DE1279865B - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ffl/twb PATENTAMT Int. α.:

HOIl

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-41/00

Nummer: 1279 865

Aktenzeichen: P 12 79 865.1-33 (N 26455)

Anmeldetag: 25. März 1965

Auslegetag: 10. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einer kristallinen, sauerstoff- und halogenfreien Halbleiterschicht hoher Reinheit, die zwischen zwei einander gegenüberstehenden leitenden Elektroden angeordnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung Halbleiteranordnungen der zuvor erwähnten Art, die einen negativen Widerstand aufweisen.

Es kann allgemein festgestellt werden, daß bisher bekannte Schaltelemente mit negativer Widerstandscharakteristik nur mit über 10~⁸ Sekunden liegenden Schaltzeiten betrieben werden können. Außerdem weisen die bekannten Elemente keinen stromgesteuerten negativen Widerstand auf, sondern einen spannungsgesteuerten negativen Widerstand. Das äußert sich beispielsweise bei den an sich mit hohen Schaltgeschwindigkeiten zu betreibenden bekannten Esaki-Dioden darin, daß sie bei sehr niedrigen Spannungen nicht mehr zu verwenden sind. Weitere Nachteile der bekannten Schaltelemente sind, daß sie im allgemeinen nur in einer Stromrichtung zu betreiben sind und bei sehr niedrigen Temperaturen nicht mehr arbeiten. Außerdem erfordern die bekannten Schaltelemente im allgemeinen einen pn-übergang und sind recht schwierig herzustellen.

Bekannt ist insbesondere eine Halbleiteranordnung (belgische Patentschrift 622534), die ein Plättchen aus zwei Schichten aufweist, das eine Dicke von 0,01 cm hat und einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm · cm. Auf den beiden Seiten dieses Plättchens sind Elektronen bzw. Löcher injizierende Elektroden angebracht. Der negative Widerstand dieser bekannten Halbleiteranordnung hängt jedoch von der aus zwei Schichten gebildeten Halbleiterplatte ab. Außerdem ist bei dieser bekannten Halbleiteranordnung wegen des zu injizierenden Übergangs und der Laufzeit der Elektronen die Umschaltgeschwindigkeit relativ niedrig, sie liegt im Bereich von Mikrosekunden.

Bekannt ist ferner ein Halbleiterelement (belgische Patentschrift 624 465), in dem ein glasiger Isolator verwendet wird. Auch dieses bekannte Halbleiterelement kann als negativer Widerstand betrieben und mit einem Lastwiderstand vereinigt werden, so daß die Anordnung als Schalter oder als Speicherelement benutzt werden kann. Jedoch ist auch bei diesem negativen Widerstand die Umschaltgeschwindigkeit sehr niedrig.

Bekannt ist weiterhin eine Halbleiteranordnung (französische Patentschrift 1366 237), die durch den Tunneleffekt in den Leitzustand versetzt werden kann, wobei Aluminiumoxyd als Halbleitermaterial verwendet wird. Die Dicke der Aluminiumoxydschicht über-Halbleiteranordnung

Anmelder:

Nippon Telegraph and Telephone Public

Corporation, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:
Yoshihiko Mizushima,
Yoshitaka Igarashi,
Osamu Ochi, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 25. März 1964 (16 362)

schreitet nicht 1000 A. Das Element weist jedoch bei

as Raumtemperatur keinen negativen Widerstand auf.

