DE2401560A1

DE2401560A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2401560A1
Application number: DE2401560A
Authority: DE
Inventors: John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-14
Publication date: 1974-08-01
Also published as: FR2214972A1; US4275405A; FR2214972B1; NL7400687A; CA1046655A; GB1443434A; JPS5068782A

Description

PHB.32309. Va/EVH.

32309

Anmeldung vom« 10. Jan. 1974

Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, insbesondere, aber nicht ausschliesslich auf eine Feldeffektanordnung mit isolierter Gate-Elektrode zur Anwendung als Zeitgebervorrichtung.

Jetzt enthalten viele Systeme eine Zeitgebervorrichtung. Waschmaschinen und Küchenherde enthalten Schaltuhren, die mit Intervallen von Sekunden oder Stunden ohne die Notwendigkeit einer grossen Genauigkeit arbeiten. Elektronische Uhren er-

fordern aber eine Zeitgenauigkeit von etwa 1 · zu 10 . Banktresore, Stahlkammern und andere Räume könnten Zeitgebervorrichtungen verwenden, die über Tage, Monate oder sogar Jahre arbeiten..

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Die vorliegende Erfindung schafft eine Halbleiteranordnung, die sich zur Anwendung als Zeitgeber3Chaltung ei/net, wobei radioaktiver Zerfall zur zeitlichen Steuerung eines Betriebszustandes der Vorrichtung benutzt wird.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung weist den Vorteil auf, dass, weil radioaktives Material ohne äussere Kraftquelle zerfällt, keine äussere Energie verbraucht wird, wenn eine solche Vorrichtung die Zeit nisst.

Derartige Vorrichtungen können für verschiedene Zeitnies sbearbeitungen durch passende Wahl der Menge an radioaktivem Material und der Halbwertszeit desselben hergestellt werden. Dadurch, dass also eine grosso Menge eines Elements mit einer kurzen Halbwertszeit vorgesehen wird, können die Betriebsbedingungen der Vorrichtung schnell geändert werden, so dass eine Zeitgebervorrichtung mit einem kurzen Intervall erhalten wird, Wenn es aber erwünscht ist, die Vorrichtung zum Messen einer Anzahl Zeitintervalle über die ganze Lebensdauer der Vorrichtung zu verwenden, ist es im allgemeinen wünschenswert, dass die Betriebsbedingungen der Vorrichtung sich mit einer praktisch konstanten Geschwindigkeit übar die ganze Lebensdauer der Vorrichtung ändern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein radioaktives Isotop gewählt wird, das im Vergleich zu der Lebensdauer der Vorrichtung eine lange Halbwertszeit aufweist, so dass der während der Lebensdauer der Vorrichtung auftretende radioaktive Zerfall eine vernachlässigbare Aenderung des Pegels der Radioaktivität während dieser Lebensdauer herbeiführt. Für eine Vorrichtung

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mit einer Lebensdauer in der Grössenordnung von 10 Jahren wird also die gewählte Halbwertszeit im allgemeinen mindestens in

der Grössenordmmg von 10 Jahren liegen.

Eins bevorzugte Ausführungsforra einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung enthält einen Halbleiterkörper und ein Ladungsspeichergebiet auf einem Teil des Halbleiterkörpers, welches Gebiet von diesem Teil des Halbleiterkörpers durch Isoliermaterial getrennt ist, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Isoliermaterial der Ladungszustand des Ladungsspeichergebietes das Oberflächenpotential des unter dem Ladungsspeichergebiet liegenden Teiles des Halbleiterkörpers beeinflusst, wobei sich praktisch an der Stelle des Ladungsspeichergebietes ein radioaktives Material mit einem Element befindet, dessen radioaktiver Zerfall den Ladungszustand des Ladungsspeichergebietes zur zeitlichen Steuerung des genannten Oberflächenpotentials ändert. Der radioaktive Zerfall kann das genannte'Oberflächenpotential erhöhen oder herabsetzen und kann in einer Anzahl Halbleiteranordnungen angewendet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindvmg enthält eine Feldeffektanordnung mit isolierter Gate-Elektrode mit einem Teil eines Halbleiterkörpers und einem Gate-Gebiet, das sich auf diesem Teil des Halbleiterkörpern befindet und von diesem Teil durch Isoliermaterial getrennt ist, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Isoliermaterial der Ladungszustand und das Potential des Gate-Gebietes einen Kanal beeinflussen,

