DE1240198B - Elektronisches Duennschichtbauelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES ^SSTmYN^ PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-41/00

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1240198

Aktenzeichen: S 91281 VIII c/21 g

J 240 198 Anmeldetag: 29.Mail964

Auslegetag: 11. Mai 1967

Vorrichtungen zur Steuerung der Elektronenemission von einem Leiter in einen Isolator sind bekannt. Der bekannte Sperrschichttransistor bildet eine derartige Vorrichtung. Sperrschichttransistoren in Dünnschichtausführung werden als Metallgrenzschichtverstärker bezeichnet. Ein Metallgrenzschichtverstärker benötigt einen einkristallinen Halbleiter für den Kollektor. Die Herstellung eines Einkristallhalbleiters ist schwierig und erfordert spezialisierte Verfahren, die sich für die Massenherstellung schlecht eignen, außerdem ist die Anpassungsfähigkeit eines Bauelementes mit einem Einkristall an Dünnschichtschaltkreise vermindert.

Es sind bereits elektronische Dünnschichtbauelemente mit zwei leitfähigen Metallschichten bekannt, zwischen denen in Abhängigkeit von Potentialen an einer dritten Metallschicht eine gesteuerte Elektronenwanderung erfolgen kann. Derartige Dünnschichtbauelemente erfordern zwar keinen Einkristallhalbleiter, jedoch ist ihre Wirksamkeit begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektronische Dünnschichtbauelemente mit mehreren Metallschichten, zwischen denen eine gesteuerte Elektronenwanderung erfolgen kann, so auszubilden, daß ihre Wirksamkeit verbessert ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß einer von der ersten Metallschicht gebildeten Kante eine kleine Öffnung in der als Steuerelektrode dienenden, von der ersten Metallschicht isolierten zweiten Metallschicht gegenüberliegt, in die isoliert gegenüber dieser zweiten als Basis dienenden Metallschicht, die als Kollektor dienende dritte Metallschicht hineingreift. Diese besondere bauliche Ausbildung läßt sich in einfacher Weise ausgestalten, wenn die der Kante der einen Metallschicht gegenüberliegende Durchbrechung als Nadelloch ausgebildet ist. Das Dünnschichtbauelement nach der Erfindung ist hierdurch zur Massenherstellung geeignet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Dünnschichtbauelementes,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Dünnschichtverstärkers mit gesteuerter Emission,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Dünnschichtverstärkers mit gesteuerter Emission.

Die erfindungsgemäßen Dünnschichtbauelemente sind auf der Elektronenemission vom Rand eines Leiters in einen Isolator auf dem sogenannten »Randeffekt« aufgebaut. In erfindungsgemäß hergestellten Elektronisches Dünnschichtbauelement

Anmelder:

Sperry Rand Corporation, New York, N. Y.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Weintraud, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Mainzer Landstr. 134-146

Als Erfinder benannt:

Charles Warren Haas, Mt. Penn, Pa.;

Solomon Robert Pollack, Philadelphia, Pa.;

Herbert Bernard Callen, Bala Cynwyd, Pa.

(V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 4. Juni 1963 (285 266) --

Vorrichtungen wird die Elektronenemission vom Rand eines Leiters in einen Isolator von einer eng angrenzenden Metallschicht gesteuert. Die Steuerung der Elektronenemission durch die eng anliegende Metallschicht ist gewissermaßen analog der Steuerung der Elektronenemission in einem Sperrschichttransistor, d. h. in der Dünnschichtausführung des Sperrschichttransistors, der normalerweise als Metallgrenzschichtverstärker bezeichnet wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Dünnschichtbauelementes gegenüber einem Metallgrenzschichtverstärker beruht darauf, daß die erfindungsgemäßen Dünnschichtbauelemente keinen Einkristallhalbleiter für den Kollektor benötigen. In den erfindungsgemäßen Bauelementen werden an Stelle des Einkristallhalbleiters und des Sperrfeldes eines Metallgrenzschichtverstärkers eine Metallkollektorschicht und ein Dünnschichtisolator verwendet.