Bekannt sind ferner Dioden und multipolare Steuerelemente (deutsche Auslegeschrift 1149 460), in denen ein durch eine Raumentladung begrenzter Strom durch isolierende Kristalle fließt. Ein negativer Widerstand ist nicht erörtert und liegt auch nicht vor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung eingangs genannter Art so auszubilden, daß es bereits bei Raumtemperaturen einen stromgesteuerten, negativen Widerstand aufweist und mit ultrahohen Schaltgeschwindigkeiten zu betreiben ist. Ferner soll die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ohne große Schwierigkeiten herstellbar sein und ein großes Ein-Aus-Verhältnis aufweisen. Es ist weiterhin Aufgäbe der Erfindung, die Halbleiteranordnung so auszubilden, daß sie in beiden Stromrichtungen zu betreiben ist, d. h. daß ihr negativer Widerstand sowohl in positiver als auch in negativer Stromrichtung auftritt. Ferner soll die Halbleiteranordnung auch bei sehr niedrigen Temperaturen verwendbar sein, und ihre Betriebsspannung soll in einem günstigen Bereich liegen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Halbleiteranordnung der in Frage stehenden Art die Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 5 μ und einen spezifischen Widerstand von 10³ Ohm · cm bis Ohm · cm besitzt.

809 620/331

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Halb- Die Dicke der gemäß den Verfahren nach der Erleiteranordnung wird erreicht, daß die angeführten findung hergestellten halbleitenden Schicht schwankt Vorteile gegenüber den bekannten Schaltelementen zwischen 100 A bis 5 μ. Die Schichtdicke soll den erreicht werden. Insbesondere hat die Halbleiteran- letztgenannten Wert nicht wesentlich überschreiten, Ordnung eine ausgezeichnete negative Widerstands- 5 da sonst die nachstehend beschriebenen elektrischen charakteristik. Der Halbleiterkörper ist äußerst ein- Eigenschaften erheblich verschlechtert werden. Als fach herstellbar und muß nicht mit speziellen Ver- Gegenelektrode dient eine in Vakuum in einer Stärke unreinigungen dotiert werden. Ferner kann die erfin- von 1000 A sowie mit einer Fläche von (30 μ)² auf die dungsgemäße Halbleiteranordnung mit Schaltzeit klei- halbleitende Schicht aufgedampfte Schicht aus Tellur, ner als 10~⁸ Sekunden betrieben werden und besitzt io Die Gegenelektrode kann auch eine hiervon abweieine nur äußerst geringe Abhängigkeit der Wider- chende Fläche einnehmen. Die Gegenelektrode kann Standscharakteristik von der Temperatur. Insbeson- auch lediglich auf die halbleitende Anordnung aufgedere eignet sich die Halbleiteranordnung auch für preßt sein. Sofern diese Elektrode aufgedampft wird, Hochfrequenzimpulsgeneratoren oder Schalteinrich- kann diese auch aus Platin, Molybdän, Titan und tungen. 15 Wolfram bestehen. Auch kann eine aus diesen Mate-

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich- rialien hergestellte Spitzen- oder Plattenelektrode z. B. nung verwiesen. Darin zeigt durch Erhitzen in Kontakt mit der halbleitenden An-

F i g. 1 die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Ordnung gebracht werden. Anordnung nach der Erfindung, Der zwischen den Elektroden in Richtung der

F i g. 2 im Diagramm die seitliche Änderung der 20 Schichtdicke gemessene Wert des elektrischen WiderKlemmenspannung in Abhängigkeit von Spannungs- Standes beträgt etwa 10^e bis 10⁸ Ohm · cm. Wenn die impulsen, die an die Halbleiteranordnung angelegt an die Schicht angelegte Spannung sich der Durchsind, bruchsspannung V_B nähert, nimmt die Klemmenspan-

Die erfindungsgemäße Anordnung wird im folgen- nung rasch ab, und es wächst der Strom schnell bis den an Hand eines Beispieles erläutert. Eine als Trä- 25 zu einem durch den Lastwiderstand bestimmten neuen gerunterlage dienende und durch elektrolytisches stabilen Zustand an. Beim vorerwähnten Ausfüh-Polieren geglättete sowie gereinigte Platte aus Molyb- rungsbeispiel schwankt die Durchbruchsspannung dän wird in einer Vakuumanordnung auf 700 ⁰C er- zwischen 1 und 50 V und ist im wesentlichen der hitzt. In dieser Vakuumanordnung befinden sich zwei Schichtdicke proportional.

