgenannten Systemen, welche als Bestandteil ein p- leitendes konjugiertes Polymer und hier insbesondere p-PPy, oxidiertes PEDOT, PEDOT: PSS enthalten, das Polymer durch ein Metall hoher Austrittsarbeit ersetzt werden, was zu besonders geringen Innenwiderständen bei allerdings erhöhten Leckwiderständen und vergleichsweise niedriger zulässiger Betriebsspannung führt. Infrage kommen vor allem Gold und Platin sowie deren Legierungen, welche in einfacher Weise via chemischer Gasphasenabscheidung nach bekannten Verfahren direkt in die Poren hinein abgeschieden werden können; die Kontaktierung ist trivial.
Bei der weiter oben beschriebenen antiseriellen Anordnung zweier erfindungsgemäßer Kondensatoren mit Dioden-Verhalten kann auch bei Integration beider Bauelemente in einen monolithischen Chip eine Mittelanzapfung vorgesehen werden. Dies ermöglicht jeweils wahlweise:
-- die Erzeugung einer besonders hohen Kapazität, indem beide Kondensatoren parallel und in Durchlassrichtung betrieben werden; - die Erzeugung einer hohen Kapazität, indem nur einer von beiden Kondensatoren betrieben wird, und zwar in Durchlassrichtung;
- ein besonders lineares Verhalten über einen vergleichsweise hohen Spannungsbereich im antiseriellen Betrieb;
- Varaktor-Verhalten mit hoher initialer Kapazität bei Betrieb von nur einem beider Kondensatoren in Sperrrichtung;
- Varaktor-Verhalten mit besonders hoher initialer Kapazität bei Parallelbetrieb beider Kondensatoren in Sperrrichtung
Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Kondensatoren :
Im Folgenden wird beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Kondensatoren beschrieben; die Beschreibung ist wiederum keineswegs einschränkend zu verstehen.
Zur Herstellung eines entsprechenden Kondensators kann zunächst durch reaktives Ionen-Tiefätzen intrinsischen Siliziums eine Graben-Struktur wie in Fig . la geschaffen werden (für den Fachmann selbstverständliche Maskierungsschritte etc. werden nicht erläutert). Sodann wird die Graben-Struktur beispielsweise aus der Gasphase n-dotiert, wodurch der in Fig. la gezeigte, n+-leitende Bereich 12 mit geschaffen wird. Anschließendes Ätzen (chemisch oder elektrochemisch) wandelt die Oberfläche bis zu einer gewissen Ätztiefe in den porösen Bereich (PSi) 13 um, der zunächst elektrisch nahezu isolierende Eigenschaften aufweist (zumindest im Dunkeln). Anschließend wird das PSi getrocknet, vorzugsweise durch überkritisches Trocknen, und sodann beispielsweise aus der Gasphase nachdotiert (n-type). Anschließend wird durch anodisches oder thermisches Oxidieren oder durch CVD-Verfahren wie die Atomlagenabscheidung eine möglichst uniforme erste dielektrische Schicht aus a-Si02 auf die Porenwände des n-PSi aufgebracht. Danach kann eine zweite möglichst uniforme dielektrische Schicht auf die erste aufgebracht werden, insbesondere vermittels Atomlagenabscheidung und bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der o.g. high k Dielektrika (und insbesondere a-Ah03 oder ZrOi). Anschließend werden die Poren gefüllt. (Eine Füllung mit p-PPy kann ggf. durch anodische Polarisation von Pyrrol erfolgen; hierbei kann eine durch entsprechende Prozessführung leicht herbeizuführende Entartung des„bulk"-Siliziums im Bereich der Porenböden (infolge des Nachdotierens) ausgenutzt werden, allerdings muss der zugehörige Faraday-Strom im Bereich der Porenböden durch das Dielektrium geführt werden.) Ein Füllen der dielektrisch beschichteten Poren ist auch durch Tauchen/Trocknen mit PEDOT: PSS mit kommerziell erhältlichen oligomeren Suspensionen möglich, dies bietet zudem den Vorteil der hohen Temperaturstabilität des PEDOT: PSS, welche letztlich das sichere, einfache, zerstörungsfreie Verlöten entsprechender Bauelemente insbesondere mit höher schmelzenden zinnfreien Loten vereinfachen oder erst ermöglichen kann.
Für den porösen Halbleiter ist eine möglichst uniforme Porengröße anzustreben.

