WO2021255236A1 - Transparent resonant-tunneling diode and method for producing same - Google Patents

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WO2021255236A1
WO2021255236A1 PCT/EP2021/066581 EP2021066581W WO2021255236A1 WO 2021255236 A1 WO2021255236 A1 WO 2021255236A1 EP 2021066581 W EP2021066581 W EP 2021066581W WO 2021255236 A1 WO2021255236 A1 WO 2021255236A1
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WO
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layer
oxide layer
transition metal
metal oxide
tunnel diode
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PCT/EP2021/066581
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Inventor
Carmel Mary Esther ALPHONSE
Stefan OSTENDORP
Gerhard Wilde
Mohan Muralikrishna GARLAPATI
Original Assignee
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N80/00—Bulk negative-resistance effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N80/00—Bulk negative-resistance effect devices
    • H10N80/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the invention relates to a resonant tunnel diode comprising an electrically insulating substrate, a metal layer and a transition metal oxide layer.
  • the invention also relates to a method for producing the resonant tunnel diode.
  • a tunnel diode is a semiconductor component which, due to the quantum mechanical effect of tunneling, shows a current-voltage characteristic that has a negative differential resistance in one area. In this area, an increase in the voltage does not lead to an increase in the current intensity, as is usual for normal diodes, but to a decrease in the current intensity.
  • a resonant tunnel diode enables this behavior in that the potential distribution of the resonant tunnel diode has several potential barriers which the electrodes must tunnel through in order to generate an electrical current.
  • the probability of tunneling depends on the level of the quantized energy state between the tunnel barriers, which results in the negative differential resistance.
  • resonant tunnel diodes have a complex structure with several layers made of different materials. Some tunnel diodes are made from an n-doped germanium or gallium arsenide layer into which a smaller layer of indium is alloyed. Due to the complex layer structure, the production of resonant tunnel diodes is complex.
  • the US Pat. No. 10,600,961 B2 describes a threshold value switching device based on vanadium dioxide (VO2), which has a current-controlled negative differential resistance, and a manufacturing method for the threshold value switching device.
  • VO2 vanadium dioxide
  • the US Pat. No. 6,534,784 B2 describes an electron tunneling device, whereby two layers are used to transport electrons between two non-insulating layers mutually different metal oxide layers are formed between the two non-insulating layers.
  • a further object of the invention is to provide a method by means of which a resonant tunnel diode can be produced without great effort.
  • a resonant tunnel diode comprising an electrically insulating substrate, a metal layer and a transition metal oxide layer is thus provided, the metal layer being applied to the substrate and the transition metal oxide layer being applied to the metal layer, and the metal layer and the transition metal oxide layer having an amorphous structure .
  • a key aspect of the invention is that the metal layer and the transition metal oxide layer have an amorphous structure.
  • Resonant tunnel diodes generally have complex structures with at least three layers that are applied to the substrate. In the present invention, however, only two layers, namely the metal layer and the transition metal oxide layer, are applied to the substrate. Because the metal layer and the transition metal oxide layer are amorphous in their structure, the present invention succeeds with only two layers that are applied the electrically insulating substrate are applied to show a current-voltage characteristic of a resonant tunnel diode. The structure of the resonant tunnel diode is thus greatly simplified, so that the production of the resonant tunnel diode is also less complex.
  • a layer is understood to be a three-dimensional object, the extent of which in a two-dimensional area is many times greater than its extent perpendicular to it.
  • the metal atoms in the metal layer are preferably in the zero oxidation state.
  • the metal layer thus preferably exhibits metallic properties such as electrical conductivity and thermal conductivity.
  • a transition metal oxide is understood to mean a compound of a transition metal with oxygen.
  • a resonant tunnel diode is understood to mean a semiconductor component whose current-voltage characteristic has at least one region with a negative differential resistance.
  • the resonant tunnel diode thus comprises the electrically insulating substrate, the metal layer and the transition metal oxide layer.
  • the substrate preferably provides at least one two-dimensional surface to which the metal layer and transition metal oxide layer are applied.
  • the two-dimensional surface can be a flat surface or it can also be curved.
  • the metal layer is preferably applied to the substrate in such a way that the substrate is covered flat by the metal layer.
  • the transition metal oxide layer is applied to the metal layer.
  • the transition metal oxide layer is preferably also applied to the metal layer in such a way that the metal layer is covered flatly by the transition metal oxide layer.
  • the resonant tunnel diode has a structure in which the metal layer is located between the electrically insulating substrate and the transition metal oxide layer. With the exception of the metal layer, there are preferably no further layers between the substrate and the transition metal oxide layer.
  • the metal layer and the transition metal oxide layer have an amorphous structure. This means the atoms in the metal layer and the atoms in the transition metal oxide layer have no long-range order, in particular no translational symmetry as in a crystalline layer.
  • the structural state of the metal layer and / or the transition metal oxide layer can preferably be determined by means of transmission electron microscopy and / or X-ray diffractometry with grazing incidence.
  • the resonant tunnel diode according to the invention is particularly suitable for use in self-tunable switches, high-speed oscillators, memory cells and / or logic circuits.
  • a layer thickness of the metal layer is between 10 nm and 25 nm and / or a layer thickness of the transition metal oxide layer is between 15 nm and 50 nm.
  • the layer thickness of the metal layer is preferably 20 nm +/- 2 nm and the layer thickness of the transition metal oxide layer 40 nm +/- 2 nm.
  • the layer thickness is preferably the extent of the layer parallel to the surface normal of the two-dimensional surface provided by the substrate.
  • an optical transmittance through the metal layer and the transition metal oxide layer perpendicular to the layers is> 50%.
  • the optical transmittance is a quantity for the permeability of the metal layer and the transition metal oxide layer for light waves and indicates how great the intensity of the light wave after passing through the two layers is compared to the output intensity of the light wave.
  • the optical transmission for light with a wavelength between 420 nm and 750 nm is preferably> 50%, particularly preferably> 55%.
  • the resonant tunnel diode has the advantage that it can be used as a component in photonic systems in which optical methods and technologies are used for transmission, storage and processing of information can be used.
  • the resonant tunnel diode is particularly suitable as a component in optical neural networks in which neural networks are implemented using optical circuits.
  • the transparent, resonant tunnel diode is particularly suitable for transparent, self-tuning switches, high-speed oscillators, memory cells and / or logic circuits in displays, optical communication systems, smart windows and / or smart glass. Optically transparent switches are essential for such applications.
  • the metal layer and the transition metal oxide layer basically different metals and transition metal oxides can be used.
  • the metal layer is an aluminum layer and / or the transition metal oxide layer is a vanadium (V) oxide layer.
  • V vanadium
  • the layer structure described shows a current-voltage characteristic of a resonant tunnel diode even at room temperature.
  • Vanadium (V) oxide also known as vanadium pentoxide, is a stable vanadium-oxygen compound with the ratio formula V2O5. Due to the stability of the material, the resonant tunnel diode is not susceptible to oxidation and is therefore very robust and durable.
  • the layer made of the transition metal oxide V2O5 can comprise small proportions of intrinsic oxide impurities.
  • the minor oxidation states can be VO2, V2O3 or other typical vanadium-containing oxide phases.
  • the purity of the V2O5 in the vanadium (V) oxide layer can vary between 90% and greater than 99%.
  • the metal layer can consist of combinations or composites of the following elements or compounds: Pt, Pd, Cu, Ni, Mo, Ta, W and / or Si. Furthermore, TiN, TaN and / or WN can be used as materials for the metal layer. Although the metal in these nitride compounds is not in the zero oxidation state, these materials have metallic properties and are therefore suitable as a material for the metal layer.
  • the substrate is an electrically insulating, i.e. a non-electrically conductive substrate. This preferably means that the electrical conductivity of the substrate is less than 10 8 S cm 1 .
  • the substrate is optically transparent and / or the substrate is made of glass and / or a polymer.
  • the resonant tunnel diode is optically transparent.
  • the resonant tunnel diode preferably has an optical transmission of> 50%, the optical transmission particularly preferably being perpendicular to the layers, i.e. parallel to the surface normal of the two-dimensional surface provided by the substrate, at a wavelength between 420 nm and 750 nm> 50%.
  • the substrate is preferably made of quartz glass or of the polymer polyimide.