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durch den Ladungsträger in dem Teil des Kalbleiterkörpers unter dem Gate-Gebiet fliessen können, wobei sich praktisch an der Stelle des Gate-Gebietes ein radioaktives Material mit einem Element· befindet, dessen radioaktiver Zerfall den Ladungszustand und das Potential des Gate-Gebietes zur zeitlichen Steuerung der Leitfähigkeit in dem Kanal lindert. Die Kanalleitfähigkeit kann durch den radioaktiven Zerfall erhöht oder herabgesetzt werden, so dass die Anordnung im Verarmungsrnodus oder im Anreicherungsmodus arbeiten kann. Aus der Aenderung der Stromleitung durch den Kanal lässt sich danach die vergangene Zeit ermitteln, Der radioaktive Zerfall kann dazu benutzt werden, das Potential des Gate-Gebietes durch einen Schwellwert gehen zu lassen, um entweder den Kanal der Anordnung zu bilden oder diesen Kanal abzusperren und auf diese Weise die Anordnung entweder ein- oder auszuschalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gate-Gebiet völlig von Isoliermaterial umgeben und weist es keinen Anschlussleiter auf.

Vorzugsweise werden bei dem radioaktiven Zerfall

elektrisch geladene Teilchen, z.B. Beta-((i>)Teilchen, emittiert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform zerfällt das radioaktive Element direkt zu einem stabilen Produkt oder zu einem Produkt mit einer viel längeren Halbwertszeit, so dass die Reaktionen, die den Ladungszustand während der Lebensdauer der Vorrichtung beeinflussen, vereinfacht werden.

Die Halbleiteranordnung kann z.B, ein Transistor auch ein Baustein einer integrierten Schaltung sein,

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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der

Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es' zeigen:

Fig. 1 bis h Querschnitte durch vier verschiedene Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (nachstehend als IGFET bezeichnet) nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte IGFET ist eine p-Kafialanordnung vom Anreicherungstyp. Die Anordnung enthält einen Teil eines Halbleitersubstrats 1 vom n-Leitfähigkeitstyp mit einer Hauptoberfläche 2. Eine Struktur isolierender Schichten 3, h und 5 befinden sich auf der Oberfläche 2, Ein Gate-Gebiet in Form einer Elektrodenschicht 6 liegt auf dem Isolierschichtteil k und ist dadurch von der Oberfläche 2 getrennt. Die Gate-Elektrode 6 ist allseitig völlig von den Isolierschichtteilen k und 5 umgeben. Es gibt keinen Anschlussleiter auf der Gate-Elektrode 6, die also ein schwebendes, von ihrem Ladungszustand abhängiges Potential aufweist. Die Gate-Elektrode 6 ist ein Ladungsspeichergebiet der Anordnung.

Die Gate-Elektrode 6 befindet sich oberhalb eines p-leitenden Kanals 11 auf einem Teil der Oberfläche 2 zwischen der Source-Elektrode (7, 9) und der Drain-Elektrode (8, 10) des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode. Die Source- und Drain-Elektroden können, wie in diesem Beispiel, gesonderte Source- und Drain-Gebiete 7 bzw. 8 enthalten, die sich in dem η-leitenden Substrat 1 in der Nähe der Oberfläche 2 befinden und die durch Metallelektroden 9 bzw. 10 über Fenster in der Struktur von Isolierschichten 3, ^t 5

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kontaktiert sind. Die Source- und Drain-Elektroden können aber auch aus Metallelektroden 9 und 10 bestehen, .die einen gleichrichtenden Schottky-Kontakt mit dem η-leitenden Substrat 1 in den Fenstern in der· isolierenden Struktur 3 ι ^, bilden. Die Elektroden 9 und 10 erstrecken sich weiter über den Isolierschichtteil 3.

