DE1244310B - Elektrisch verstaerkendes Bauelement mit duennen isolierenden Festkoerperschichten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.

HOlI

Deutsche Kl.: 21 g - 41/00

Nummer: 1244 310

Aktenzeichen: J 23808 VHI c/21 g

Anmeldetag: 1. Juni 1963

Auslegetag: 13. Juli 1967

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch verstärkendes Bauelement mit dünnen isolierenden Festkörperschichten. Die Erfindung zielt darauf ab, die für derartige Vorrichtungen erforderliche Elektronenquelle unter Ausnutzung der inneren Feldemission zu realisieren. Die innere Feldemission ist auch unter dem Namen »Lawineneffekt« bekannt.

Wegen der Schwierigkeit, einkristalline halbleitende Schichten in Form von dünnen Filmen auf die Oberfläche elektrisch neutraler Unterlagen, wie Keramik, Glas usw., niederzuschlagen, ist die Herstellung von aktiven Bauelementen vom bipolaren Typ mit dünnen Schichten nicht einfach. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, suchte man nach Möglichkeiten, mit unipolaren Bauelementen ähnliche oder gleiche Funktionen zu erfüllen, wie sie bei Bauelementen vom bipolaren Typ bekannt waren. Es wurde bereits z. B. durch die französische Patentschrift 1266 933 eine mehrschichtige Struktur bekannt, die durch das Niederschlagen dünner polykristalliner Schichten auf ao eine geeignete Unterlage erstellt werden. Eine derartige Struktur liegt auch der vorliegenden Erfindung zugrunde und weist eine Folge von Schichten auf, die abwechselnd leitend und nichtleitend sind. Eine derartige mehrschichtige Struktur wird hergestellt durch Niederschlagen von Schichten, die abwechselnd aus einem Metall oder aus einem Dielektrikum bestehen, auf eine geeignete Unterlage. Die äußeren Schichten einer solchen Kombination aus Metall und Dielektrikum dienen als ohmsche Kontakte für ein elektronemittierendes und ein elektronensammelndes Element. Ein Steuergitter mit feinmaschiger Struktur zum Herstellen eines gleichförmigen elektrischen Feldes liegt zwischen zwei Metallelektroden. Zwischen der einen Elektrode und dem Steuergitter befindet sich ein Dielektrikum, und ein zweites Dielektrikum liegt zwischen dem Steuergitter und der zweiten Elektrode. Aus später noch zu besprechenden Gründen besitzen die genannten beiden Dielektrika verschiedene Dicke und verschiedene Materialeigenschaften. Es ist bekannt, eine Elektronenquelle unter Ausnutzung des Tunneleffektes mittels einer Kombination zwischen einer Metallschicht und einer dielektrischen Schicht zu realisieren. Man spricht dann von einer Tunnelemission. Es ist klar, daß infolge der Benutzung des Tunneleffektes nur dann ein brauchbarer Elektronenfluß zustande kommt, wenn die isolierende Schicht sehr dünn, etwa in der Größenordnung von 100 Angströmeinheiten ist. Solch dünne Schichten sind nur schwierig und mit geringer Reproduzierbarkeit praktisch herzustellen.

Die vorliegende Erfindung benutzt dahingegen zur Elektrisch verstärkendes Bauelement mit dünnen isolierenden Festkörperschichten

Anmelder:

International Business Machines Corporation,
Armonk, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

DipL-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Rudolf Eduard Thun, Poughkeepsie₃ N.Y.;

Edward Stanley Wajda,

Kingston, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Juni 1962 (199 449) - -

Erstellung der Elektronenquelle einen Injektionsprozeß durch eine dielektnsche Schicht vermöge des Lawineneffektes. Dieser Lawinenprozeß tritt bereits bei dickeren isolierenden Schichten auf, nämlich bei solchen von einer Dicke von 1000 bis 10 000 Angströmeinheiten. Diese Dickenabmessungen sind weitaus besser reproduzierbar herstellbar als die beim Tunnelprozeß benötigten Abmessungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch verstärkendes Bauelement mit dünnen isolierenden Festkörperschichten aufzuzeigen, bei denen die Kathodenemission vermöge des inneren Feldemissionseffektes durch »Lawineninjektion« zustande kommt.

Elektrisch verstärkendes Bauelement mit dünnen isolierenden Festkörperschichten, bei dem auf eine isolierende Trägerschicht eine metallische, als Sammelelektrode wirkende Schicht und darauf eine erste isolierende Schicht aufgebracht ist, an die sich eine dünne metallische, als Steuerelektrode wirkende Schicht mit gitterförmiger Struktur anschließt, worauf weiterhin eine zweite isolierende Schicht und abschließend eine metallische, Elektronen injizierende Schicht folgen.