  • the resonant tunnel diode comprises two electrodes, the electrodes being applied to the transition metal oxide layer at a distance from one another.
  • the electrodes can in principle consist of any material with good electrical conductivity. However, it is preferably provided that the electrodes are made of gold, silver, platinum, copper, indium tin oxide (ITO) and / or OFHC copper or of alloys and / or composites made of these materials.
  • OFHC copper is an alloy made of copper that has a high thermal conductivity and preferably has an oxygen content below 0.001%.
  • the electrodes made of indium tin oxide are particularly preferred, since this material has the advantage that it can be used to provide optically transparent electrodes. In this way, the optical transmission of the resonant tunnel diode and / or the metal layer and transition metal oxide layer can be maintained.
  • the electrodes are applied to the transition metal oxide layer by means of a lithographic process, there being a flat, physical contact between the transition metal oxide layer and the electrode.
  • the electrodes can be used as measuring tips be brought into physical contact with the transition metal oxide layer.
  • the formulation that the electrodes are spaced from one another preferably means in the present case that the two electrodes are not in physical contact with one another on the transition metal oxide layer. For example, a distance between the electrodes can be a few nanometers to several centimeters.
  • a further preferred development of the invention provides that when a voltage is applied to the electrodes, the resonant tunnel diode has a current-voltage characteristic with at least one negative differential resistance at room temperature. This means that when the current intensity is graphically plotted against the voltage, the current-voltage characteristic has at least one area in which the current intensity decreases despite the increasing voltage. In this sense, room temperature means a temperature between 0 ° C and 40 ° C.
  • the method provides that the metal layer is applied by means of direct sputtering and the transition metal oxide layer is applied by means of reactive sputtering.
  • Sputtering also known as cathode atomization
  • a material source is converted into the gas phase by bombarding it with high-energy ions, i.e. it is atomized, in order to then be deposited as a layer on the substrate.
  • a plasma is preferably ignited in a vacuum chamber by applying a voltage between a cathode and an anode.
  • the ions which are mainly accelerated in the cathode case, can knock atoms out of the surface of the material source due to their high kinetic energy when they hit the material source and thus atomize the material source.
  • Reactive sputtering is when one or more reactive gases, for example oxygen and / or nitrogen, are added to an inert working gas. The reactive gases react with the atomized material source and form new materials, which are then deposited as a layer on the substrate.
  • the method according to the invention provides that the electrically insulating substrate is provided.
  • the metal layer is applied using direct sputtering. The metal layer is applied to the substrate in such a way that an amorphous structure of the metal layer is formed.
  • the transition metal oxide layer is applied to the metal layer by means of reactive sputtering. The transition metal oxide layer is also applied to the metal layer in such a way that the transition metal oxide layer has an amorphous structure. The method thus enables the layer structure of the resonant tunnel diode to be produced in a simple and robust manner.
  • step b) and / or step c) is carried out at room temperature.
  • room temperature means a temperature between 0 ° C and 40 ° C.
  • the metal layer is an aluminum layer and is applied in step b) in an inert working gas with an applied power of 15 W to 30 W.
  • the inert working gas is preferably argon with a purity of 99.998%. More preferably, the applied power is 25 W +/- 3 W. It has been shown that under these conditions, an amorphous aluminum layer can be produced particularly well and reliably on the substrate. More preferably, the layer thickness can be controlled over the duration of the coating process.
  • the transition metal oxide layer is a vanadium (V) oxide layer and, in step c), an oxygen content in an inert working gas between 33% V / V and 67% V / V and / or the vanadium (V) oxide layer is applied to the metal layer with an applied power between 35 W and 45 W.
  • the inert working gas is preferably argon. It has been shown that with an oxygen content of preferably 35% V / V and the power of 35 W to 40 W, an amorphous vanadium (V) oxide layer can be produced particularly well and reliably on the metal layer and particularly preferably on the aluminum layer.
  • step b), i.e. the coating of the substrate with the metal layer and step c), i.e. the coating of the metal layer with the transition metal oxide layer, take place one after the other without the metal layer applied to the substrate being exposed to an oxygen-containing atmosphere in the meantime .
  • the method additionally includes the following step: d) Lithographic application of two electrodes spaced apart from one another on the transition metal oxide layer.
  • the electrodes are therefore preferably applied to the transition metal oxide layer by means of the lithographic method.
  • This preferably includes producing a lithographic mask comprising open mask areas on the transition metal oxide layer.
  • the lithographic mask is more preferably produced by applying a photosensitive photoresist to the transition metal oxide layer and using an exposure process to transfer an image of the lithographic mask onto the photosensitive photoresist.
  • the exposed areas of the photoresist are preferably dissolved or, alternatively, the unexposed areas of the photoresist are dissolved in order to produce the lithographic mask in this way.
  • Electrode material is then preferably introduced into the open mask areas of the lithographic mask in order to apply the electrodes to the transition metal oxide layer.
  • FIG. 1 shows a schematic representation in two views of a transparent resonant tunnel diode according to a preferred exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a current-voltage characteristic of the transparent resonant
  • FIGS. 1 and lb) are schematically an exploded view and in Figure lb) is a schematic sectional view of a transparent resonant tunnel diode 10, according to a preferred embodiment of the invention can be seen.
  • the resonant tunnel diode 10 comprises an electrically insulating substrate 12, a metal layer 14 and a transition metal oxide layer 16.
  • the substrate 12 is a glass substrate 12
  • the metal layer 14 is an aluminum layer 14
  • the transition metal oxide layer 16 is a vanadium (V) oxide layer 16 with the ratio formula V2O5.
  • the metal layer 14 and the transition metal oxide layer 16 are amorphous in their structure, that is to say the atoms have no long-range order. It can be seen from FIGS.
  • a layer thickness 20 of the metal layer is 1420 nm and a layer thickness 22 of the transition metal oxide layer is 40 nm, the information on the layer thicknesses 20 and 22 each referring to an extension perpendicular to the flat surface 18 or parallel to the surface normal of the surface 18.
  • the metal layer 14 was produced with direct sputtering and the transition metal oxide layer 16 with reactive sputtering, the direct sputtering as well as the reactive sputtering at room temperature, in the present case 20 ° C., being carried out in direct succession.
  • the coating of the substrate 12 with the metal layer 14 was carried out in an inert atmosphere under argon gas with a purity of 99.998%. Furthermore, an electrical power of 25 W was applied between the cathode and anode.
  • the oxygen content in the argon gas was 33% v / v. In this step, an electrical power of 40 W was applied between the cathode and anode, the metal layer not being exposed to an oxygen-containing atmosphere before it was coated with the transition metal oxide layer 16.
  • the resonant tunnel diode 10 is optically transparent.
  • the resonant tunnel diode 10 has an optical transmission of 55% for light 24 with a wavelength of 532 nm. This means that an intensity L of the light 24 after passing through the resonant tunnel diode 10 perpendicular to the surface 18 is still 55% of the initial intensity Io.
  • FIG. 2 shows a current-voltage characteristic 26 of the transparent resonant tunnel diode 10 from FIG. 1 during a sheet resistance measurement.
  • two electrodes (not shown) were physically brought into contact with the transition metal oxide layer 16 as measuring tips. There was a distance of 0.5 cm between the measuring tips of the electrodes.
  • a voltage was applied to the electrodes and the current flowing between the electrodes was recorded.
  • the applied voltage is plotted on the X-axis 28 in volts and the current flow on the Y-axis 30 is given in milliamperes.
  • the current-voltage characteristic 26 shows an area with a negative differential resistance 32 at approximately 4.5 to 5 V. In this area, the current flow drops despite the increasing voltage.
  • the current-voltage characteristic 26 was determined with a “Semiconductor Characterization System” measuring device (model: Keithley SCS-4200) at room temperature (20 ° C.).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

The invention relates to a resonant-tunneling diode (10) comprising an electrically insulating substrate (12), a metal layer (14), and a transition metal oxide layer (16). The metal layer (14) is applied onto the substrate (12), and the transition metal oxide layer (16) is applied onto the metal layer (14). The metal layer (14) and the transition metal oxide layer (16) have an amorphous structure. The invention additionally relates to a method for producing a resonant-tunneling diode (10) comprising an electrically insulating substrate (12), a metal layer (14), and a transition metal oxide layer (16), having the steps of: a) providing the substrate (12), b) coating the provided substrate (12) with the metal layer (14) using a direct sputtering process such that the metal layer (12) has an amorphous structure, and c) coating the metal layer (14) with the transition metal oxide layer (16) using a reactive sputtering process such that the transition metal oxide layer (16) has an amorphous structure.

