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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 derselben

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DE2039734B2
DE2039734B2 DE19702039734 DE2039734A DE2039734B2 DE 2039734 B2 DE2039734 B2 DE 2039734B2 DE 19702039734 DE19702039734 DE 19702039734 DE 2039734 A DE2039734 A DE 2039734A DE 2039734 B2 DE2039734 B2 DE 2039734B2
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insulator layer
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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)

Patentansprüche:
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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