Tiegel aus Graphit, die jeweils mit Gallium bzw. 30 Die mit einem Oszillographen gemessene Kennlinie Arsen hoher Reinheit gefüllt sind. Durch Erhitzen des ist in F i g. 1 dargestellt, und zwar ist auf der Abszisse Galliums auf 1200 ⁰C und des Arsens auf 350 ⁰C die Klemmenspannung und auf der Ordinate der werden beide Elemente verdampft, wobei diese EIe- Strom aufgetragen. Das Diagramm zeigt, daß die Anmente miteinander reagieren und sich als halbleitende Ordnung gemäß der Erfindung einen negativen Kenn-Schicht auf der Trägerunterlage niederschlagen. Die 35 linienbereich besitzt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, Aufdampfgeschwindigkeit beträgt bei dieser speziellen daß bei symmetrisch angeordneter Gegenelektrode im Anordnung etwa 2 μ/10 Minuten. Obwohl die Halb- allgemeinen die Charakteristik die gleiche bleibt und leiterschicht aus der Gasphase abgeschieden wird, keine spezifische Richtwirkung hat, wenn die Stromzeigt eine Strukturanalyse mittels Röntgenstrahlen, und Spannungsrichtung umgekehrt wird. Dieser negadaß die Schicht frei von Fremdstoffen ist. Dies bedeu- 40 tive Widerstand ist Anordnungen, wie Entladungstet, daß mit diesem Verfahren eine hochreine, halblei- röhren oder stromgesteuerten Elementen, eigen, bei tende Schicht erzielbar ist, die sich in unmittelbarem denen der Strom eine mehrdeutige Funktion der Kontakt mit der Trägerunterlage aus Molybdän be- Spannung ist. Wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, findet. Als Trägerunterlage ist eine Molybdänplatte bildet der Kennlinienteil mit hohem Widerstand bzw. geeignet, die einen dem des niedergeschlagenen 45 der Kennlinienteil mit kleinem Widerstand eine hori-Galliumarsens entsprechenden thermischen Aus- zontale bzw. vertikale Gerade, die voneinander abgedehnungskoeffizienten besitzt. Als Träger können setzt sind. Dieser Sachverhalt ist völlig verschieden auch sonstige geeignete leitende Materialien, wie von dem durch einen negativen Widerstands-Tempez. B. Metalle oder beliebige niedrigohmige oder ratur-Koeffizienten und durch Stromerwärmung erbis zur Entartungskonzentration dotierte Halbleiter 50 zeugten kleinen negativen Widerstand oder von sonst dienen. Diese Halbleiteranordnungen können nicht bekannten Prinzipien. Daher ist die Klemmenspannur in einer Vakuumanlage, sondern auch in nung im niederohmigen Zustand unabhängig vom einer Quarzröhre hergestellt werden. Die Tat- Strom und im wesentlichen konstant, sache, daß im letzterwähnten Fall der Aufdampf- Die zeitliche Änderung der Klemmenspannung

druck des Arsens verlustfrei erhöht und damit 55 beim Anlegen eines Spannungsimpulses von die Reaktionstemperatur angehoben werden kann, 0,1 Mikrosekunden Dauer an die Anordnung mit führt zu einer Halbleiteranordnung mit verbesserten einem Belastungswiderstand von 5,0 Kilo-Ohm ist in kristallinen Eigenschaften. F i g. 2 dargestellt. Aus dem Diagramm ist zu ersehen,