Description

Transparente Resonante Tunneldiode und Verfahren zu ihrer Herstellung Transparent resonant tunnel diode and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft eine resonante Tunneldiode umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Metallschicht und eine Übergangsmetalloxidschicht. The invention relates to a resonant tunnel diode comprising an electrically insulating substrate, a metal layer and a transition metal oxide layer.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der resonanten Tunneldiode. The invention also relates to a method for producing the resonant tunnel diode.
Eine Tunneldiode ist ein Halbleiterbauelement, das aufgrund des quantenmechanischen Effektes des Tunnelns eine Strom- Spannungscharakteristik zeigt, die in einem Bereich einen negativen differentiellen Widerstand aufweist. In diesem Bereich führt eine Erhöhung der Spannung nicht wie für gewöhnliche Dioden üblich zu einer Erhöhung der Stromstärke, sondern zu einem Absinken der Stromstärke. A tunnel diode is a semiconductor component which, due to the quantum mechanical effect of tunneling, shows a current-voltage characteristic that has a negative differential resistance in one area. In this area, an increase in the voltage does not lead to an increase in the current intensity, as is usual for normal diodes, but to a decrease in the current intensity.
Eine resonante Tunneldiode ermöglicht dieses Verhalten, indem die Potentialverteilung der resonanten Tunneldiode mehrere Potentialbarrieren aufweist, welche von den Elektroden durchtunnelt werden müssen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns ist abhängig vom Niveau des quantisierten Energiezustandes zwischen den Tunnelbarrieren, wodurch sich der negative differenzielle Widerstand ergibt. A resonant tunnel diode enables this behavior in that the potential distribution of the resonant tunnel diode has several potential barriers which the electrodes must tunnel through in order to generate an electrical current. The probability of tunneling depends on the level of the quantized energy state between the tunnel barriers, which results in the negative differential resistance.
In der Regel weisen resonante Tunneldioden einen komplexen Aufbau mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf. Einige Tunneldioden werden aus einer n- dotierten Germanium- oder Galliumarsenid-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus Indium einlegiert wird. Aufgrund des komplexen Schichtaufbaues ist auch die Herstellung von resonanten Tunneldioden aufwändig. As a rule, resonant tunnel diodes have a complex structure with several layers made of different materials. Some tunnel diodes are made from an n-doped germanium or gallium arsenide layer into which a smaller layer of indium is alloyed. Due to the complex layer structure, the production of resonant tunnel diodes is complex.
Das Patent US 10 600 961 B2 beschreibt eine auf Vanadiumdioxid (VO2) basierende Schwellwertschaltvorrichtung, die einen stromgesteuerten negativen differenziellen Widerstand aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren für die Schwellwertschaltvor richtung. The US Pat. No. 10,600,961 B2 describes a threshold value switching device based on vanadium dioxide (VO2), which has a current-controlled negative differential resistance, and a manufacturing method for the threshold value switching device.
Das Patent US 6,534,784 B2 beschreibt eine Elektronen-Tunneling- Vorrichtung, wobei zum Transport von Elektronen zwischen zwei nicht isolierenden Schichten zwei voneinander unterschiedliche Metalloxidschichten zwischen den zwei nicht isolierenden Schichten ausgebildet sind. The US Pat. No. 6,534,784 B2 describes an electron tunneling device, whereby two layers are used to transport electrons between two non-insulating layers mutually different metal oxide layers are formed between the two non-insulating layers.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine resonante Tunneldiode bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereit zustellen, durch welches ohne großen Aufwand eine resonante Tunneldiode hergestellt werden kann. It is therefore the object of the invention to provide a resonant tunnel diode which has a simple structure. A further object of the invention is to provide a method by means of which a resonant tunnel diode can be produced without great effort.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevor zugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. This problem is solved by the subject matter of the independent claims. Before ferred further developments of the invention are described in the subclaims.
Erfmdungsgemäß wird somit eine resonante Tunneldiode umfassend ein elektrisch isolie rendes Substrat, eine Metallschicht und eine Übergangsmetalloxidschicht bereitgestellt, wobei die Metallschicht auf dem Substrat aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxid schicht auf der Metallschicht aufgebracht ist, und wobei die Metallschicht und die Über gangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweisen. According to the invention, a resonant tunnel diode comprising an electrically insulating substrate, a metal layer and a transition metal oxide layer is thus provided, the metal layer being applied to the substrate and the transition metal oxide layer being applied to the metal layer, and the metal layer and the transition metal oxide layer having an amorphous structure .
Weiterhin wird erfmdungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer resonanten Tunnel diode umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Metallschicht und eine Über gangsmetalloxidschicht bereitgestellt, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des Substrates, b) Beschichten des bereitgestellten Substrates mit der Metallschicht mittels direkten Sputtems derart, dass die Metallschicht eine amorphe Struktur aufweist, c) Beschichten der Metallschicht mit der Übergangsmetalloxidschicht mittels reaktiven Sputterns derart, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweist. Furthermore, according to the invention, a method for producing a resonant tunnel diode comprising an electrically insulating substrate, a metal layer and a transition metal oxide layer is provided, comprising the steps: a) providing the substrate, b) coating the provided substrate with the metal layer by means of direct sputtering in such a way that the metal layer has an amorphous structure, c) coating the metal layer with the transition metal oxide layer by means of reactive sputtering in such a way that the transition metal oxide layer has an amorphous structure.
Ein Kernaspekt der Erfindung ist, dass die Metallschicht und die Übergangsmetalloxid schicht eine amorphe Struktur aufweisen. Resonante Tunneldioden weisen in der Regel komplexe Strukturen mit wenigstens drei Schichten auf, die auf dem Substrat aufgebracht sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind allerdings lediglich zwei Schichten, nämlich die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht, auf dem Substrat aufgebracht. Dadurch dass die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht in ihrer Struktur amorph sind, gelingt es der vorliegenden Erfindung mit lediglich zwei Schichten, die auf dem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht sind, eine Strom-Spannungs charakteristik einer resonanten Tunnel diode zu zeigen. Der Aufbau der resonanten Tunnel diode ist somit stark vereinfacht, so dass auch die Herstellung der resonanten Tunneldiode weniger aufwändig ist. A key aspect of the invention is that the metal layer and the transition metal oxide layer have an amorphous structure. Resonant tunnel diodes generally have complex structures with at least three layers that are applied to the substrate. In the present invention, however, only two layers, namely the metal layer and the transition metal oxide layer, are applied to the substrate. Because the metal layer and the transition metal oxide layer are amorphous in their structure, the present invention succeeds with only two layers that are applied the electrically insulating substrate are applied to show a current-voltage characteristic of a resonant tunnel diode. The structure of the resonant tunnel diode is thus greatly simplified, so that the production of the resonant tunnel diode is also less complex.
Unter einer Schicht wird vorliegend ein dreidimensionales Objekt verstanden, dessen Ausdehnung in einer zweidimensionalen Fläche um ein Vielfaches größer ist als seine Ausdehnung senkrecht dazu. Im Gegensatz zu der Übergangsmetalloxidschicht, bei der die Übergangsmetallatome oxidiert sind, liegen die Metallatome in der Metallschicht bevorzugt im Oxidationszustand Null vor. Somit zeigt die Metallschicht bevorzugt metallische Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Unter einem Übergangsmetalloxid wird eine Verbindung eines Übergangsmetalls mit Sauerstoff verstanden. In the present case, a layer is understood to be a three-dimensional object, the extent of which in a two-dimensional area is many times greater than its extent perpendicular to it. In contrast to the transition metal oxide layer, in which the transition metal atoms are oxidized, the metal atoms in the metal layer are preferably in the zero oxidation state. The metal layer thus preferably exhibits metallic properties such as electrical conductivity and thermal conductivity. A transition metal oxide is understood to mean a compound of a transition metal with oxygen.