F i g. 1 zeigt schematisch zur Erläuterung der Wirkungsweise im Querschnitt einen Dünnschichtverstärker mit gesteuerter Emission oder die sogenannte Randeffekttriode in annähernder Planardarstellung. Der Strom vom Emitter zum Kollektor über die Isolatorschicht 10, die eine dünne Schicht beispielsweise aus Aluminiumoxyd ist, ist vor allem an der Kante des Emitters 11, die als Bereich Ua mit dem gestrichelten Kreis dargestellt ist, groß. Es wird an-

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genommen, daß (wie beim Metallgrenzschichtverstärker) die Elektronenemission von der Kantella des Metallemitters 11 über den Isolator 10 zum Metallkollektor 14 vom Potential der Metallbasis 12, die nahe an der Kante des Metallemitters 11 liegt, gesteuert wird. In der dargestellten Vorrichtung ist eine nur sehr geringe Rückkopplung gegeben. Der Isolator 10, der die Sperrzone des Einkristallhalbleiters des Metallgrenzschichtverstärkers ersetzt, verbessert die Leistung des Bauelementes, da er eine höhere Ausgangsimpedanz haben kann.

Bei der Herstellung eines Bauelementes nach F i g. 1 wird ein elektrisch leitendes Metall, z. B. Aluminium, beispielsweise durch Aufdampfen auf einen neutralen Isolierträger 15, z. B. auf Glas oder einen anderen temperaturbeständigen Werkstoff, wie z. B. auf einen keramischen Stoff aufgebracht und ergibt dann die metallische Kollektorschicht 14. Die Isolatorschicht 10, die beispielsweise aus Aluminiumoxyd (Al₂O₃) bestehen kann, wird durch Aufdampfen auf die Kollektorschicht 14 aufgetragen, indem metallisches Aluminium in Sauerstoff enthaltender Atmosphäre aufgedampft wird.

Die Isolatorschicht 10 kann dadurch gebildet werden, daß die Oberfläche der Aluminiumkollektorschicht 14 oxydiert wird, indem die Schicht 14 einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt oder eine Eloxierung (im Naß-, Trocken- oder Gasverfahren) vorgenommen wird. Die Stärke der auf diese Weise gebildeten Aluminiumoxydisolierschicht kann genau bemessen werden, indem die Temperatur und die Zeitdauer der Behandlung der metallischen Aluminiumschicht in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre oder die Spannung bei der Eloxierung gesteuert wird. Danach wird auf einen Teil der Isolatorschicht 10 eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall 11 aufgetragen, die als Emitter dient. Die Metallemitterschichtll kann ebenfalls aufgedampft werden.

In der Herstellung der Vorrichtung wird die Metallemitterschicht 11 auf die Isolatorschicht 10 so aufgetragen, daß sie die Kantella an der Verbindungsstelle einer Fläche der Metallemitterschichtll und der Fläche der Isolatorschicht 10 gemäß F i g. 1 bildet.

Auf annähernd dieselbe Weise wird eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall 12, die als Metallbasis dient, auf den IsolatorlO aufgetragen. Die metallische Emitterschicht 11 an der Kante IIa liegt Kante an Kante unmittelbar neben der metallischen Basisschicht 12, hat jedoch mit ihr keine direkte Berührung. Ein Isolierstoff, vorzugsweise derselbe Stoff, aus dem die Isolatorschicht 10 hergestellt ist, trennt die nebeneinanderliegenden Kanten der Metallschichten 11 und 12. Die ohmschen Kontakte 116, 12 & und 146, die an der Metallemitterschicht 11, der Metallbasisschicht 12 und der Metallkollektorschicht 14 angebracht sind, sind mit den Leitern lic, 12c und 14 c versehen, so daß die notwendigen Spannungen für die Elektronenemission von der Kantella des Emitters 11 zur Kollektorschicht 14 angelegt werden können und die Elektronenemission von der Metallbasisschicht 12 gesteuert werden kann.

F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dünnschichtbauelementes mit gesteuerter Emission. Auf einem geeigneten Isolierträger 20, beispielsweise auf Glas, ist der Metallkern 21 als Emitter aufgetragen. Der Metallkern oder Metallemitter 21 ist so ausgebildet, daß eine Kante auf dem Metallemitter 21 von der Verbindungsstelle der beiden Flächen, wie z. B. von der Verbindungsstelle der Flächen 21a und 216, gebildet wird, um die Kante 21 c zu bilden.

Bei dem Metall des MetaIIemitters 21 kann es sich um jedes geeignete elektrisch leitfähige Metall, z. B. Gold, Aluminium, Tantal, Nickel u. dgl., vorzugsweise um ein Metall, das sich leicht auf einen Träger aufdampfen läßt, handeln.