Dadurch, dass der Uebergang zwischen dem Substrat 1 und der Drain-Elektrode 8, 10 impulsweise in Lawinendurch.ychlag gebracht wird, können heisse Elektroden in den Isolator k injiziert werden, um eine negative Ladung und ein negatives Potential an der Gate-Elektrode 6 einzuschreiben. Diese negative Ladung ändert das Oberflächenpotential des Halbleitersubstrats 1 unter der Elektrode 6 und erhöht die Leitfähigkeit des p-Typ-Kanals 11 zwischen der Source-Elektrode 7»9 und der Drain-Elektrode 8,10. Dank dem Kanal 11 kann ein Löcherstrora zwischen den Source- und Drain-Elektroden 9 und 10 fliessen. Die Grosse der negativen Ladung an der Gate-Elektrode 6 steuert die Leitfähigkeit des Kanals 11. Weiter kann die von den Isolierschichtteilen 4 und 5 umgebene Gate-Elektrode derart hergestellt werden, dass diese negative Ladung während mehr als 10 Jahren bei Temperaturen bis zu mindestens 125⁰C an der Gate-Elektrode 6 aufrechterhalten werden kann, wobei nur unbedeutende Ableitung über die Isolierschichten k und auftritt.

Eine IGPET-Struktur, die in verschiedenen Hinsichten gleich der bisher an Hand der Fig. 1 beschriebenen Struktur ist, ist zur Anwendung als binärer logischer Auslesespeicher

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bekannt (siehe z.B. "Electronics" , den 1.0. Mai 1971,' S. 91-95).

Nach der vorliegenden Erfindung befindet sich aber auch radioaktives Material in der Anordnung nach Fig. 1 praktisch an der Stelle der Gate-Elektrode 6. Das Material 12 ist durch den kreuz-schraffierten Teil in Fig. 1 dargestellt.

In diesem Beispiel kann das radioaktive Material 12 ein Isotop sein, das A-Teilchen niedriger Energie emittiert, z.B. "?. Si mit einer Energie von etw 90 keV oder ₂g Ni mit . einer Energie von etwa 65 keV oder "f H (Tritium) mit einer Energie von etwa 12 keV,

Jedes ft-Teilchen, das aus der oberen Fläche der Transistoranordnung entweicht, wird grundsätzlich die negative Ladung an der Gate-Elektrode 6 um eine Einheit herabsetzen. Es wird jedoch klar sein, dass, während das (h -Teilchen den Isolator 5 passiert, Ionisation auftritt und die Gate-Elektrode 6 einen Ladungsbetrag verlieren kann, der von der Lebensdauer von Ladungsträgem in der Isolierschicht 5 und der von dem entweichenden lh-Teilchen abgeleiteten Energie abhängig ist. ¥enn die Beweglichkeit der Ladungsträger in dem Kanal 11 praktisch unabhängig von der Temperatur und der Gate-Spannung ist, wird die Herabsetzung um eine Einheit der Ladling an der Gate-Elektrode 6 die Leitfähigkeit des Kanals 11 urn eine Einheit herabsetzen. Die Zeit, die vergangen ist, nachdem in den IGFET durch die'Lawinenwirkung Ladung eingeschrieben ist, kann also dadurch gemessen werden, dass, die K3-nalleitfähigkeit, die dem Strom gerade proportional ist, der durch den Kanal 11 fliesst, wenn stets derselbe

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Spannungsunterschied zwischen den Source- und Drain-Elektroden 9 und 10 angelegt wird, gemessen wird. Daher schafft eine Messung der Kanalstromänderung bei gleichbleibender Source/Drain-Spannung eine Messung des Zeitintervalls, in dem diese Aenderung durch den radioaktiven Zerfall herbeigeführt \%^Turde.

Vorzugsweise wird das radioaktive Material 12 mit einer im Vergleich zu der Lebensdauer der Vorrichtung langen Halbwertszeit gewählt, so dass die Zerfallgeschwindigkeit während der Lebensdauer der Vorrichtung praktisch konstant bleibt. Unter diesen Bedingungen werden gleiche Aenderungen im Gate-Potential und im Kanalstrom praktisch gleichen Zeitiiitervallen von dem Einschreiben in die Vorrichtung an in irgendeiner Stufe während der Lebensdauer der Vorrichtung

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entsprechen, ^j, Si hat eine Halbwertszeit von etwa 10 Jahren

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und ρ« ^- kat eine Halbwertszeit von etwa 125 Jahren, Beide eignen sich daher zur Anwendung in einer Vorrichtung mit einer Lebensdauer vpn 10 Jahren oder weniger»

Das radioaktive Material 12 kann auf oder zusammen mit der Gate-Elektrode 6 niedergeschlagen werden. Eine sehr genaue Regelung kleiner Mengen und ihrer Lage kann aber dadurch erhalten werden, dass das radioaktive Isotop durch Ionenimplantation angebracht -wird. Diese radioaktive Ionenimplantation kann dadurch erfolgen, dass eine implantierte vergrabene Schicht 12 gebildet wird, nachdem der Isolierschichtteil 5 angebracht ist.