Vorliegend wird unter einer resonanten Tunneldiode ein Halbleiterbauteil verstanden, dessen Strom- Spannungscharakteristik wenigstens einen Bereich mit einem negativen differenziellen Widerstand aufweist. In the present case, a resonant tunnel diode is understood to mean a semiconductor component whose current-voltage characteristic has at least one region with a negative differential resistance.
Die resonante Tunneldiode umfasst also das elektrisch isolierende Substrat, die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht. Das Substrat stellt bevorzugt wenigstens eine zweidimensionale Fläche bereit, auf die die Metallschicht und Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht sind. Die zweidimensionale Fläche kann eine ebene Fläche sein oder auch gekrümmt. Die Metallschicht ist bevorzugt derart auf das Substrat aufgebracht, dass das Substrat flächig von der Metallschicht bedeckt ist. Auf der Metallschicht ist die Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht. Bevorzugt ist auch die Übergangsmetalloxidschicht derart auf der Metallschicht aufgebracht, dass die Metallschicht flächig von der Übergangsmetalloxidschicht bedeckt ist. In anderen Worten weist die resonante Tunneldiode also einen Aufbau auf, bei dem sich zwischen dem elektrisch isolierenden Substrat und der Übergangsmetalloxidschicht die Metallschicht befindet. Bevorzugt liegen zwischen dem Substrat und der Übergangsmetalloxidschicht außer der Metallschicht keine weiteren Schichten. The resonant tunnel diode thus comprises the electrically insulating substrate, the metal layer and the transition metal oxide layer. The substrate preferably provides at least one two-dimensional surface to which the metal layer and transition metal oxide layer are applied. The two-dimensional surface can be a flat surface or it can also be curved. The metal layer is preferably applied to the substrate in such a way that the substrate is covered flat by the metal layer. The transition metal oxide layer is applied to the metal layer. The transition metal oxide layer is preferably also applied to the metal layer in such a way that the metal layer is covered flatly by the transition metal oxide layer. In other words, the resonant tunnel diode has a structure in which the metal layer is located between the electrically insulating substrate and the transition metal oxide layer. With the exception of the metal layer, there are preferably no further layers between the substrate and the transition metal oxide layer.
Wie bereits erwähnt, weisen die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur auf. Dies bedeutet, dass die Atome in der Metallschicht und die Atome in der Übergangsmetalloxidschicht keine Femordnung, insbesondere keine Translations symmetrie wie in einer kristallinen Schicht, aufweisen. Bevorzugt lässt sich mittels Trans missionselektronenmikroskopie, und/oder Röntgen-Diffraktometrie unter streifendem Einfall der Strukturzustand der Metallschicht und/oder der Übergangsmetalloxidschicht ermitteln. As already mentioned, the metal layer and the transition metal oxide layer have an amorphous structure. This means the atoms in the metal layer and the atoms in the transition metal oxide layer have no long-range order, in particular no translational symmetry as in a crystalline layer. The structural state of the metal layer and / or the transition metal oxide layer can preferably be determined by means of transmission electron microscopy and / or X-ray diffractometry with grazing incidence.
Die erfindungsgemäße resonante Tunneldiode eignet sich besonders zur Anwendung in selbstabstimmbaren Schaltern, Hochgeschwindigkeitsoszillatoren, Speicherzellen und/oder Logikschaltungen. The resonant tunnel diode according to the invention is particularly suitable for use in self-tunable switches, high-speed oscillators, memory cells and / or logic circuits.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung beträgt eine Schichtdicke der Metallschicht zwischen 10 nm und 25 nm und/oder eine Schichtdicke der Übergangs metalloxidschicht zwischen 15 nm und 50 nm. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der Metallschicht 20 nm +/- 2 nm und die Schichtdicke der Übergangsmetalloxidschicht 40 nm +/- 2 nm. Die Schichtdicke ist bevorzugt die Ausdehnung der Schicht parallel zur Flächennormalen der vom Substrat bereitstellten zweidimensionalen Fläche. Derart dünne Schichten haben den Vorteil, dass die resonante Tunneldiode besonders gut miniaturisierbar ist. Weiterhin wird zur Herstellung der resonanten Tunneldiode nur sehr wenig Material benötig. According to a preferred development of the invention, a layer thickness of the metal layer is between 10 nm and 25 nm and / or a layer thickness of the transition metal oxide layer is between 15 nm and 50 nm. The layer thickness of the metal layer is preferably 20 nm +/- 2 nm and the layer thickness of the transition metal oxide layer 40 nm +/- 2 nm. The layer thickness is preferably the extent of the layer parallel to the surface normal of the two-dimensional surface provided by the substrate. Such thin layers have the advantage that the resonant tunnel diode can be miniaturized particularly well. Furthermore, very little material is required to manufacture the resonant tunnel diode.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein optischer Transmissionsgrad durch die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht senkrecht zu den Schichten > 50 % beträgt. Der optische Transmissionsgrad ist eine Größe für die Durchlässigkeit der Metallschicht und der Übergangsmetalloxidschicht für Lichtwellen und gibt an, wie groß die Intensität der Lichtwelle nach Durchlaufen der beiden Schichten im Vergleich zur Ausgangsintensität der Lichtwelle ist. Bevorzugt beträgt die optische Transmission für Licht mit Wellenlänge zwischen 420 nm und 750 nm > 50 %, besonders bevorzugt > 55 %. Bevorzugt kann durch Variation der Schichtdicke der Metallschicht, der Übergangsmetalloxidschicht und/oder des Oxidationszustandes des Übergangsmetalls die optische Transmission für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 420 nm bis 750 nm über 55 % hinaus gesteigert werden. Die Metallschicht und die Übergangsmetalloxidschicht sind für das menschliche Auge also transparent. Somit hat die resonante Tunneldiode den Vorteil, dass sie als Bauelement in photonischen Systemen, bei denen optische Verfahren und Technologien zum Übertragen, Speichern und Verarbeiten von Informationen verwendet werden, eingesetzt werden kann. Insbesondere eignet sich die resonante Tunneldiode als Bauelement bei optischen neuronalen Netzwerken, bei denen mit optischen Schaltungen neuronale Netzwerke realisiert werden. Somit eignet sich die transparente, resonanten Tunneldiode besonders für transparente selbst-tunende Schalter, Hochgeschwindigkeits-Oszillatoren, Speicherzellen und/oder logische Schaltkreise in Displays, optischen Kommunikationssystemen, Smart Windows und/oder Smart Glas. Für derartige Anwendungen sind optisch transparente Schalter essenziell. According to a further preferred development of the invention it is provided that an optical transmittance through the metal layer and the transition metal oxide layer perpendicular to the layers is> 50%. The optical transmittance is a quantity for the permeability of the metal layer and the transition metal oxide layer for light waves and indicates how great the intensity of the light wave after passing through the two layers is compared to the output intensity of the light wave. The optical transmission for light with a wavelength between 420 nm and 750 nm is preferably> 50%, particularly preferably> 55%. By varying the layer thickness of the metal layer, the transition metal oxide layer and / or the oxidation state of the transition metal, the optical transmission for light in the wavelength range between 420 nm and 750 nm can preferably be increased by more than 55%. The metal layer and the transition metal oxide layer are therefore transparent to the human eye. Thus, the resonant tunnel diode has the advantage that it can be used as a component in photonic systems in which optical methods and technologies are used for transmission, storage and processing of information can be used. The resonant tunnel diode is particularly suitable as a component in optical neural networks in which neural networks are implemented using optical circuits. The transparent, resonant tunnel diode is particularly suitable for transparent, self-tuning switches, high-speed oscillators, memory cells and / or logic circuits in displays, optical communication systems, smart windows and / or smart glass. Optically transparent switches are essential for such applications.
