DE2039734B2 - Verwendung eines metall-isolatorhalbleiter-bauelements, metall-isolatorhalbleiter-bauelemente hierfuer und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents
Verwendung eines metall-isolatorhalbleiter-bauelements, metall-isolatorhalbleiter-bauelemente hierfuer und verfahren zur herstellung derselbenInfo
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Description
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das eingangs genannte Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement
eine Verwendungsmöglichkeit als Kommutationsorgan anderer Art anzugeben, bei dessen Betrieb
kein Teilvakuum erforderlich ist.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist die Verwendung des eingangs genannten
Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelements als auf Änderungen der Temperatur von Werten innerhalb
eines bestimmten Temperaturbereichs auf Werte außerhalb dieses Temperaturbereichs und umgekehrt
ansprechendes Kommutationsorgan für reversible, thermische Speicher.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung mindestens eines solchen Bauelements in Verbindung
mit Heizelementen zur Erwärmung der Isolatorschicht jedes Bauelements unabhängig voneinander
auf Temperaturen innerhalb oder außerhalb des bestimmten Temperaturbereichs als Kommutationsorgan
für solche reversiblen, thermischen Speicher.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 das Strom-Spannungsverhalten eines MIH-Bauelements nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein MIH-Bauelement, Fig. 3 das Strom-Spannungsverhalten eines MIH-Bauelements vor und nach dem Durchschlag des
Isolators und
Fig. 4 und 5 die Änderungen des ein gemäß der
Erfindung verwendetes MIH-Bauelement durchfließenden Stromes als Funktion der Temperatur des
Bauelements bei konstanter Polarisationsspannung. Die gemäß der Erfindung zu verwendenden MIH-Bauelemente
enthalten (Fig. 2) eine Halbleiterunterlage 2 in Form einer etwa 200 μ dicken Schicht.
Der Halbleiter kann Silizium vom P+- oder N + -Typ
sein. Auf dieser Unterlage schlägt man eine amorphe Isolatorschicht 4 nieder. Diese letztere kann z. B. aus
Selen, Siliziumoxyd, Titan-, Zirkonium-, Nickel- oder Nioboxyd, Bor oder auch Verbindungen auf Basis eines
Halbleiters bestehen. Der gewählte Isolator muß aimrph sein,d.h., daß man beim Beobachten desselben
im Elektronenmikroskop kein Diffraktionsdiagramm feststellt. Wenn der Isolator aus amorphem
Siliziumoxyd ist, läßt sich die Schicht 4 durch Oxydieren der Unterlage 2 hersteilen. Die Dicke der Oxydschicht
beträgt etwa 1000 A. Man dampft anschließend im Vakuum eine Metallschicht 6 auf, die
mindestens einen Teil der Schicht 4 bedeckt. Das verwendete Metall kann z. B. Gold oder Aluminium sein.
Da die Unterlage einen hohen Widerstand hat, kann es vorteilhaft sein, auch noch eine Metallschicht 8 auf
die Unterlage 2 derart aufzudampfen, daß man einen guten Ohmschen Kontakt an der Unterseite des Bauelements
erhält. Diese letzte Schicht kann z. B. aus Gold oder Antimon sein. Die Dicken der Metall-Kchichten
6 und 8 sind z.B. 0,5 μ. Elektrische Koniakte 10 und 12 sind an die Metallschichten 6 und
8 angeschweißt. Der Widerstand der amorphen Isolatorschicht 4 ist im allgemeinen hoch, und zwar in der
Nähe von 10's Ω- cm bei Raumtemperatur. Der Widerstand
dieser Schicht wird bis auf einen Wert zwischen H)7 und 10" Ω- cm bei Raumtemperatur durch
Dotieren der amorphen Isolatorschicht mittels metallischer Ionen erniedrigt. Dieses Dotieren kann auf
verschiedene Arten vorgenommen werden. Man kann zunächst ein bekanntes Verfahren zur Diffusion dieser
metallischen Ionen oder eine Ionenimplantation anwenden. Diese Verfahren werden vorzugsweise vor
dem Niederschlagen der Metallschicht 6 auf der Isolatorschicht vorgenommen. Man kann ebenfalls einen
Durchschlag des Isolators des MIH-Bauelements erzeugen, indem man an den Kontakten 10 und 12 eine
Polarisationsspannung oberhalb der Durchschlagsspannung VB anlegt. Es ergibt sich daraufhin eine Diifusion
von metallischen Ionen der Schicht 6 in das Innere der Isolatorschicht 4. Man kann auch das
ίο MIH-Bauelement 24 Stunden auf eine Temperatur von etwa 800° C erhitzen, was eine Diffusion eines
Teils des Metalls der Schicht 6 in den Isolator hervorruft. Diese beiden letzten Verfahren mit Durchschlag
bzw. Erwärmung des Isolators lassen sich auch kombinieren. In jedem Fall gelangt man zu einem Dotieren
der amorphen Isolatorschicht 4. In einem bestimmten Temperaturbereich geht das MIH-Bauelement nun
von einem anfangs isolierenden Zustand in einen leitenden Zustand über.