Dadurch, dass eine Dosis von 10 ~\, Si-Atonen/cm praktisch an der Stelle der Gate-Elektrode 6 implantiert wird, wird eine Ladungsänderung an der Gate-Elektrode 6 in der

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Grossenordnung von 6 χ 10 Elektronenladungen/cm pro Monat erhalten; in einer Struktur der in Fig. 1 dargestellten Art mit chrakteristischen PET-Abmessungen .würde diese Ladungs-Snderung einer Potentialänderung in der Gate-Elektrode von etwa 3 V pro Monat entsprechen. Es lässt sich erwarten, dass sich dieser Wert um weniger als 1 ¹^ über eine Periode von 10 Jahren ändern wird. Für eine-ähnliche Implantationsdosis von 23 Ni würde sich die Gate-Spannung jedoch um etwa 1 V pro Tag ändern. Es dürfte also einleuchten, dass durch » Aenderung der Halbwertszeit und der Dosis die Kennlinien derart geändert werden können, dass für eine IGFET-Zeitgebervorrichtung die Empfindlichkeit und die Stabilität erhalten werden, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht werden.

Vorzugsweise befindet sich eine dünne Metallschicht auf der Isolierschicht 5 oberhalb der Gate-Elektrode 6 und des radioaktiven Materials 12. ¥eim das Material 12 durch Ionenimplantation angebracht wird, kann die Schicht 13 vor oder nach der Implantation gebildet werden. Die Schicht 13 kann dazvi dienen, die ganze obere Fläche der Isolierschicht während des radioaktiven Zerfalls auf demselben Potential zu halten. Die Schicht kann auch mit einem Source-Anschluss versehen werden, wobei während des Lawinendurchschlags des Drain-Uebergangs die Schicht 13 ^auf einem positiveren Potential gehalten werden kann, um das Injizieren heisser Elektronen aus dem Lawinendurchschlag in die Gate-Elektrode 6 zu fördern.

Vorzugsweise werden Massnahmen getroffen, durch die die Absorption emittierter fe -Teilchen in dem Halbleiter-

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substrat 1 an den Stellen verringert wird, an denen diese Teilchen unerwünschte StrahlungsbeschKdi^ung des Hnlblelterkristallgitters herbeiführen Izönnten. Das radioaktive V.v.t erial 1 kann zu diesem Zweck praktisch an der Stelle der oberen Flache der Gate-Elektrode 6 angebracht werden, während die Ge.te-Elektrode 6 derart gewählt werden kann, dass sie eine Dicke aufweist, die genügend ist, um die meisten fh-Teilchen, die zu dem Halbleitersubstrat emittiert v/erden, zu-absorbieren. Bei Anwendung radioakti\^rer Ionenimplantation kann die Energie der bombardierenden Ionen und also ihr Bereich in bezug auf die Dicke der Schicht 5 (und gegebenenfalls in bezug auf die Schicht 13) derart gewählt werden, dass die Ionen mit einer Verteilung implantiert werden, die eine Spitzenkonzentration an der Grenzfläche zwischen der Gate-Elektrode und dem darüber liegenden Isolierschichtteil 5 aufweist. Die Anordnung nach Fig. 1 kann durch die üblichen Techniken, z.B. thermische 0x3^rdation, photolithographisohe Maskierungs- und Aetztechniken, Ablagerung von Schichten, thermische Diffusion von Verunreinigungen und Ionenimplantation, hergestellt werden. Das Substrat 1 kann also z.B. aus Silicium bestehen, während die Isolierschicht 3 aus thermisch angewachsenem Siliciumdioxid bestehen kann. Die Isolierschicht: teile h und 5 können aus niedergeschlagenem Siliciumdioxid bestehen. Die Gate-Elektrode 6 kann aus gut leitendem polykristallinem Silicium bestehen, das auf der Schicht h niedergeschlagen und z.B. durch Diffusion zugleich mit den Source- und Drain-Gebieten 7 und 8 dotiert ist. Die Gate-Elektrode

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kann aber auch aus Metall, z.B. Molybdän, bestehen. Die Schichten 13, 9 und 10 können aus Aluminium bestehen.