Hinsichtlich der Metallschicht und der Übergangsmetalloxidschicht können grundsätzlich unterschiedliche Metalle und Übergangsmetalloxide verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht und/oder die Übergangsmetalloxidschicht eine Vanadium(V)- Oxidschicht ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei diesen Materialien der beschriebene Schichtaufbau schon bei Raumtemperatur eine Strom- Spannungscharakteristik einer resonanten Tunneldiode zeigt. Bei Vanadium(V)-Oxid, das auch als Vanadiumpentoxid bezeichnet wird, handelt es sich um eine stabile Vanadium-Sauerstoff-Verbindung mit der Verhältnisformel V2O5. Aufgrund der Stabilität des Materials ist die resonante Tunneldiode nicht anfällig für Oxidation und somit sehr robust und langlebig. Weiterhin ist es auch nicht notwendig die Vanadium(V)-Oxidschicht mit einer weiteren Schicht vor Umwelteinflüssen zu schützen, so dass der Aufbau der resonanten Tunneldiode sehr einfach ist. Die Schicht aus dem Übergangsmetalloxid V2O5 kann geringe Anteile an Eigenoxid- Verunreinigungen umfassen. Die minoren Oxidationszustände können VO2, V2O3 oder andere typische Vanadium enthaltende Oxidphasen sein. Weiterhin kann eine Reinheit des V2O5 in der Vanadium(V)-Oxidschicht zwischen 90 % bis größer 99 % variieren. With regard to the metal layer and the transition metal oxide layer, basically different metals and transition metal oxides can be used. According to a preferred development of the invention it is provided that the metal layer is an aluminum layer and / or the transition metal oxide layer is a vanadium (V) oxide layer. It has been found that with these materials the layer structure described shows a current-voltage characteristic of a resonant tunnel diode even at room temperature. Vanadium (V) oxide, also known as vanadium pentoxide, is a stable vanadium-oxygen compound with the ratio formula V2O5. Due to the stability of the material, the resonant tunnel diode is not susceptible to oxidation and is therefore very robust and durable. Furthermore, it is also not necessary to protect the vanadium (V) oxide layer with a further layer from environmental influences, so that the construction of the resonant tunnel diode is very simple. The layer made of the transition metal oxide V2O5 can comprise small proportions of intrinsic oxide impurities. The minor oxidation states can be VO2, V2O3 or other typical vanadium-containing oxide phases. Furthermore, the purity of the V2O5 in the vanadium (V) oxide layer can vary between 90% and greater than 99%.
Alternativ oder zusätzlich zu Aluminium als Metallschicht kann die Metallschicht aus Kombinationen oder Kompositen der folgenden Elemente oder Verbindungen bestehen: Pt, Pd, Cu, Ni, Mo, Ta, W und/oder Si. Weiterhin können als Materialien für die Metallschicht TiN, TaN und/oder WN verwendet werden. Obwohl das Metall in diesen Nitridverbindungen nicht im Oxidationszustand Null vorliegt, weisen diese Werkstoffe metallische Eigenschaften auf und sind somit als Material für die Metallschicht geeignet. Wie bereits erwähnt handelt es sich beim Substrat um ein elektrisch isolierendes, sprich ein nicht elektrisch leitendes Substrat. Dies bedeutet bevorzugt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Substrates kleiner als 108 S cm 1 ist. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Substrat optisch transparent ist und/oder das Substrat aus Glas und/oder einem Polymer ist. Durch Wahl eines optisch transparenten Substrates ist die resonante Tunneldiode optisch transparent. Bevorzugt weist die resonante Tunneldiode eine optische Transmission von > 50 % auf, wobei die optische Transmission besonders bevorzugt senkrecht zu den Schichten, sprich parallel zur Flächennormalen der vom Substrat bereitgestellten zweidimensionalen Fläche, bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 750 nm > 50 % beträgt. Dies hat den Vorteil, dass die resonante Tunneldiode in Situationen, bei denen durch die Bauteile möglichst wenig Licht absorbiert werden soll, wie beispielsweise in photonischen Systemen oder in Solarzellen, eingesetzt werden kann. Glas hat den Vorteil, dass es einfach verfügbar und robust ist. Polymere haben den Vorteil, dass sie günstig sind. Weiterhin können Polymere flexibel sein, wodurch die zweidimensionale Fläche des Substrates, besonders einfach gekrümmt sein kann. Bevorzugt ist das Substrat aus Quarzglas oder aus dem Polymer Polyimid. As an alternative or in addition to aluminum as the metal layer, the metal layer can consist of combinations or composites of the following elements or compounds: Pt, Pd, Cu, Ni, Mo, Ta, W and / or Si. Furthermore, TiN, TaN and / or WN can be used as materials for the metal layer. Although the metal in these nitride compounds is not in the zero oxidation state, these materials have metallic properties and are therefore suitable as a material for the metal layer. As already mentioned, the substrate is an electrically insulating, i.e. a non-electrically conductive substrate. This preferably means that the electrical conductivity of the substrate is less than 10 8 S cm 1 . In this context, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the substrate is optically transparent and / or the substrate is made of glass and / or a polymer. By choosing an optically transparent substrate, the resonant tunnel diode is optically transparent. The resonant tunnel diode preferably has an optical transmission of> 50%, the optical transmission particularly preferably being perpendicular to the layers, i.e. parallel to the surface normal of the two-dimensional surface provided by the substrate, at a wavelength between 420 nm and 750 nm> 50%. This has the advantage that the resonant tunnel diode can be used in situations in which as little light as possible should be absorbed by the components, for example in photonic systems or in solar cells. Glass has the advantage that it is easily available and robust. Polymers have the advantage that they are cheap. Furthermore, polymers can be flexible, as a result of which the two-dimensional surface of the substrate can be curved in a particularly simple manner. The substrate is preferably made of quartz glass or of the polymer polyimide.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die resonante Tunneldiode zwei Elektroden, wobei die Elektroden in einem Abstand zueinander auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Kontaktierung der resonanten Tunneldiode. Die Elektroden können grundsätzlich aus jedem elektrisch gut leitenden Material bestehen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Elektroden aus Gold, Silber, Platin, Kupfer, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder OFHC Kupfer oder aus Legierungen und/oder Komposite aus diesen Materialien sind. OFHC Kupfer ist eine Legierung aus Kupfer, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und bevorzugt einen Sauerstoffanteil unter 0,001 % hat. Besonders bevorzugt sind die Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid, da dieses Material den Vorteil aufweist, dass damit optisch transparente Elektroden zur Verfügung gestellt werden können. Derart kann die optische Transmission der resonanten Tunneldiode und/oder der Metallschicht und Übergansmetalloxidschicht aufrechterhalten werden. Besonders bevorzugt sind die Elektroden mittels eines lithographischen Verfahrens auf die Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht, wobei ein flächiger, physikalischer Kontakt zwischen der Übergangsmetall oxidschicht und der Elektrode besteht. Alternativ können die Elektroden als Mess-Spitzen mit der Übergangsmetalloxidschicht in physikalischen Kontakt gebracht werden. Die Formulierung, dass die Elektroden voneinander beabstandet sind, bedeutet vorliegend bevorzugt, dass sich die beiden Elektroden nicht in physikalischem Kontakt zueinander auf der Übergansmetalloxidschicht befinden. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen den Elektroden wenige Nanometer bis mehrere Centimeter betragen. According to a further preferred development of the invention, the resonant tunnel diode comprises two electrodes, the electrodes being applied to the transition metal oxide layer at a distance from one another. This enables particularly simple contacting of the resonant tunnel diode. The electrodes can in principle consist of any material with good electrical conductivity. However, it is preferably provided that the electrodes are made of gold, silver, platinum, copper, indium tin oxide (ITO) and / or OFHC copper or of alloys and / or composites made of these materials. OFHC copper is an alloy made of copper that has a high thermal conductivity and preferably has an oxygen content below 0.001%. The electrodes made of indium tin oxide are particularly preferred, since this material has the advantage that it can be used to provide optically transparent electrodes. In this way, the optical transmission of the resonant tunnel diode and / or the metal layer and transition metal oxide layer can be maintained. Particularly preferably, the electrodes are applied to the transition metal oxide layer by means of a lithographic process, there being a flat, physical contact between the transition metal oxide layer and the electrode. Alternatively, the electrodes can be used as measuring tips be brought into physical contact with the transition metal oxide layer. The formulation that the electrodes are spaced from one another preferably means in the present case that the two electrodes are not in physical contact with one another on the transition metal oxide layer. For example, a distance between the electrodes can be a few nanometers to several centimeters.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden die resonante Tunneldiode bei Raumtemperatur eine Strom- Spannungscharakteristik mit wenigstens einem negativen differentiellen Widerstand aufweist. Dies bedeutet, dass bei grafischer Auftragung der Stromstärke gegen die Spannung die Strom-Spannungscharakteristik wenigstens einen Bereich aufweist, bei dem die Stromstärke trotz größer werdender Spannung geringer wird. Raumtemperatur bedeutet in diesem Sinne eine Temperatur zwischen 0 °C und 40 °C. In this context, a further preferred development of the invention provides that when a voltage is applied to the electrodes, the resonant tunnel diode has a current-voltage characteristic with at least one negative differential resistance at room temperature. This means that when the current intensity is graphically plotted against the voltage, the current-voltage characteristic has at least one area in which the current intensity decreases despite the increasing voltage. In this sense, room temperature means a temperature between 0 ° C and 40 ° C.