Dieser Übergang von einem isolierenden in einen leitenden Zustand wird durch die Kurven 14 und 16
in Fig. 3 wiedergegeben, die die Änderungen der Stärke / des das MIH-Bauelement durchfließenden
Stroms als Funktion des Wertes V der an den Kontak- »5 ten 10 und 12 angelegten Polarisationsspannung zeigt.
Die Kurve 14 erläutert den isolierenden und die Kurve 16 den leitenden Zustand. Wenn man fortlaufend die
Polarisationsspannung V von Null aus erhöht (Kurve 14), ist die Stromstärke / zunächst bis zur Durchschlagsspannung
VB sehr klein. Bei diesem letzten Wert kommt man von der Kurve 14 zur Kurve 16,
wobei sich die Stromstärke sehr plötzlich erhöht unü die Spannung an den Kontakten des MIH-Bauelements
abfällt. Der Übergang vom isolierenden in den leitenden Zustand konnte nur erfolgen, weil das Do
tieren der amorphen Isolatorschicht 4 vorgenommen war, und zwar in diesem FaIk mittels Durchschlags
des Isolators. Die Kurven 14 und 16 in Fig. 3 sind zum Nullpunkt symmetrisch. Die Durchschlagsspannung
V11 verringert sich, wenn die Temperatur des MIH-Bauelements steigt. Der in Fig. 3 durch die
Kurven 14 und 16 dargestellte Zyklus, wie er aus der französischen Patentschrift 1521803 bekannt ist,
kann sehr zahlreiche Male wiederholt werden. Man hat es also mit einer Speicherkommutationserscheinung
zu tun, wobei der Speichereffekt durch den leitenden und den isolierenden Zustand gegeben ist.
Wenn man die Bedingungen der Spannung und des Stroms zugrunde legt, die durch die Kurve 16 in F ι g.
dargestellt sind, und z. B. vom Punkt mit den Koordinaten (/,, V1), ausgeht, wo das MIH-Bauelement also
in einem leitenden Zustand ist, und wenn man die Temperatur des MIH-Bauelements von der Raumtemperatur
aus erhöht, durchläuft man die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Zyklen. Diese Zyklen wurden
mit einem MIH-Bauelement erhalten, dessen Isolator amorphes Siliziumoxyd ist. Für den in Fig.
dargestellten Zyklus kann man z. B. von einem leitenden Zustand ausgehen, wo der Stromwert /, ist, und
wenn man die Temperatur des MIH-Bauelements erhöht, bleibt dieses bis zu einer Temperatur von etwa
265° C (Teil AB des Zyklus) in einem leitenden Zustand. Bei dieser Temperatur (Punkt ß) geht das
Bauelement von einem leitenden Zustand in einen isolierenden Zustand über (Teil BC des Zyklus): Der
Stromstärkewert / geht plötzlich von /, auf einen Wert von praktisch Null zurück. Wenn man mit der
Erhöhung der Temperatur fortfährt, bleibt das Bau-
element in einem isolierenden Zustand. Es ist ebenso, wenn man die Temperatur bis etwa 50° C verringert
(Teil CD des Zyklus). Bei diesem letzteren Wert (beim Punkt D) geht das MIH-Bauelement plötzlich
von einem isolierenden in einen leitenden Zustand über (Teil DA des Zyklus): Die elektrische Stromstärke
ändert sich sehr schnell von einem Wert von praktisch Null auf einen /, ziemlich gleichen Wert.