Auf den Metallemitter 21 wird die Isolierschicht 22 ebenfalls aufgedampft. Die Isolierschicht 22 kann aus jedem geeigneten Isoliermaterial bestehen, das auf den Metallemitter 21 aufgedampft oder auf andere Weise aufgebracht werden kann. Das Aluminiumoxyd ist ein geeigneter Stoff für die Isolierschicht 22. Nach dem Auftragen der Isolierschicht 22 wird die Schicht 24 aus elektrisch leitfähigem Metall, die als Metallbasis dient, auf die Schicht 22 aufgedampft oder auf andere Weise darauf aufgetragen. Die Metallbasisschicht 24 wird so aufgebracht, daß sie die Isolierschicht 22 fast ganz verdeckt, daß aber ein Nadelloch oder mehrere Nadellöcher 23 in der Metallbasisschicht 24 neben oder fast auf der Kante 21 c des Metallemitters 21 vorgesehen werden. Für die Herstellung der Metallbasisschicht 24 eignet sich Aluminium.

Eine verhältnismäßig dünne Isolierschicht 25 wird dann auf die Metallbasisschicht 24 aufgebracht, die jedoch die Nadellöcher nicht ganz füllt. Für die Isolatorschicht 25 eignet sich Aluminiumoxyd. Die elektrisch leitende Metallkollektorschicht 26 wird auf die Isolatorschicht 25 so aufgedampft oder aufgetragen, daß sie in die Nadellöcher 23 der Metallbasisschicht 24 eindringt und die Nadellöcher fast ganz gefüllt werden. Das Metall der Schicht 26 im Nadelloch 23 ist mit der Isolatorschicht 25 in Kontakt und wird von der Metallbasisschicht 24 umschlossen. Im Nadelloch 23 dient die Isolierschicht 25 als Isolation zwischen dem Teil der Metallkollektorschicht 26 im Nadelloch 23 und der Metallbasisschicht 24. In einem betriebsfertigen Bauelement werden geeignete ohmsche Kontakte am Metallemitter 21, an der Metallbasisschicht 24 und an der Metallkollektorschicht zum Anlegen von Arbeits- und Steuerspannungen und zur Steuerung des Stromflusses in der dargestellten Vorrichtung vorgesehen.

Fig. 3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Verstärker mit gesteuerter Emission, bei dem dieselben Bauteile dieselben Bezugsziffern wie in F i g. 2 tragen. F i g. 3 zeigt einen Dünnschichtverstärker mit gesteuerter Emission, bei dem die Isolierschicht 25 selbstheilende Eigenschaften besitzt. Die Isolierschicht 25 erhält diese Eigenschaften dadurch, daß zwischen der Metallkollektorschicht 26 und der Isolierschicht 25 die selbstheilende Schicht 27 aufgebracht wird, die leitfähig oder nichtleitfähig, vorzugsweise nichtleitf ähig oder isolierend ist. Die Schicht 27 besteht aus dem Material der Zusammensetzung M₂X, wobei M₂ ein Metall ist, das ein in der Spannungsreihe der Elemente geringeres Potential einnimmt als das Metall M_a hat, während die Metallbasisschicht 24 aus dem Metall M_a besteht, und wobei X aus der Gruppe der nichtmetallischen Elemente und Radikalen ausgewählt wird, die mit dem Metall M₂ zur Bildung des Mittels M₂X eine Reaktion eingehen. Das Metall M_a reagiert mit der IsolierschichtM₂X derart, daß das Isoliermaterial M_aX entsteht. Die

Claims (7)