Weitere technische Effekte und Vorteile der resonanten Tunneldiode ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen der resonanten Tunneldiode, sowie aus der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Further technical effects and advantages of the resonant tunnel diode emerge for the person skilled in the art from the description of the method for producing the resonant tunnel diode, as well as from the description of the exemplary embodiments and the figures.
Wie bereits erwähnt, sieht das Verfahren vor, dass die Metallschicht mittels direkten Sputtems und die Übergangsmetalloxidschicht mittels reaktiven Sputterns aufgebracht werden. Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein Beschichtungsverfahren bei dem eine Materialquelle durch Beschuss mit energiereichen Ionen in die Gasphase überführt wird, sprich zerstäubt wird, um sich anschließend als Schicht auf dem Substrat abzusetzen. Bevorzugt wird in einer Vakuumkammer durch Anlegen einer Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode ein Plasma gezündet. Die vorwiegend im Kathodenfall beschleunigten Ionen können durch ihre hohe kinetische Energie beim Aufprall auf die Materialquelle Atome aus der Oberfläche der Materialquelle herausschlagen und die Materialquelle derart zerstäuben. Um reaktives Sputtern handelt es sich, wenn einem inerten Arbeitsgas ein oder mehrere reaktive Gase, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff zugesetzt sind. Die reaktiven Gase reagieren mit der zerstäubten Material quelle und bilden neue Materialien, die sich anschließend auf dem Substrat als Schicht ab setzten. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem ersten Schritt vor, dass das elektrisch isolierende Substrat bereitgestellt wird. In einem weiteren Schritt wird mittels direkten Sputtems die Metallschicht aufgebracht. Die Metallschicht wird derart auf dem Substrat aufgebracht, dass sich eine amorphe Struktur der Metallschicht ausbildet. In einem weiteren Schritt wird die Übergangsmetalloxidschicht auf der Metallschicht mittels reaktiven Sputterns aufgebracht. Auch die Übergangsmetalloxidschicht wird derart auf der Metallschicht aufgebracht, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine amorphe Struktur aufweist. Das Verfahren ermöglicht somit auf einfache und robuste Weise, den Schichtaufbau der resonanten Tunneldiode zu erzeugen. As already mentioned, the method provides that the metal layer is applied by means of direct sputtering and the transition metal oxide layer is applied by means of reactive sputtering. Sputtering, also known as cathode atomization, is a coating process in which a material source is converted into the gas phase by bombarding it with high-energy ions, i.e. it is atomized, in order to then be deposited as a layer on the substrate. A plasma is preferably ignited in a vacuum chamber by applying a voltage between a cathode and an anode. The ions, which are mainly accelerated in the cathode case, can knock atoms out of the surface of the material source due to their high kinetic energy when they hit the material source and thus atomize the material source. Reactive sputtering is when one or more reactive gases, for example oxygen and / or nitrogen, are added to an inert working gas. The reactive gases react with the atomized material source and form new materials, which are then deposited as a layer on the substrate. In a first step, the method according to the invention provides that the electrically insulating substrate is provided. In a further step, the metal layer is applied using direct sputtering. The metal layer is applied to the substrate in such a way that an amorphous structure of the metal layer is formed. In a further step, the transition metal oxide layer is applied to the metal layer by means of reactive sputtering. The transition metal oxide layer is also applied to the metal layer in such a way that the transition metal oxide layer has an amorphous structure. The method thus enables the layer structure of the resonant tunnel diode to be produced in a simple and robust manner.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt b) und/oder Schritt c) bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Dies ermöglicht besonders einfach die amorphe Struktur der Metallschicht und/oder der Übergangsmetalloxidschicht zu erzeugen. Ebenfalls führt dies dazu, dass das Verfahren besonders einfach durchzuführen ist, da beim Beschichten weder geheizt noch gekühlt werden muss. Raumtemperatur bedeutet in diesem Sinne eine Temperatur zwischen 0 °C und 40 °C. According to a preferred development of the invention it is provided that step b) and / or step c) is carried out at room temperature. This enables the amorphous structure of the metal layer and / or the transition metal oxide layer to be produced in a particularly simple manner. This also means that the method is particularly easy to carry out, since neither heating nor cooling is required during coating. In this sense, room temperature means a temperature between 0 ° C and 40 ° C.
In Zusammenhang mit der amorphen Struktur der Metallschicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht ist und in Schritt b) in einem inerten Arbeitsgas unter einer angelegten Leistung von 15 W bis 30 W aufgetragen wird. Bevorzugt handelt es sich beim inerten Arbeitsgas um Argon in einer Reinheit von 99,998 %. Weiter bevorzugt beträgt die angelegte Leistung 25 W +/- 3 W. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Bedingungen, besonders gut und zuverlässig eine amorphe Aluminiumschicht auf dem Substrat erzeugen lässt. Weiter bevorzugt lässt sich die Schichtdicke über eine Dauer des Beschichtungsprozesses steuern. In connection with the amorphous structure of the metal layer, a further preferred development of the invention provides that the metal layer is an aluminum layer and is applied in step b) in an inert working gas with an applied power of 15 W to 30 W. The inert working gas is preferably argon with a purity of 99.998%. More preferably, the applied power is 25 W +/- 3 W. It has been shown that under these conditions, an amorphous aluminum layer can be produced particularly well and reliably on the substrate. More preferably, the layer thickness can be controlled over the duration of the coating process.
In Zusammenhang mit der amorphen Struktur der Übergangsmetalloxidschicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Übergangsmetalloxidschicht eine Vanadium(V)-Oxidschicht ist und in Schritt c) ein Sauerstoffanteil in einem inerten Arbeitsgas zwischen 33 %V/V und 67 %V/V beträgt und/oder die Vanadium(V)-Oxidschicht bei einer angelegten Leistung zwischen 35 W bis 45 W auf die Metallschicht aufgetragen wird. Wie in Schritt b) handelt es sich beim inerten Arbeitsgas bevorzugt um Argon. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Sauerstoff-Anteil von bevorzugt 35 %V/V und der Leistung von 35 W bis 40 W besonders gut und zuverlässig eine amorphe Vanadium(V)-Oxidschicht auf der Metallschicht und besonders bevorzugt auf der Aluminiumschicht erzeugen lässt. In connection with the amorphous structure of the transition metal oxide layer, a further preferred development of the invention provides that the transition metal oxide layer is a vanadium (V) oxide layer and, in step c), an oxygen content in an inert working gas between 33% V / V and 67% V / V and / or the vanadium (V) oxide layer is applied to the metal layer with an applied power between 35 W and 45 W. As in step b), the inert working gas is preferably argon. It has been shown that with an oxygen content of preferably 35% V / V and the power of 35 W to 40 W, an amorphous vanadium (V) oxide layer can be produced particularly well and reliably on the metal layer and particularly preferably on the aluminum layer.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass Schritt b), sprich das Beschichten des Substrates mit der Metallschicht und Schritt c), sprich das Beschichten der Metallschicht mit der Übergansmetalloxidschicht zeitlich direkt nacheinander erfolgt, ohne dass die auf dem Substrat aufgebrachte Metallschicht zwischenzeitlich einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird. It is further preferably provided that step b), i.e. the coating of the substrate with the metal layer and step c), i.e. the coating of the metal layer with the transition metal oxide layer, take place one after the other without the metal layer applied to the substrate being exposed to an oxygen-containing atmosphere in the meantime .
Hinsichtlich der Kontaktierung der Übergangsmetalloxidschicht mit den Elektroden ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst: d) Lithographisches Aufbringen zweier zueinander beabstandeter Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht. With regard to the contacting of the transition metal oxide layer with the electrodes, a preferred development of the invention provides that the method additionally includes the following step: d) Lithographic application of two electrodes spaced apart from one another on the transition metal oxide layer.