Man hat es also mit einem Kommutationsorgan für reversible, thermische Speicher zu tun. Bis 50° C ist
das Bauelement leitend, und über 265° C ist es isolierend. Im Inneren des Temperaturbereichs (50° C bis
265° C) ist das Bauelement leitend oder isolierend, je nachdem, ob man von einem Anfangszustand der
Temperatur unter 50° C oder über 265° C ausgeht. 1S
Die Änderung der Stromstärke / als Funktion der Temperatur kann auch die durch den Zyklus der
Fig. 5 dargestellte Form aufweisen. Anfangs ist die Probe in einem leitenden Zustand, und wenn man die
Temperatur erhöht, bleibt sie leitend, doch die Stromstärke steigt an, und zwar bis zu einer Temperatur
nahe 360° C (Teil EF des Zyklus). Bei dieser Temperatur (Punkt F) geht die Stromstärke plötzlich von einem
Wert oberhalb 20 mA auf einen Wert von fast Null zurück (Teil FG des Zyklus), das MIH-Bauele- *5
ment ist nun isolierend und bleibt es, wenn man die Temperatur bis auf etwa 90° C senkt (Teil GH des
Zyklus). Bei dieser letzteren Temperatur (Punkt H) geht das System aus dem isolierenden in den leitenden
Zustand über (Teil HE des Zyklus).
Im isolierenden Zustand ist die Leitung elektronisch.
Der Übergang zum leitenden Zustand läßt sich durch Ausscheidung einer metallischen Phase oder
durch Vermehrung der Verunreinigungskonzentration erklären, wodurch der Übergang zu einer Vcrunreinigungsbandleitung
von metallischem Typ hervorrufen wird.
Diese Kommutationserscheinung für reversible, thermische Speicher eignet sich für zahlreiche Anwendungen.
Insbesondere kann man den Speicher (im isolierenden oder leitenden Zustand) durch lokales
Erhitzen einschreiben oder löschen. Man kann z.B. eine Speichereinheit herstellen, die ein Mosaik von
MIH-Baueiementen in Verbindung mit Mitteln umfaßt, mit denen man die Temperatur der MJH-Bauelemente
unabhängig voneinander ändern kann. Diese Mittel können z. B. ein fokussierter Laserstrahl
sein, den man über die gesamte Oberfläche des Mosaiks hinstreichen lassen kann. Zahlreiche thermooptische
Anwendungen können ebenfalls ins Auge gefaßt werden, da mit der Temperatur an der amorphen
Isolatorschicht eine Reflexionsänderung auftritt, die auf die Änderung der Zahl der freien in der Isolatorschicht
anwesenden Elektronen zurückzuführen ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Verwendung eines Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelements
mit einer Halbleiterunterlage, einer auf der Unterlage niedergeschlagenen amorphen Isolatorschicht und einer wenigstens
auf einem Teil der Isolatorschicht niedergeschlagenen Metallschicht, bei dem die amorphe Isolatorschicht
durch eindotierte Ionen einen im Vergleich mit ihrem normalen Eigenwiderstand geringeren Widerstand zwischen 107 und 11" Ω ■
cm bei Raumtemperatur aufweist, als auf Änderungen der Temperatur von Werten innerhalb eines
bestimmten Temperaturbereichs auf Werte außerhalb dieses Temperaturbereichs und umgekehrt
ansprechendes Kommutationsorgan für reversible, thermische Speicher.
2. Bauelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eindotierten
Ionen Metallionen der Metallschicht (6) sind.
3. Bauelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterunterlage
(2) aus Silizium ist.
4. Bauelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe
Isolator (4) aus der Gruppe Selen, Silizium-, Titan-, Zirkonium-, Nickel- und Nioboxyd, Bor
und Verbindungen von Halbleitern gewählt ist.
5. Bauelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht
(6) aus Gold ist.
6. Bauelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterunterlage
(2) eine weitere Metallelektrode (6) zur Polarisation des Bauelements aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur Verwendung nach den Ansprüchen 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der amorphen Isolatorschicht mittels Ionenimplantation
vorgenommen wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur Verwendung nach den Ansprüchen 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der amorphen Isolatorschicht nach einem bekannten
Diffusionsverfahren vorgenommen wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur Verwendung nach den Ansprüchen 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der amorphen Isolatorschicht durch Anlegen einer
der Durchschlagspotentialdifferenz mindestens gleichen Potentialdifferenz an die Unterlage und
die Metallschicht vorgenommen wird, so daß die Ionen der Metallschicht in das Innere der Isolatorschicht
eindringen, und daß das Bauelement zur Homogenisierung der Dotierung erhitzt wird.