Es ist einleuchtend, dass radioaktiver Zerfall in anderen Formen von IGFET-Strulcturen zum Erhalten einer Zeitgebervorrichtung benutzt werden kann. Die in Fig.- 2 dargestellte IGFET-Struktur ist z.B. eine ρ-Kanalanordnung vom Anreicherungstyp mit einem Gate-Gebiet 6, das durch Einfangzentren an einer Grenzfläche zwischen einer Siliciumdioxidschicht h und einer Siliciumnitridschicht 20 gebildet wird. Die Teile der Anordnung nach Fig. 2, die denen nach Fig. 1 entsprechen, sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern •wie in Fig. 1 bezeichnet.

Es ist bekannt, dass Ladung während langer Perioden in Einfangzentren gespeichert werden kann, die an einer Grenzfläche zwischen Siliciumdioxid und Siliciumnitrid gebildet Airerden (siehe z.B. "Electronics", den 5. Juli 1971, S. 53-56). In der Anordnung nach Fig. 2 wird ein derartiges Ladungsspeichergebiet statt, der vergrabenen Gate-Elektrode der Anordnung nach Fig. 1 verwendet. Abgesehen von dieser Abänderung ist der Transistor nach Fig. 2 in bezug auf Struktur und Wirkung dem nach Fig. 1 gleich. Auf der Substratoberfläche 2 oberhalb des Gebietes des Kanals 11 befindet sich eine dünne Siliciumdioxidschicht 4. Die Siliciumnitridschicht 20 ist auf dieser Siliciumdioxidschicht h zur Bildung des Ladungsspeichergebietes 6 an der Grenzfläche niedergeschlagen. Das radioaktive Material, das .Λ» -Teilchen niedriger Energie emittiert, ist durch Ionenimplantation ent\v^Teder durch

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die Schicht 20 hin.oder vor der Bildung der Nitridschicht angebracht. Die Energie der bombardierenden radioaktiven Ionen ist derart gewählt, dass die Implantationsspitze an der Grenzfläche zwischen den Schichten 20 und h auftritt.

In die Anordnung nach Pig. 2 kann durch Lav.'inendurchschlag der Source- oder Drain-Uebergänge Ladung eingeschrieben werden, derart, dass heisse Elektronen in die Siliciumdioxidschicht 4 injiziert werden} diese Elektronen werden dann an der Grenzfläche zwischen Siliciumdioxid und » Siliciumnitrid als negative Ladung eingefangen. Diese negative Ladung induziert den p-leitenden Inversionskanal 11. Bei einer anderen AusfUhrungsform kann die Siliciumdioxidschicht h aber genügend dünn sein, um Elektronendurchtunnelung von dem η-leitenden Substrat 1 her durch die Schicht h hindurch zu ermöglichen. In diesem Falle kann die Metallschicht mit einem Anschlussleiter versehen werden, wodurch ein grosses positives Potential in bezug auf das Substrat 1 zeitweilig an die Schicht 13 angelegt wird, um das Einschreiben der negativen Ladung an der Grenzfläche durch Durchtunnelung von Elektronen zu fördern. Eher noch als die Metallschicht 13 dient dann dieses Ladungsspeichergebiet 6 an der Grenzfläche als Gate-Gebiet der IGPET-Anordnung zur Steuerung der Leitung des Kanals 11« Die negative Ladung an diesem Speichergebiet wird dann zeitlich durch den fo-Teilchen emittierenden radioaktiven Zerfall herabgesetzt. Die Zeit wird dadurch gemessen, dass der Vert des Kanalstroms gemessen wird, auf gleiche Weise wie bei der IGFET-Anordnung nach Fig. 1.