In anderen Worten werden die Elektroden also bevorzugt mittels des lithographischen Verfahrens auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht. Bevorzugt umfasst dies ein Erzeugen einer lithographischen Maske umfassend offene Maskenbereiche auf der Übergangsmetalloxidschicht. Weiter bevorzugt wird die lithographische Maske erzeugt, indem ein lichtempfindlicher Fotolack auf der Übergangsmetalloxidschicht aufgebracht wird und mit Hilfe eines Belichtungsprozesses ein Bild der lithographischen Maske auf den lichtempfindlichen Fotolack übertragen wird. In einem weiteren Schritt werden bevorzugt die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst oder alternativ die unbelichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst, um derart die lithographische Maske zu erzeugen. Anschließend wird bevorzugt Elektrodenmaterial in die offenen Maskenbereiche der litho graphischen Maske eingebracht, um die Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht aufzubringen. In other words, the electrodes are therefore preferably applied to the transition metal oxide layer by means of the lithographic method. This preferably includes producing a lithographic mask comprising open mask areas on the transition metal oxide layer. The lithographic mask is more preferably produced by applying a photosensitive photoresist to the transition metal oxide layer and using an exposure process to transfer an image of the lithographic mask onto the photosensitive photoresist. In a further step, the exposed areas of the photoresist are preferably dissolved or, alternatively, the unexposed areas of the photoresist are dissolved in order to produce the lithographic mask in this way. Electrode material is then preferably introduced into the open mask areas of the lithographic mask in order to apply the electrodes to the transition metal oxide layer.
Weitere technische Effekte und Vorteile des Verfahrens erschließen sich für den Fachmann aus der Beschreibung der resonanten Tunneldiode, sowie aus der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail beschreiben. Further technical effects and advantages of the method will become apparent to a person skilled in the art from the description of the resonant tunnel diode, as well as from the description of the exemplary embodiments and the figures. The invention is described in more detail below using a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigt In the drawings shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung in zwei Ansichten einer transparenten resonanten Tunneldiode gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 1 shows a schematic representation in two views of a transparent resonant tunnel diode according to a preferred exemplary embodiment of the invention and
Fig. 2 eine Strom- Spannungscharakteristik der transparenten resonantenFig. 2 shows a current-voltage characteristic of the transparent resonant
Tunneldiode aus Figur 1 bei einer Schichtwiderstandsmessung. Tunnel diode from FIG. 1 during a sheet resistance measurement.
In Figur la) ist schematisch eine Explosionsdarstellung und in Figur lb) schematisch eine Schnittdarstellung einer transparenten resonanten Tunnel diode 10, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ersichtlich. Die resonante Tunneldiode 10 umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat 12, eine Metallschicht 14 und eine Übergangsmetalloxidschicht 16. Vorliegend ist das Substrat 12 ein Glassubstrat 12, die Metallschicht 14 eine Aluminiumschicht 14 und die Übergangsmetalloxidschicht 16 eine Vanadium(V)-Oxidschicht 16 mit Verhältnisformel V2O5. Die Metallschicht 14 und die Übergangsmetalloxidschicht 16 sind in ihrer Struktur amorph, sprich die Atome weisen keine Fernordnung auf. Aus Figur la) und lb) ist ersichtlich, dass die Metallschicht 14 flächig auf eine ebene Fläche 18 des Substrates 12 aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht 16 die Metallschicht 14 flächig bedeckt. Im vorliegend bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Schichtdicke 20 der Metallschicht 1420 nm und eine Schichtdicke 22 der Übergangsmetalloxidschicht 40 nm, wobei die Angaben zu den Schichtdicken 20 und 22 sich jeweils auf eine Ausdehnung senkrecht zur ebenen Fläche 18 bzw. parallel zur Flächennormale der Fläche 18 beziehen. In Figure la) is schematically an exploded view and in Figure lb) is a schematic sectional view of a transparent resonant tunnel diode 10, according to a preferred embodiment of the invention can be seen. The resonant tunnel diode 10 comprises an electrically insulating substrate 12, a metal layer 14 and a transition metal oxide layer 16. In the present case, the substrate 12 is a glass substrate 12, the metal layer 14 is an aluminum layer 14 and the transition metal oxide layer 16 is a vanadium (V) oxide layer 16 with the ratio formula V2O5. The metal layer 14 and the transition metal oxide layer 16 are amorphous in their structure, that is to say the atoms have no long-range order. It can be seen from FIGS. 1 a) and 1 b) that the metal layer 14 is applied flat to a flat surface 18 of the substrate 12 and the transition metal oxide layer 16 covers the metal layer 14 flat. In the presently preferred exemplary embodiment, a layer thickness 20 of the metal layer is 1420 nm and a layer thickness 22 of the transition metal oxide layer is 40 nm, the information on the layer thicknesses 20 and 22 each referring to an extension perpendicular to the flat surface 18 or parallel to the surface normal of the surface 18.
Die Metallschicht 14 wurde mit direktem Sputtern und die Übergangsmetalloxidschicht 16 mit reaktivem Sputtern erzeugt, wobei das direkte Sputtern wie auch das reaktive Sputtern bei Raumtemperatur, vorliegend 20 °C, zeitlich direkt hintereinander durchgeführt wurden. Das Beschichten des Substrates 12 mit der Metallschicht 14 wurde in einer inerten Atmosphäre unter Argongas mit einer Reinheit von 99,998 % durchgeführt. Weiterhin wurde zwischen Kathode und Anode eine elektrische Leistung von 25 W angelegt. Beim Beschichten der Metallschicht 14 mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 betrug der Sauerstoffanteil in dem Argongas 33 %V/V. Bei diesem Schritt wurde zwischen Kathode und Anode eine elektrische Leistung von 40 W angelegt, wobei die Metallschicht vor dem Beschichten mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 nicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wurde. The metal layer 14 was produced with direct sputtering and the transition metal oxide layer 16 with reactive sputtering, the direct sputtering as well as the reactive sputtering at room temperature, in the present case 20 ° C., being carried out in direct succession. The coating of the substrate 12 with the metal layer 14 was carried out in an inert atmosphere under argon gas with a purity of 99.998%. Furthermore, an electrical power of 25 W was applied between the cathode and anode. At the Coating the metal layer 14 with the transition metal oxide layer 16, the oxygen content in the argon gas was 33% v / v. In this step, an electrical power of 40 W was applied between the cathode and anode, the metal layer not being exposed to an oxygen-containing atmosphere before it was coated with the transition metal oxide layer 16.
Ebenfalls ist in Figur lb) ersichtlich, dass die resonante Tunnel diode 10 optisch transparent ist. Vorliegend weist die resonante Tunnel diode 10 für Licht 24 mit einer Wellenlänge 532 nm eine optische Transmission von 55 % auf. Dies bedeutet, dass eine Intensität L des Lichtes 24 nach Durchlaufen der resonanten Tunnel diode 10 senkrecht zur Fläche 18 noch 55 % der Anfangsintensität Io beträgt. It can also be seen in Figure lb) that the resonant tunnel diode 10 is optically transparent. In the present case, the resonant tunnel diode 10 has an optical transmission of 55% for light 24 with a wavelength of 532 nm. This means that an intensity L of the light 24 after passing through the resonant tunnel diode 10 perpendicular to the surface 18 is still 55% of the initial intensity Io.