Ein derartiges Gas, das mit Gallium niedrigen daß bei Erreichen der Durchbruchsspannung die Dampfdruckes reagiert, hemmt das Auftreffen der 60 Spannung sich auf den Wert des niederohmigen Zu-Galliumatome auf die Trägerunterlage und den Reak- Standes einstellt und die zur Aufrechterhaltung des tionsablauf nicht, wie dies beispielsweise bei Verwen- Stromes erforderliche Spannung V_s in einem solchen dung von Wasserstoff, Chlor oder Wasserdampf als Fall konstant bleibt. Im vorliegenden Beispiel hat sie Trägergas der Fall ist. Im Unterschied zu den üblichen einen Wert von 0,7 V. Das Minimum der zur Auf-Verfahren zur Herstellung gewöhnlicher halbleitender 65 rechterhaltung des Stromes erforderlichen Spannung Kristalle muß bei diesem Verfahren eine zum Anstieg von 0,65 V ändert sich nur wenig mit der Dicke. Die der elektrischen Leitfähigkeit führende Verunreini- Durchbruchspannung und die zur Aufrechterhaltung gung vermieden werden. des Stromes erforderliche Spannung besitzen für jede

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Anordnung eigene Werte und ändern sich nur wenig Im allgemeinen ist die zur Aufrechterhaltung des

mit der Temperatur. Stromes erforderliche Spannung einer Anordnung

Je höher der spezifische Widerstand des verwen- mit negativem Widerstand groß. Es wurde theoretisch deten Halbleiters ist, um so besser ist die Kennlinie, gezeigt, daß speziell in Halbleitern mit Lawinendurchd. h. um so größer kann das Verhältnis der Wider- 5 bruch der Elektronen diese Spannung nicht unter stände im hochohmigen und niederohmigen Zustand einen Wert sinken kann, der größer als der ist, der gemacht werden. Experimentell wurde festgestellt, der verbotenen Bandbreite, z. B. 1,5 E_g, entspricht, daß jeder hochohmige Halbleiter mit mehr als Wird allerdings gemäß der Erfindung Galliumarsenid 10³ Ohm · cm brauchbare Kennlinien ergibt. Der verwendet, bei dem E_g bei Normaltemperatur 1,4 V Begriff des hochohmigen Halbleiters umfaßt in die- io beträgt, so wird ein Minimum der gemessenen Spansem Zusammenhang nicht mehr solche Substanzen, nung zur Aufrechterhaltung des Stromes von etwa die im hochgereinigten Zustand Isolatoren von mehr 0,7 V erreicht.

als 10¹⁰ Ohm · cm im normalen Sinne des Wortes Es zeigt sich also, daß die Anordnung gemäß der

sind. Daher kommen in diesem Fall reine Oxyde, wie Erfindung mit einem neuartigen Phänomen verbun-

z. B. Titanoxyd, Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd, 15 den ist und nicht mit einer Anordnung zu vergleichen

Silikate und andere Sauerstoff enthaltende Salze und ist, die einen Lawinendurchbruch aufweist. Die Cryo-

Halogenide, wie z. B. Natriumchlorid, nicht in Frage. sare sind als Anordnungen mit Ionisationsdurchbrü-

Derartige Substanzen sind isolierende Verbindungen, chen eines Störniveaus zu betrachten. Dabei ist jedoch

die, wie experimentell nachgewiesen wurde, gegen- die Temperaturabhängigkeit, abgesehen von sehr tie-

über den erfindungsgemäßen wesentlich schlechtere ao fen Temperaturen, so groß, daß der Effekt nicht

Kennlinien liefern. Andererseits ist das als Beispiel beobbachtbar ist. Die beschriebene Kennlinie der

erwähnte Galliumarsenid bekanntlich in hochgerei- Anordnung gemäß der Erfindung wurde bei Normal-

nigtem Zustand ein Isolator von etwa 10^e Ohm · cm. temperatur gemessen. Von diesen unterscheiden sich

Ein hochohmiger Halbleiter neigt eher zur kovalenten die Kennlinien im Bereich von Temperaturen der

Bindung als zur Ionenbindung und besitzt deshalb 25 flüssigen Luft bis zu 100° C kaum. Bei Temperaturen

halbleitenden Charakter; da aber sein spezifischer von 50° C oberhalb und unterhalb der Zimmertempe-

Widerstand so hoch ist, bildet er einen hochohmigen ratur betragen die Spannungsabweichungen weniger