10. Verwendung mindestens eines Bauelements nach den Ansprüchen 1 bis 6 in Verbindung mit
Heizelementen zur Erwärmung der Isolatorschicht jedes Bauelements unabhängig voneinander
auf Temperaturen innerhalb oder außerhalb des bestimmten Temperaturbereichs.
11. Verwendung mindestens eines Bauelements nach den Ansprüchen 1 bis 6 in Verbindung mit
einem Laserstrahlbündel zur Erwärmung der Isolatorschicht jedes Bauelements unabhängig voneinander
auf Temperaturen innerhalb oder außerhalb des bestimmten Temperaturbereichs.
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines
Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelements mit einer Halbleiterunterlage, einer auf der Unterlage niedergeschlagenen
amorphen Isolatorschicht und einer wenigstens auf einem Teil der Isolatorschicht niedergeschlagenen
Metallschicht, bei dem die amorphe Isolatorschicht durch eindotierte Ionen einen im Vergleich
mit ihrem normalen Eigenwiderstand geringeren Widerstand zwischen 107 und 10u Ω· cm bei
Raumtemperatur aufweist, auf Bauelemente für diese Verwendung und auf Verfahren zur Herstellung derselben.
Ein Bauelement der eingangs genannten Art ist, abgesehen von dem konkreten Widerstandsbereich
1S der amorphen Isolatorschicht, aus der französischen
Patentschrift 1521803 bekannt und soll danach als
ein auf elektrische Spannungen ansprechendes Kommutator- oder Speicherelement dienen, zu dessen Betrieb
Teilvakuum erforderlich ist. Aus dieser französi-
ao sehen Patentschrift ist es weiter bekannt, als in die
Isolatorschicht eindiffundierte Ionen Metallionen der Metallschicht zu verwenden, die Unterlage aus Silizium
zu machen und diese mit einer weiteren Metallelektrode zur Polarisation des Bauelements zu verse-
"5 hen. Die Dotierung der Isolatorschicht erfolgt nach
der genannten Druckschrift durch Anlegen einer Spannung an die Unterlage und die Metallschicht, wobei
Ionen der Metallschicht in die Isolatorschicht eindringen.
Aus der britischen Patentschrift 1077 752 ist es bei
einem solchen Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement zur bevorzugten Verwendung als Feldeffekttransistor
bekannt, durch gleichzeitiges Anlegen einer Spannung und Erwärmen den Widerstand der unter
der Isolatorschicht liegenden Halbleiterschicht zu verringern.
Der Effekt von Kommutationserscheinungen in bekannten Metall-Isolator-Halbleiter-( = MIH)Bauelementen
ist graphisch als Kurve 1 in Fig. 1 dar-
gestellt, dis beispielsweise die Änderungen der Stärke / des elektrischen Stroms, der ein MIH-Element
durchsetzt, als Funktion der Polarisationsspannung V darstellt, die zwischen dem Metall
und dem Halbleiter angelegt ist, wobei der Isolator aus amorphem Siliziumoxyd sehr großen Widerstandes,
und zwar etwa 1018 Ω· cm bei Raumtemperatur
besteht. Man stellt fest, daß beim fortschreitenden Erhöhen der Polarisationsspannung von einer Spannung
Null (V = 0) aus die Stärke / des Stroms sehr gering ist, und zwar bis zu einer Schwellenpolarisationsspannung
V5: In diesem Bereich kann das MIH-Bauelement
als nichtleitend angesehen werden. Bei einer dem Schwellenwert Vs gleichen Polarisationsspannung
stellt man eine sehr plötzliche Erhöhung der Stärke / des Stromes fest, die von einem Abfall der
Polarisationsspannung V begleitet wird: Das Bauelement wird leitend, und man bemerkt, daß sein Widerstand
gering ist und einen Bereich negativen Widerstandes durchläuft. Die Schwellenspannung Vs liegt
sehr weit unterhalb der Durchschlagsspannung des Isolators des Bauelements. Dieser Übergang von einem
isolierenden in einen leitenden Zustand ist ein Schwellenkommutationseffekt, wobei die Schwelle
die Schwellenpolarisationsspannung Vs ist. Die Änderung
der Temperatur des Bauelements führt zu einer Änderung des Wertes der Schwellenspannung Vs,
jedoch bleibt der Kurvenverlaufstyp nach Fig. 1 unverändert.
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