Figur 2 zeigt eine Strom-Spannungscharakteristik 26 der transparenten resonanten Tunnel diode 10 aus Figur 1 bei einer Schichtwiderstandsmessung. Bei der Schichtwiderstandsmessung wurden zwei Elektroden (nicht gezeigt) als Mess-Spitzen physisch mit der Übergangsmetalloxidschicht 16 in Kontakt gebracht. Zwischen den Mess- Spitzen der Elektroden betrug ein Abstand 0,5 cm. An die Elektroden wurde eine Spannung angelegt und der zwischen den Elektroden fließende Strom aufgezeichnet. Im Diagramm in Figur 2 ist die angelegte Spannung auf der X-Achse 28 in Volt aufgetragen und der Stromfluss auf der Y-Achse 30 in Milliampere angegeben. Die Strom- Spannungscharakteristik 26 zeigt bei etwa 4,5 bis 5 V einen Bereich mit negativem differentiellen Widerstand 32. In diesem Bereich fällt trotz ansteigender Spannung der Stromfluss ab. Die Strom- Spannungscharakteristik 26 wurde mit einem Messgerät „Semiconductor Characterization System“ (Modell: Keithley SCS - 4200) bei Raumtemperatur (20 °C) ermittelt. FIG. 2 shows a current-voltage characteristic 26 of the transparent resonant tunnel diode 10 from FIG. 1 during a sheet resistance measurement. During the sheet resistance measurement, two electrodes (not shown) were physically brought into contact with the transition metal oxide layer 16 as measuring tips. There was a distance of 0.5 cm between the measuring tips of the electrodes. A voltage was applied to the electrodes and the current flowing between the electrodes was recorded. In the diagram in FIG. 2, the applied voltage is plotted on the X-axis 28 in volts and the current flow on the Y-axis 30 is given in milliamperes. The current-voltage characteristic 26 shows an area with a negative differential resistance 32 at approximately 4.5 to 5 V. In this area, the current flow drops despite the increasing voltage. The current-voltage characteristic 26 was determined with a “Semiconductor Characterization System” measuring device (model: Keithley SCS-4200) at room temperature (20 ° C.).
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 transparente resonante Tunneldiode 10 transparent resonant tunnel diode
12 Substrat, Glassubstrat 12 substrate, glass substrate
14 Metallschicht, Aluminiumschicht 14 metal layer, aluminum layer
16 Übergangsmetalloxidschicht, Vanadium(V)-Oxidschicht16 transition metal oxide layer, vanadium (V) oxide layer
18 Fläche 18 area
20 Schichtdicke der Metallschicht 20 layer thickness of the metal layer
22 Schichtdicke der Übergangsmetalloxidschicht 22 Layer thickness of the transition metal oxide layer
24 Licht 24 light
26 Strom- Spannungscharakteristik 26 Current-voltage characteristics
28 X-Achse, angelegte Spannung in Volt 28 X-axis, applied voltage in volts
30 Y-Achse, Stromfluss in Milliampere 30 Y-axis, current flow in milliamps
32 Bereich mit negativem differentiellen Widerstand 32 Area with negative differential resistance
Io Anfangsintensität des Lichtes Io initial intensity of light
It Intensität des Lichtes nach Transmission It is the intensity of the light after transmission

Claims

Patentansprüche Claims
1. Resonante Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16), wobei die Metallschicht (14) auf dem Substrat (12) aufgebracht ist und die Übergangsmetalloxidschicht (16) auf der Metallschicht (14) aufgebracht ist, und wobei die Metallschicht (14) und die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweisen. 1. Resonant tunnel diode (10) comprising an electrically insulating substrate (12), a metal layer (14) and a transition metal oxide layer (16), the metal layer (14) being applied to the substrate (12) and the transition metal oxide layer (16) being applied to the Metal layer (14) is applied, and wherein the metal layer (14) and the transition metal oxide layer (16) have an amorphous structure.
2. Resonante Tunneldiode (10) nach Anspruch 1, wobei eine Schichtdicke (20) der Metallschicht (14) zwischen 10 nm und 25 nm beträgt und/oder eine Schichtdicke (22) der Übergangsmetalloxidschicht (16) zwischen 15 nm und 50 nm beträgt. 2. Resonant tunnel diode (10) according to claim 1, wherein a layer thickness (20) of the metal layer (14) is between 10 nm and 25 nm and / or a layer thickness (22) of the transition metal oxide layer (16) is between 15 nm and 50 nm.
3. Resonante Tunneldiode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein optischer Transmissionsgrad durch die Metallschicht (14) und die Übergangsmetalloxidschicht (16) senkrecht zu den Schichten (14, 16) > 50 % beträgt. 3. resonant tunnel diode (10) according to claim 1 or 2, wherein an optical transmittance through the metal layer (14) and the transition metal oxide layer (16) perpendicular to the layers (14, 16) is> 50%.
4. Resonante Tunneldiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (14) eine Schicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium (14), Platin, Palladium, Kupfer, Nickel, Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan Silizium und/oder Mischungen davon ist und/oder die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine Vanadium(V)-Oxidschicht (16) ist. 4. resonant tunnel diode (10) according to any one of the preceding claims, wherein the metal layer (14) is a layer of a metal selected from the group comprising aluminum (14), platinum, palladium, copper, nickel, molybdenum, tantalum, tungsten, titanium, silicon and / or mixtures thereof and / or the transition metal oxide layer (16) is a vanadium (V) oxide layer (16).
5. Resonante Tunnel diode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12) optisch transparent ist und/oder das Substrat (12) aus Glas und/oder einem Polymer ist. 5. resonant tunnel diode (10) according to any one of the preceding claims, wherein the substrate (12) is optically transparent and / or the substrate (12) is made of glass and / or a polymer.
6. Resonante Tunnel diode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zwei Elektroden, wobei die Elektroden in einem Abstand zueinander auf der Übergangsmetalloxidschicht (16) aufgebracht sind. 6. resonant tunnel diode (10) according to any one of the preceding claims comprising two electrodes, wherein the electrodes are applied to the transition metal oxide layer (16) at a distance from one another.
7. Resonante Tunneldiode (10) nach dem vorherigen Anspruch, wobei bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden die resonante Tunnel diode (10) bei Raumtemperatur eine Strom- Spannungscharakteristik (26) mit wenigstens einem negativen differentiellen Widerstand (32) aufweist. 7. resonant tunnel diode (10) according to the preceding claim, wherein when a voltage is applied to the electrodes, the resonant tunnel diode (10) at room temperature has a current-voltage characteristic (26) with at least one negative differential resistor (32).
8. Verfahren zum Herstellen einer resonanten Tunneldiode (10) umfassend ein elektrisch isolierendes Substrat (12), eine Metallschicht (14) und eine Übergangsmetalloxidschicht (16), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des Substrates (12), b) Beschichten des bereitgestellten Substrates (12) mit der Metallschicht (14) mittels direkten Sputterns derart, dass die Metallschicht (12) eine amorphe Struktur aufweist, c) Beschichten der Metallschicht (14) mit der Übergangsmetalloxidschicht (16) mittels reaktiven Sputterns derart, dass die Übergangsmetalloxidschicht (16) eine amorphe Struktur aufweist. 8. A method for producing a resonant tunnel diode (10) comprising an electrically insulating substrate (12), a metal layer (14) and a transition metal oxide layer (16), comprising the steps of: a) providing the substrate (12), b) coating the provided Substrate (12) with the metal layer (14) by means of direct sputtering in such a way that the metal layer (12) has an amorphous structure, c) coating the metal layer (14) with the transition metal oxide layer (16) by means of reactive sputtering in such a way that the transition metal oxide layer (16 ) has an amorphous structure.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt b) und/oder Schritt c) bei Raumtemperatur durchgeführt wird. 9. The method according to claim 8, wherein step b) and / or step c) is carried out at room temperature.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Metallschicht (14) eine10. The method of claim 8 or 9, wherein the metal layer (14) a
Aluminiumschicht (14) ist und die Aluminiumschicht in Schritt b) in einem inerten Arbeitsgas unter einer angelegten Leistung von 15 W bis 30 W auf das Substrat aufgetragen wird. The aluminum layer (14) is and the aluminum layer is applied to the substrate in step b) in an inert working gas under an applied power of 15 W to 30 W.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the
Übergangsmetalloxidschicht (16) eine Vanadium(V)-Oxidschicht (16) ist und in Schritt c) ein Sauerstoffanteil in einem inerten Arbeitsgas zwischen 33 %V/V und 65 %V/V 0:Arg beträgt und/oder die Vanadium(V)-Oxidschicht (16) bei einer angelegten Leistung zwischen 35 W bis 45 W auf die Metallschicht aufgetragen wird. Transition metal oxide layer (16) is a vanadium (V) oxide layer (16) and in step c) an oxygen content in an inert working gas is between 33% V / V and 65% V / V 0: Arg and / or the vanadium (V) -Oxide layer (16) is applied to the metal layer with an applied power between 35 W and 45 W.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend den Schritt: d) Lithographisches Aufbringen zweier zueinander beabstandeter Elektroden auf der Übergangsmetalloxidschicht (16). 12. The method according to any one of claims 8 to 11, comprising the step: d) lithographic application of two mutually spaced electrodes on the transition metal oxide layer (16).
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