Isolierschicht 25 wird vorzugsweise aus dem Mittel MaX hergestellt. In dem Material MaX ist die Komponente X festgelegt und kann dieselbe sein wie die KomponenteX von M2X oder von ihr abweichen. Auch das Metall der Kollektorschicht 26 ist gleich dem Metall M2 oder es nimmt in der galvanischen Spannungsreihe der Elemente eine Stelle ein, die unter dem Metall M2 liegt. Die Funktion der selbstheilenden Schicht 27 besteht darin, die Integrität der Isolierschicht 25 zu bewahren. Zur Erklärung der Wirkungsweise und der Funktion der selbstheilenden Schicht 27 wird angenommen, daß bei der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung Gold oder ein anderes geeignetes Edelmetall für die Metallkollektorschicht 26, Bleioxyd für die selbstheilende Schicht 27, Aluminiumoxyd für die Isolierschicht 25 und metallisches Aluminium für die Metallbasisschicht 24 verwendet wird. Weiterhin wird angenommen, daß aus irgendeinem Grunde die Isolierschicht 25 wegen Überlastung ausfällt oder durchschlägt, so daß die Schicht 27 aus Bleioxyd direkten Kontakt mit der Basisschicht 24 aus Aluminium hat. Im Kontakt mit der Schicht 24 löst das Bleioxyd der selbstheilenden Schicht 27 eine chemische Reaktion zur Bildung vom metallischen Blei und Aluminiumoxyd aus. Das dünne Aluminiumoxyd verschließt den Durchschlag in der Isolierschicht 25, wodurch die Integrität der Schicht 25 wiederhergestellt wird. Bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung können für das Dünnschichtbauelement verschiedene Metalle zur Herstellung der Bauteile des Metallemitters, der Metallbasis und des Metallkollektors und auch zur Herstellung der die Bauteile trennenden Isolierschichten verwendet werden. Zu den geeigneten Werkstoffen für die Metallkollektorschichten und/oder Metallbasisschicht gehören Aluminium, Tantal, Chrom, Gold, Nickel u. dgl. Die Metallemitterschicht kann z. B. aus Tantal, Niobium, Aluminium, Zirkon, Hafnium, Wolfram, Wismut, Antimon, Beryllium, Magnesium, Silizium, Germanium, Zinn und Titan hergestellt werden. Die Isolierschichten 10, 22 und 25 können aus den Oxyden oder aus den Halogenen dieser Metalle, d. h. MgF, CaF sowie anderen Halogenen der Alkalimetalle bestehen. Für die Isolierschichten eignet sich vor allem Aluminiumoxyd. Eine Schicht aus Bleioxyd in Verbindung mit einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxyd auf einem geeigneten Metallträger, z. B. Aluminium, eignet sich dafür, der Aluminiumoxydschicht selbstheilende Eigenschaften zu verleihen. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente wird für die Metallkollektorschicht am besten ein Edelmetall, z.B. Gold, Silber, Platin, Palladium u. dgl., verwendet. Die dünnen Schichten bei dem Bauelement nach der Erfindung haben verschiedene Schichtstärken. Die Stärke des Metallemitters liegt normalerweise von ungefähr 1000 A an aufwärts; die Stärke dieser Schicht ist nicht kritisch. Die Metallbasisschicht hat gewöhnlich eine Stärke ebenfalls von ungefähr 1000 A aufwärts; auch die Stärke dieser Schicht ist nicht kritisch. Die Isolierschicht 22 in der Zeichnung hat normalerweise eine Stärke von 100 Ä bis ungefähr 500 A. Die Isolierschicht 25 sollte jedoch eine Stärke haben, die unter der Stärke der Isolierschicht 22 liegt, d. h. von ungefähr 100 bis 200 A bis zu ungefähr 10 bis 25 A. Patentansprüche:

1. Elektronisches Dünnschichtbauelement mit zwei voneinander getrennten, auf einer Isolierschicht angeordneten Metallschichten, zwischen denen in Abhängigkeit vom Potential an einer dritten Metallschicht eine gesteuerte Elektronenwanderung erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß einer von der ersten Metallschicht (21) gebildeten Kante (21c) eine kleine Öffnung (23) in der als Steuerelektrode dienenden, von der ersten Metallschicht isolierten zweiten Metallschicht (24) gegenüberliegt, in die isoliert gegenüber dieser zweiten, als Basis dienenden Metallschich (24) die als Kollektor dienende dritte Metallschicht (26) hineingreift.

2. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Metallschicht (26) durch die als Nadelloch ausgebildete Durchbrechung (23) der Basis-Metallschicht bis zu der die Emitter-Metallschicht (21) bedeckenden Isolation (22) reicht.

3. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten aus metallischem Aluminium bestehen.

4. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten aus Aluminiumoxyd (Al₂O₃) bestehen.

5. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis-Metallschicht (24) aus einem Metall M_A bedeckende isolierende Schicht (25) aus einem Material M₁ von einer weiteren dünnen Schicht (27) aus einem isolierenden Material (M₂X) bedeckt ist, wobei zur Herstellung selbstheilender Eigenschaften für M₂ ein Metall gewählt ist, das in der Spannungsreihe der Elemente ein geringeres Potential einnimmt als das Metall M_a hat und X aus der Gruppe der nichtmetallischen Elemente und Radikalen ausgewählt ist und daß das Metall M_a mit der Isolierschicht der Zusammensetzung M₂X derart reagiert, daß ein Isolatormaterial M_aX entsteht und daß ferner das Metall M₁ mit dem Material X eine Verbindung M₁X bildet, wobei das MetallM₁ in der galvanischen Spannungsreihe über dem Metall M₂ liegt und daß schließlich die MaterialienM₂X und M₁ so miteinander reagieren, daß M₁ mit M₂X das Isolatormaterial M₁X bildet.

6. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle M₁ und M_a gleich sind.

7. Dünnschichtbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle M₁ und M₄ Aluminium sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1118 888;
französische Patentschriften Nr. 1266 933,
301563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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