Halbleiter. als 5%. Im Normalfall ist die Temperaturabhängig-

Anders gesagt ist eine Substanz bei großer verbo- keit kleiner als 10~² pro Grad.

tener Bandbreite (oder Bandabstand E_g) ein Isolator 30 Die Kennlinie der Anordnung gemäß der Erfindung und bei kleiner verbotener Bandbreite ein nieder- ist nur wenig temperaturabhängig und bietet somit ohmiger Halbleiter. Der isolierende Halbleiter ist eine einen Vorteil gegenüber der der Cryosare, die nur bei Zwischenform. Experimentell wurde gezeigt, daß eine sehr tiefen Temperaturen arbeiten.
Substanz mit einem Bandabstand von 1 bis 2,5 eV Auf Grund des beschriebenen Herstellungsverfah- und in hoher Reinheit als isolierender Halbleiter be- 35 rens ist der Halbleiterkörper der Anordnung gemäß trachtet werden kann, wobei sie den obenerwähnten der Erfindung nicht mit Verunreinigungen versehen, geeigneten Widerstand besitzt und ein negatives Wi- Das beispielsweise genannte Galliumarsenid hat einen derstandsverhalten zeigt. Es hat sich gezeigt, daß Reinheitsgrad von etwa 99,9999%, wobei der negagewöhnliche Halbleiter mit kleinem Bandabstand tive Widerstand durch Verunreinigungen nicht kom- und hoher Reinheit, wie z. B. Germanium, Indium- 40 pensiert wird, wie das bei Cryosaren der Fall ist. Bei antimonid oder Indiumarsenid einen kleinen spezifi- der Anordnung gemäß der Erfindung ist der negative sehen Widerstand besitzen und daher keine Kennlinie Widerstand groß. Weiterhin ist die Zeit zum Umobengenannter Art bei einer Anordnung gemäß der schalten in den leitenden Zustand kleiner als etwa Erfindung liefern würden. 4 · 10~¹⁰ Sekunden. Die Umschaltzeit vom leitenden

Sogar wenn das als Beispiel erwähnte Galliumarse- 45 Zustand in den hochohmigen Zustand ist kleiner als nid keine Dotierung zur Ladungskompensation auf- 3 · IO-⁹ Sekunden. Die Schaltzeiten der Anordnung weist, bekommt es bei Anwendung des beispielsweise gemäß der Erfindung sind also wesentlich kleiner als beschriebenen Verfahrens die geforderten Eigen- bei bekannten Entladungsröhren mit negativem Wischaften. Ein den spezifischen Widerstand erhöhendes derstand. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Einbringen von Dotierungsstoffen in einen isolieren- 50 die Spannung zur Aufrechterhaltung des Stromes den Halbleiter kann nach bekanntem Verfahren vor- klein ist, kann die Anordnung gemäß der Erfindung genommen werden. Die gleichen Kennlinien können mit einem pnpn-Schalter mit mehreren pn-Übergänauch erhalten werden, wenn eine aufgedampfte gen verglichen werden. Jedoch ist bei einem solchen Schicht hochreinen Siliziums an Stelle von Gallium- Schalter die Schaltzeit etwa gleich 10~⁶ Sekunden, arsenid verwendet wird, da der spezifische Widerstand 55 d. h., die Anordnung gemäß der Erfindung ist dieser dieser Schicht groß ist. Ebenso wie Silizium eignet überlegen. Auch eine bekannte Anordnung mit negasich Kadmiumselenid als isolierender Halbleiter mit tivem Widerstand mit einer pin-Struktur hat größere geeignetem spezifischem Widerstand in reinem Zu- Schaltzeiten. Soweit bekannt, werden mit bekannten stand. Derartige isolierende Halbleiter zeigen die Anordnungen keine Schaltzeiten gleicher Größenordgleiche Schaltcharakteristik wie Galliumarsenid. Zum 60 nung erreicht.