Claims

Ansprüche
1. Kondensator umfassend :
einen ersten porösen Ha lbleiter ( 13) mit einer mittleren Poreng röße zwischen 20nm und 200nm und bevorzugt zwischen 40nm und lOOnm;
zumindest einen zweiten elektrischen Leiter (14),
wobei der zweite elektrische Leiter (14) die poröse Struktur infiltriert und die beteiligten Materialien dahingehend ausgewählt werden, dass zwischen dem ersten porösen Ha lbleiter und dem zweiten elektrischen Leiter ohne Anlegen einer äußeren Spannung infolge der Diffusion von Ladungsträgern ein Heterokontakt mit einer Potentialbarriere gebildet wird, welche bevorzugt mehr als 0,5V, weiter bevorzugt mehr als 0,7V, weiter bevorzugt mehr als IV und weiter bevorzugt mehr als 1,4V beträgt.
2. Kondensator gemäß Anspruch 1, wobei der erste poröse Halbleiter ( 13) aus porösem Silizium besteht, und zwar insbesondere aus n-dotiertem porösen Silizium.
3. Kondensator gemäß Anspruch 2, wobei das poröse Silizium H-terminiere Oberflächen aufweist.
4. Kondensator gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen dem ersten porösen Ha lbleiter (13), bevorzugt n-dotiertem porösen Silizium, und dem zweiten elektrischen Leiter eine dielektrische Schicht (18, 19) angeordnet ist, deren mittlere Dicke zwischen 0,25nm und 25nm und besonders bevorzugt lnm bis lOnm beträgt.
5. Kondensator gemäß Anspruch 4, wobei die dielektrische Schicht (18, 19) ganz oder überwiegend aus S1O2 besteht.
6. Kondensator gemäß Anspruch 4, wobei die dielektrische Schicht (18, 19) ganz oder überwiegend aus einem high k Dielektrikum besteht, und hier insbesondere aus S13N4, AI2O3, T1O2, ZrÜ2, HIΌ2, Ta20s, La203, Y2O3, Ta2Ü5 sowie Silikaten der vorgenannten Oxide und/oder deren Mischoxide und Oxynitride.
7. Kondensator gemäß Anspruch 5 und 6, wobei die dielektrische Schicht ( 18, 19) mehrlagig aufgebaut ist und bevorzugt sowohl S1O2 als auch eines oder mehrere der vorgenannten high k Dielektrika umfasst, wobei die Schicht aus vorzugsweise amorphem S1O2 bevorzugt auf dem porösen ersten Halbleiter (13) aufgebracht ist und eine mittlere Dicke von 0,25nm bis l,5nm aufweist und der oder die high k Dielektrika, vorzugsweise amorphes AI2O3, auf dem S1O2 aufgebracht sind, wobei die mittlere Gesamtd icke der dielektrischen Schicht (AI2O3 + S1O2) zwischen 3nm und lOnm beträgt.
8. Kondensator gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, wobei es sich bei dem zweiten elektrischen Leiter um p-dotiertes amorphes Silizium handelt.
9. Kondensator gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, wobei der zweite elektrische Leiter ein p-dotiertes konjugiertes organisches Polymer enthält, insbesondere PEDOT: PSS, Tosylat-dotiertes PEDOT oder Polypyrrol mit vorzugsweise L1CIO4 als Leitsalz.
10. Kondensator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine ionische Flüssig keit, eine gelierte ionische Flüssigkeit, eine mit einem konj ugierten Polymer gelierte ionische Flüssigkeit oder eines oder mehrere Edelmeta lle als zweiter elektrischer Leiter fungieren.
11. Kondensator gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, wobei der Kondensator mindestens ein Mittel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der vom ersten Halbleiter gebildeten porösen Struktur umfasst.
12. Kondensator gemäß Anspruch 11, wobei das Mittel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der vom ersten Halbleiter gebildeten porösen Struktur in zusätzlichen Fremdatomen im ersten Halbleiter besteht, der poröse erste Halbleiter also nachdodiert ist.
13. Kondensator gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das Mittel zur Erhöhung der Leitfähigkeit der vom ersten Halbleiter gebildeten porösen Struktur derart ausgebildet ist, dass auf die porösen Struktur eine elektronisch leitende Schicht aufgebracht ist, beispielsweise aus einem Metall und hier insbesondere Niob, Tantal, oder Aluminium, oder Übergangsmetallnitride und hier besonders TiN, ZrN, HfN und/oder deren Legierungen.
14. Kondensator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Dotierung im Halbleiter derart bemessen wird, dass eine Ladespannung existiert, bei der im dynamischen Gleichgewicht die mittlere Dicke der Raumladungszone in den Porenwänden des porösen Halbleiters im Sperrbetrieb zumindest die halbe mittlere Dicke der Porenwände erreichen kann, ohne dass ein Zener- oder
Tunneldurchbruch stattfindet.
15. Monolithischer Schaltkreis mit einem oder mehreren Kondensator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.
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