Das mit drei Elektroden ausgerüstete Bauelement soll eine gleichförmige elektrische Charakteristik aufweisen. Das elektrisch verstärkende Bauelement nach der Lehre der vorliegenden Erfindung löst die obengenannte Aufgabe und ist dadurch gekennzeichnet,

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daß die Dicke und die Eigenschaften der zweiten isolierenden Schicht so gewählt sind, daß die Dicke ein Vielfaches der freien Weglänge der Elektronen in dieser Schicht beträgt und die Schichtdicke der ersten Isolierschicht kleiner als eine freie Weglänge der Elektronen dieser ersten isolierenden Schicht ist.

Weitere Einzelheiten gehen hervor aus der folgenden Beschreibung und den Figuren.

Fig. 1 stellt schematisch einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Bauelement dar;

Fig. 2 zeigt zwei Metallschichten, welche durch eine dielektrische Schicht getrennt sind und dient zur besseren Verständlichmachung des Erfindungsgedankens;

Fig. 3 zeigt eine Stromspannungscharakteristik eines Dielektrikums mit einer weichen Durchbruchsspannung.

Wir kehren zurück zur Fig. 2, in der zwei von einem Dielektrikum getrennte Metallschichten dargestellt sind. Die Figur dient zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen Tunneleffekt, Kapazität und Lawineneffekt in Verbindung mit Strukturen, welche der in Fig. 1 dargestellten ähnlich sind. Ein Vergleich der genannten Begriffe geht aus von der Beziehung E = V/D. Dabei bedeutet E die elektrische Feldstärke, V das elektrische Potential und D den Abstand zwischen den beiden Metallschichten. Im Fall des Tunneleffektes ist es wünschenswert, einen sehr geringen Abstand D zwischen den Elektroden 2 und 4 zu haben, damit die Tunnelwahrscheinlichkeit auf brauchbare Werte ansteigt. Man kann zeigen, daß zur Herstellung eines zur Auslösung des Tunneleffektes ausreichenden elektrischen Feldes E der Abstand zwischen den Elektroden 2 und 4 bzw. die Dicke des Dielektrikums 3 geringer sein muß als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons. Für die meisten dielektrischen Materialien bedeutet dies, daß die Dicke des Isoliermaterials 3 auch von der Größenordnung von 1000 Ängströmeinheiten oder weniger ist. Ein Dielektrikum dieser geringen Abmessungen ist schwierig reproduzierbar herzustellen, und seine Eigenschaften unterliegen im Lauf der Lebensdauer des erstellten Elementes gewissen Veränderungen.

Benutzt man ein Dielektrikum zwischen zwei Metallelektroden als Kondensator, so ist man bestrebt, Leckströme zwischen den MetalIeIektroden auf ein Minimum herabzudrücken. Aus diesem Grund strebt man in einem Kondensator ein niedriges elektrisches Feld E bei einem großen Kapazitätswert C an. Eine große Kapazität erfordert ihrerseits einen geringen AbstandD zwischen den Metallelektroden. Hohe Leckströme in Kondensatoren werden auch verursacht durch feine Haarrisse in der dielektrischen Schicht. Um dieses zu vermeiden, macht man in der Regel den Abstand zwischen den Elektroden 2 und 4 relativ dick und zwar in der Größenordnung von 10 000 Angströmeinheiten oder höher, je nach der Art des benutzten dielektrischen Materials, wobei man oft Materialien mit besonders hoher Dielektrizitätskonstante auswählt.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ohne ein besonders dünnes Dielektrikum ein hoher Strom/ zwischen den Elektroden 2 und 4 erhalten. Zu diesem Zweck benutzt man eine dielektrische Schicht zwischen den Elektroden in einer Dicke der Größen-Ordnung von 2000 Ängströmeinheiten. Mit diesem Abstand zwischen den Elektroden 2 und 4 und einem Potential von 10 bis 20 Volt zwischen diesen Elek-

troden erreicht man hohe elektrische Feldstärken, so daß die Elektronen eine genügend hohe Energie pro freie Weglänge erlangen können, um ihrerseits eine ionisierende Wirkung auszuüben. Da die Ionisationswahrscheinlichkeit abhängt a) von der pro freie Weglänge gewonnene Energie und b) von der Anzahl der zur Verfügung stehenden freien Weglängen, benötigt man ein dickeres Dielektrikum. Daher werden bei dem Bauelement nach der Erfindung unter Benutzung des Prinzips der Lawineninjektion durch eine dielektrische Schicht Ladungsträger in der Gegend des Steuergitters injiziert.

Im Unterschied zu dem genannten Injektionsmechanismus, der für die Elektronenquelle ausgenutzt wird, wird für die sammelnde Wirkung der Kollektorzone bei dem Aufbau des Bauelementes nach der Erfindung ein dem Tunneleffekt ähnlicher Mechanismus ausgenutzt, wie er z. B. beschrieben ist von CA. Mead in »Operation of Tunnel-Emission Devices«, Journal of Applied Physics, Vol. 32, Nr. I (1961), S. 646 bis 652. Selbstverständlich können auch andere Mittel als der Tunneleffekt zur Aufsammlung der Ladung benutzt werden. So kann man beispielsweise auch einen PN-Übergang zu diesem Zweck benutzen.