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Derartige IGFET-Zeitgebervorrichtungen können entweder digital oder analog ausgeführt werden. Im Falle der analogen Ausführung kann der ¥ert des Kanalstroms auf einer Skala oder Scheibe, die in Zeiteinheiten geeicht ist, geprüft und abgelesen werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die IGFET-Anordnung aber zusammen mit einer Schaltung verwendet werden, die die Zunahme (oder Abnahme) des Kanalstroms auf einen bestimmten Wert (der einem bestimmten Zeitintervall entspricht) abtastet. Beim Passieren dieses Wertes kann eine derartige Schaltung in einen anderen Zustand umschalten, um einen gewünschten Effekt auf irgendein von der Zeitgebervorrichtung gesteuertes Gerät auszuüben. Eine derartige Abtastschaltung kann aber auch bei digitaler Wirkung der Zeitgebervorrichtung dazu verwendet werden, den Inhalt der IGFET-Zeitgebervorrichtung (z.B. durch einen neuen Lawinendurchschlag eines Drain-Uebergangs) zu löschen, wenn der Kanalstrora einen vorgegebenen Pegel erreicht; auf die letztere Weise könnte eine Schaltung mit dem IGFET einen Impulsgenerator bilden.

Der radioaktive Zerfall kann dazu benutzt werden, das Potential des Gate-Gebietes durch einen Schwellwert gehen zu lassen, um z.B. den IGFET im Anreicherungsmodus einzuschalten oder im Verarmungsmodus auszuschalten. Die p-Kanalanordnungen vom Anreicherungstyp und vom Verarmungstyp nach den Fig. 1 und 2 werden ausgeschaltet, wenn der radioaktive Zerfall des ßj-Teilchen emittierenden Elements den in das Gate-Gebiet 6 eingeschriebenen negativen Ladungszustand in genügendem Masse herabsetzt' oder umgekehrt hat. Die dazu

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benötigte Zeit hängt von der· Halbwertszeit und der gewühlten Menge an radioaktivem Material 12 ab, wie oben beschrieben ist,

Es sei bemerkt, dass, indem Cv-Teilchen statt /b -Teilchen für das radioaktive Material 12 gewählt werden, eine modifizierte Ladungsänderung des Gate-Gebietes 6 sowohl in der Anordnung nach Fig. 1 als auch in. der Anordnung nach Fig. 2 erhalten werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte IGFET-Struktür ist eine n-Kanalanordnung vom Anreicherungstyp. Die Struktur der Anordnung ist der nach Fig. 1 ähnlich, mit dem Unterschied, dass das Substrat 1 p-leitend ist und die Source- und Drain-Gebiete und 8 η-leitend sind. Es ist bekannt, dass eine n-leitende Inversionsschicht auf einem p-leitenden Siliciumsubstrat mit hohem spezifischen Widerstand unter einer Siliciunidioxidschicht gebildet werden kann. Das Vorhandensein einer derartigen η-leitenden Inversionsschicht würde einen stromführenden Kanal zwischen den η-leitenden Source- und Drain-Gebieten 7 und 8 erzeugen, so dass die Anordnung eher eine Anordnung vom Verarmungstyp als vom Anreicherixngstyp wäre. Die η-leitende Inversionsschicht rings um das IGrET-Gbiet würde auch die η-leitende Sourpe- und Drain-Gebiete 7 und der IGFET-Struktur mit den benachbarten n-leitenden Gebieten von in dem p-leitenden Substrat 1 gebildeten benachbarten Schaltungselementen verbinden. Nach der in der britischen Patentschrift 1 261 723 beschriebenen Technik wird aber eine Akzejstorverunreinigung (z.B. Bor) in das Substrat 1 in der Nähe der Oberfläche 2 implantiert. Die Akzeptorionen

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werden implantiert, um die Bildung der natürlichen n-leitenden Inversionsschicht sowohl in dem Kanalgebiet 11 als auch in dem Oberflächengebiet 12 rings um den Transistor zu verringern und eine genaue Schwe1lwertspannung für den n-Kanal-Anreicherungs-IGFET zu bestimmen. Diese Schwellwertspannung kann dadurch genau geregelt werden, dass die Akzeptorionendosis, die in das Kanalgebiet 11 implantiert wird, geeignet gewählt wird.