Beispiel werden mit einer Schicht aus Kadmium- Die erzielbare Schaltzeit ist kürzer als 10~⁸ Sekun-

selenid hoher Reinheit etwa die gleichen Werte für den und hängt von der Schichtdicke und dem jeweili-

die Durchbruchsspannung und die zur Aufrechterhai- gen Herstellungsverfahren ab. Die Halbleitermateria-

tung des Stromes erforderliche Spannung wie bei lien weisen negativen Temperaturkoeffizienten ihres

Galliumarsenid mit der oben erwähnten Dicke erhal- 65 Widerstandswertes auf. Normalerweise besitzen diese

ten. Allerdings sind die Schaltzeiten dabei kleiner als niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands-

beim Galliumarsenid; sie bleiben jedoch immer klei- wertes einen kleinen Gradienten und unterscheiden

ner als 10~⁸ Sekunden. sich somit von den scharfen Kennlinien gemäß dem

Erfindungsgegenstand. Die Tatsache, daß die zur Aufrechterhaltung des Stromes erforderliche Spannung vom Durchgangsstrom nur unwesentlich abhängt und somit einen angenähert konstanten Wert einnimmt, beweist die hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, die von keinem der bekannten Elemente mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes erreicht werden. Dementsprechend können der leitende Zustand und die zur Aufrechterhaltung dieses Zustandes iq erforderliche Spannung nahezu ohne Rücksicht auf den Durchgangsstrom festgelegt werden. Das Ein-Aus-Verhältnis ist größer als 10² und beträgt beim Ausführungsbeispiel 10⁴. Die bekannten Anordnungen mit pn-Übergängen sind in ihrer Herstellung sehr aufwendig. Im Unterschied hierzu ist der Gegenstand nach der Erfindung ohne erheblichen Aufwand herstellbar.

Es ist bekannt, daß die Halbleiteranordnungen mit negativen Widerstandskennlinien zu Schwingungen so neigen. Bei entsprechender Wahl der Lastimpedanz und der Elektrodenstruktur treten diese Schwingungen auf. Die Anordnung nach der Erfindung weist nur geringe Abmessungen auf. Darüber hinaus sind die zur Aufrechterhaltung des Stromes erforderliche Spannung und die Verluste sehr gering, was dazu führt, daß die Anordnung zu hochfrequenten Schwingungen neigt und der Oszillatorwirkungsgrad mehrere Prozent der angelegten Gleichstromleistung beträgt. Dementsprechend kann die Anordnung nach der Erfindung auch zur Erzeugung von hochfrequenten Schwingungen oder für Frequenzvervielfacher verwendet werden.

Bei Überschreiten einer Schichtdicke größer als 5 μ nehmen die elektrischen Verluste rasch zu. Darüber hinaus steigt die Temperatur an, und es fällt die Schaltgeschwindigkeit rasch ab. Es ist kein Beispiel bekannt, bei dem eine Anordnung einer Schichtdicke kleiner als 5 μ mit Erfolg für Anordnungen mit negativem Widerstand verwendet worden ist. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ohne erheblichen Aufwand mehrere Elektroden samt ihren Anschlußelementen auf die Schicht aufgedampft werden können. Dies läßt diese Anordnung zur Verwendung in Gedächtnisspeichern geeignet erscheinen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeigt weiterhin die Eigenschaft, daß die Durchbruchsspannung durch Bestrahlung der Anordnung verändert wird. Daher kann die erfindungsgemäße Anordnung als eine mittels Lichteinstrahlung steuerbare bistabile Anordnung benutzt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einer kristallinen, sauerstoff- und halogenfreien Halbleiterschicht hoher Reinheit, die zwischen zwei einander gegenüberstehenden leitenden Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 5 μ und einen spezifischen Widerstand von ΙΟ³ Ohm · cm bis 10¹⁰ Ohm · cm besitzt.

2. Verfahren zum Betrieb einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Lichtquelle die Durchbruchsspannung der Halbleiteranordnung verändert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1149 460;
belgische Patentschriften Nr. 622534, 624465;
französische Patentschrift Nr. 1366 237.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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