In der Fig. 1 besteht die Elektrode selbst aus einer im Vakuum auf eine geeignete Unterlage 8 z. B. auf Glas aufgedampften Schicht. Diese erste Schicht 6 kann aus Tantal oder aus jedem anderen geeigneten Metall, wie z. B. Gold, Chrom, Platin usw., bestehen. Auf die Elektrode 6 folgt ein dielektrisches Material 10 mit einer verhältnismäßig hohen Durchbruchsfeldstärke und einer scharfen Übergangscharakteristik. Die Dicke dieser dielektrischen Schicht, für welche man z. B. Magnesiumfluorid benutzt, kann etwa 50 Ängströmeinheiten betragen. Auf die genannte dielektrische Schicht 10 ist ein Gitter 12 aufgetragen, worauf eine zweite dielektrische Schicht 14 mit weicher Durchbruchscharakteristik folgt, die beispielsweise durch einen Niederschlag von Siliziummonoxyd von einer Dicke von 1000 bis 2000 Ängströmeinheiten realisiert wird. Auf diese zweite Schicht dielektrischen Materials 14 ist abschließend die Elektrode 16 aufgebracht.

Die metallische Emitterelektrode 16 dient als Quelle für die zu injizierenden Elektronen. Die Elektronen werden auf Grund der Lawinenbildung in dem Raum 14 vervielfacht und erreichen das Steuergitter 12. Das Ausmaß der Lawinenbildung wird festgelegt durch eine Vorspannung V_se zwischen der Elektrode 16 und dem Steuergitter. Die Ladungsträger durchlaufen weiterhin die öffnungen des Gitters 12 und gelangen in die Gegend der Kollektorschicht 6. Das Sammeln der Ladungsträger erfolgt auf Grund eines quantenmechanischen Tunneleffektes durch das verbotene Gebiet des Dielektrikums 10.

Die F i g. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des »weichen« Dielektrikums, welches für die Schicht zwischen der Emitterelektrode 16 und dem Steuergitter 12 gewählt wurde. Man sieht, daß für die Spannungswerte zwischen V_a bis V_b ein beträchtlicher Anstieg des zugehörigen Stromes/ erfolgt. Dieses Gebiet ist durch Schraffierung kenntlich gemacht und stellt den Bereich dar, in welchem eine Lawineninjektion eintritt, welche in der vorliegenden Erfindung ausgenutzt wird.

Das Bauelement nach der Erfindung, bei dem die Elektronenvervielfachung auf Grund des Lawinen-

Claims (3)

effektes ausgenutzt wird, benötigt weniger dünne Schichten als dies bei Bauelementen der Fall ist, welche sich der Vervielfachung mittels Tunneleffekt bedienen. Schichten dieser dickeren Abmessung sind leichter zu fabrizieren, besitzen eine längere Lebensdauer, und ihre Abmessungen erfordern nicht eine solch genaue Kontrolle, wie es bei Filmen der Größenordnung von 100 Ängströmeinheiten oder weniger notwendig ist. IO Patentansprüche:

1. Elektrisch verstärkendes Bauelement mit dünnen isolierenden Festkörperschichten, bei dem auf eine isolierende Trägerschicht eine metallische, als Sammelelektrode wirkende Schicht und darauf eine erste isolierende Schicht aufgebracht ist, an die sich eine dünne metallische, als Steuerelektrode wirkende Schicht mit gitterfönniger Struktur anschließt, worauf weiterhin eine zweite ao isolierende Schicht und abschließend eine metallische, Elektronen injizierende Schicht folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Eigenschaften der zweiten isolierenden Schicht (14) so gewählt sind, daß die Dicke ein Vielfaches der freien Weglänge der Elektronen in dieser Schicht beträgt und die Schichtdicke

der ersten Isolierscihicht kleiner als eine freie Weglänge der Elektronen dieser ersten isolierenden Schicht ist.

2. Elektrisch verstärkendes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste dielektrische Medium aus einer 100 Ängströmeinheiten dicken Schicht aus Magnesiumfluorid, das zweite dielektrische Medium aus einer 1000 Ängströmeinheiten dicken Schicht aus Siliziummonoxyd besteht und die Gitterstruktur eine Dicke von 50 Ängströmeinheiten aufweist.

3. Verfahren zum Betrieb des elektrisch verstärkenden Bauelementes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung eines Lawineneffektes in der zweiten isolierenden Schicht eine genügend hohe Spannung zwischen den beiden äußeren Metallschichten (6, 16) angelegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1266 933;
IBM Techn. Disclosure Bulletin, Bd. 4, 1961,
Nr. 6, S. 22;

Funkschau, 1961, Nr. 11, S. 592;
Journal of Applied Physics, Bd. 32, 1961, S. 646 bis 652;

Radio und Fernsehen, 1961, H. 7, S. 198.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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