Das radioaktive Material 12 emittiert (i>-Teilchen niedriger Energie und ist an der oberen Fläche der vergrabenen Gate-Elektrode 6 implantiert. Je nach dem Zerfall dieses Materials 12 wird ein positiver Ladungszustand (und ein positives Potential) auf die vergrabene Gate-Elektrode 6 aufgebaut. Wenn dieses Ga.te-Potential die Schwellwert spannung der Anordnung erreicht, die durch die Akzeptorimplantation im Kanalgebiet 11 bestimmt ist, bildet sich ein η-leitender Inversionskanal in dem Gebiet 11. Dann kann ein Elektronenstrora von der Source-Elektrode (7, 9) zu der Drain-Elektrode (8, 1O) fliessen, wenn ein Potentialunterschied zwischen den Source- und Drain-Elektroden 9 und 10 angelegt wird. Auf diese Weise wird eine IGFET-Zeitgebervorrichtung erhalten, die erst einschalten wird, nachdem eine gewisse Zeit nach dem Einschreiben vergangen ist. Diese Zeit wird durch die für die Anordnung gewählte Schwellwertspannung und durch die Menge und die Halbwertszeit des radioaktiven Materials 12 bestimmt. Eine.derartige Anordnung könnte zusammen mit einem Schloss auf einem Tresor oder Raum verwendet werden, um zu verhindern,

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dass- der Tresor oder Raum vor dem Verstreichen einer bestimmten Zeit geöffnet wird. Der Inhalt der IGFET-Anordnung nach Fig. kann durch Lawinendurchschlag des Source- oder Drain-Uebergangs gelöscht werden, derart, dass heisse Elektronen in den Isolator 4 injiziert werden.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der IGFET-Anordnung nach den Fig. 1 und 3 im Querschnitt quer zu'denen nach den Fig. 1 und 3» Die Gate-Elektrode 6 auf einem dünnen Isolierschichtteil 4 erstreckt sich lateral nach aussen über einen Teil der dickeren umgebenden Isolierschicht 3· Der Kanal 11 liegt unter dem Teil der Gate-Elektrode auf dem dünneren Schichtteil 4, Der Ladungszustand und das Potential der Gate-Elektrode 6 beeinflussen im wesentlichen und in erheblichem Masse das Halbleiteroberf lächenpoteiitia.1 unter diesem Elektrodenteil auf der Schicht 4 und somit die Leitfähigkeit des Kanals 11, wie oben in bezug auf die Fig. 1 und 3 beschrieben ist. In dieser abgewandelten Ausführungsform ist das radioaktive Material 12 aber nur an der Stelle desjenigen Teiles der Gate-Elektrode 6 angebracht, der sich auf dem dickeren Schichtteil 3 befindet, während die Schicht 3 genügend dick ist, um Absorption von /^-Teilchen in dem Halbleitersubstrat 1 zu verringern. Vegen ihrer guten Leitfähigkeit werden der Ladungszustand und das Potential der ganzen Gate-Elektrode 6 durch den radioaktiven Zerfall geändert. In dieser abgewandelten Ausführungsform braucht die Gate-Elektrode 6 nicht dick zu sein und das radioaktive Material braucht nicht nur praktisch an der Stelle der oberen

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FlSche der Elektrode angebracht zu werden, um diese Absorption zu verringern,

Die beiliegenden Zeichnungen zeigen also eine FeIdeffektanordnung mit isolierter Gate-Elektrode, in der ein radioaktives Element in und/oder nahe bei einem Gate-Gebiet vorhanden ist und der radioaktive Zerfall den Ladungszustand und das Potential des Gate-Gebietes 6 ändert, um die Leitfähigkeit eines Stromkanals 11 unter dem Gate-Gebiet 6 zeitlich zu steuern. Ein derartiges Gate-Gebiet 6 ist ein Ladungsspeichergebiet, das das Oberflächenpotential des unterliegenden Halbleiterkörpers beeinflusst. Ein grosser Vorteil einer derartigen Anordnung ist der, dass, weil das radioaktive Material 12 ohne Anwendung einer äusseren Energiequelle zerfällt, keine äussere Energie verbraucht wird, wenn eine derartige Anordnung die Zeit misst. Für Fest stoff-Uhren könnte ein derartiger Vorteil von grosser Bedeutung sein.

Es ist einleuchtend, dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abarten möglich sind, Z.B. kann eine Zeitgebervorrichtung gebildet werden, in der das Gate- oder Ladungsspeichergebiet aus einem in einer dicken isolierenden Schicht vergrabenen Ladungsspeichergebiet besteht, das durch Strahlungsbeschädigung gebildet wird, die durch Implantation radioaktiven Materials herbeigeführt wird; in einem derartigen Falle kann das radioaktive Material metallisch sein, so dass das vergrabene Ladungsspeichergebiet, das durch die radioaktive Implantation gebildet wird, metallischer Art ist, .

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Eine radioaktive Zeitgebervorrichtung nach der Erfindung kann mit anderen Schaltungselementen in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert werden. Sie kann z.B. eine Speicherstelle einer sogenannten "Ladungsspeichervorrichtung", ¹¹ Ladungsübertragungsvorrichtung" oder "Eimerkettenspeichervorrichtung" sein, in der durch Feldeff ektv,^rirkung Ladung zwischen verschiedenen Stellen in einem Halbleitersubstrat beim Anlegen von Takt spannungen s.n aufeinanderfolgende isoliert: Gate-Elektroden transportiert wird.

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Claims

·. PHE. 32309. - 19 - 18.12.73. PATENTAMSPRUECIIE;

1. / Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass

radioaktiver Zerfall zur zeitlichen Steuerung eines Betriebszustandes der Anordnung benutzt wird,

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Halbleiterkörper und ein Ladungsspeichergebiet enthält, das auf einem Teil des Halbleiterkörpers liegt und von diesem Teil durch Isoliermaterial getrennt ist, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Isoliermaterial der Ladungszustand des Ladungsspeichergebietes das Oberflächenpotential des Teiles des Halbleiterkörpers unter dem Ladungsspeichergebiet beeinflusst, wobei sich praktisch an der Stelle des Ladungsspeichergebietes ein radioaktives Material mit einem Element befindet, dessen radioaktiver Zerfall den Ladungszustand des Ladungsspeichergebietes zur zeitlichen Steuerung des genannten Oberflächenpotentials ändert.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feldeffektanordnung mit isolierter Gate-Elektrode mit einem Teil eines Halbleiterkörpers und einem Gate—Gebiet enthält, das auf diesem Teil des Halbleiterkörpers liegt und von diesem Teil durch Isoliermaterial getrennt ist, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Isoliermaterial der Ladungszustand und das Potential des Gate-Gebietes einen Kanal beeinflussen, durch den Ladungsträger in dem Teil des Halbleiterkörpers unter den Gate-Gebiet

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fliessen können, wobei sich praktisch an der Stelle des Gate-Gebietes ein radioaktives Material mit einen Element befindet, dessen radioaktiver Zerfall den Ladungszustand und das Potential des.Gate-Gebietes zur zeitlichen Steuerung der Leitfähigkeit in dem Kanal ändert.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Gate-Gebiet eine Elektrodenschicht ist, die zwischen Teilen einer Isolierschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht und von diesen Teilen völlig umgeben ist.

5· Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das radios-ktive Material praktisch an der Stelle der Oberfläche der Gate-Elektrodenschicht befindet, die von der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgekehrt ist, während die Dicke der Gate-Elektrodenschicht derartig ist, dass praktisch keine von dem radioaktiven Zerfall herrührenden emittierten Kernteilchen den Halbleiterkörper erreichen,

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallschicht auf einem Isolierschichtteil oberhalb des Gate-Gebietes vorhanden ist, um die ganze obere Fläche dieses Isolierschichtteiles auf demselben Potential zu halten,

7· Halbleiteranordnung irit isolierter Gate-Elektrode nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Anordnung vom Anreicherungstyp ist, wobei der radioaktive Zerfall dazu benutzt wird, den genannten Kanal zu bilden oder die Leitfähigkeit desselben zu vergrÖGsern,

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8. Halbleiteranordnung mit isolierter Gate-Elektrode nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass di.e Anordnung eine Anordnung vom Verarmungstyp ist, wobei der radioaktive Zerfall dazu benutzt wird, den Kanal abzusperren oder die Leitfähigkeit desselben zu verringern.

9. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radioaktive Material eine Halbwertszeit in der Grössenordnung

von 1O Jahren hat.

10. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radioaktive Material Di-Teilchen emittiert,

11. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radioaktive Element direkt zu einem stabilen Produkt zerfällt.

12. Zeitgebervorrichtung mit einer Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

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