DE2235465C3 - Feldeffekttransistor-Speicherelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldeffekttransistor-Speicherelement mit zwei stabilen Betriebszuständen, bei dem das Einstellen der stabilen Zustände über das Gate und das Auslesen über den vom jeweiligen Zustand abhängigen Stromfluß über die Drain-Sourcestrecke erfolgt.

Elektrische Schaltvorgänge zwischen einem stabilen Zustand hoher Impedanz und einem stabilen Zustand geringer Impedanz sind beobachtet worden in dünnen Schichten verschiedener Materialien. Dazu gehören Nb₂O₅, NiO, Chalcogenid-Gläser.GaAs, TiO₂, mit Obergangsmetallen dotierte Gläser und eine Reihe von anderen Isolatoren. Die Schichten sind mit Ausnahme derjenigen aus VO₂ zunächst in einem Zustand geringer Leitfähigkeit und bedürfen eines Durchschlags, d. h. eines Formiervorganges, um in den hochleitenden Zustand zu kommen. Bei NiO wurden metallische Brücken zwischen den Elektroden beobachtet. Bei Chalcogenid-Gläsern wurde ein Phasenwechsel im Glas als Ursache für den stabilen Zustand hoher Leitfähigkeit vermutet. Der Schaltvorgang in mit Übergangsmetallen dotierten Phosphatgläsern wurde auf elektronische Effekte zurückgeführt, die auf der Anwesenheit gemischter Valenzionen, wie Cu¹ oder Cu" beruhen. Der Schaltvorgang in VO₂ Filmen dagegen ist ein rein thermischer und beruht auf dem bekannten Metall-Isolatorübergang, der bei 68°C auftritt. Eine Reihe von physikalischen Phänomenen liegt somit den bistabilen Vorgängen in amorphen Materialien und dünnen Schichten zugrunde. Vergleiche z. B. T. W. H i c k m ο t und W. R. Hyatt, »Solid State Electronics«, Pergamon Press 1970, Vol. 13, Seiten 1033-1047. Über Schalt- und Speichervorgänge in Halbleitervorrichtungen aus kompensiertem und unkompensiertem Germanium bei einer Temperatur von 20° Kelvin wurde in »Proceedings of the IRE«, Vol. 47, 1959, Seiten 1207-1213 berichtet. In »Applied Physics Letters«, 1970, Vol. 17, Nr. 4, Seiten 141-143 schließlich wurde über eine bistabile Halbleitervorrichtung berichtet, die einen materialverschiedenen Übergang aus ZnSe-Ge, ZnSe-GaAs, GaP-Ge, oder GaP-Si aufweist und bei Raumtemperatur arbeitet

Die genannten Vorrichtungen haben gemeinsam den Vorteil der Einfachheit und der Erzielbarkeit einer hohen Packungsdichte für Datenspeicher in elektronischen Rechenanlagen.

Ein Nachteil der genannten Vorrichtungen besteht jedoch in der Unverträglichkeit mit der heutigenHalbleitertechnologie, sowohl was die elektrischen Betriebswerte anbetrifft, als auch in bezug auf die Herstellung, besonders dann, wenn die Vorrichtungen mit logischen Halbleiterschaltungen integriert werden sollen.

Aus der Zeitschrift »Phys. Rev. Letters« Bd. 25,1970, Nr. 10, Seiten 653 bis C56 ist eine bistabile Halbleitervorrichtung bekannt, bei der durch tiefe Energieniveaus in der Raumladungszone eines gleichrichtenden Übergangs zwei stabile Impedanzzustände erzeugt werden.

Bei Verwendung einer derartigen Vorrichtung als Speicherelement tritt insbesondere bei der Leseoperation der Nachteil auf, daß der zuzuführende Leseimpuls genügend klein sein muß, um den Speicherzustand nicht zu verändern. Das kann sich für gewisse Anwendungen als Nachteil auswirken, beispielsweise wenn der Leseimpuls eines solchen Speicherelements unmittelbar zum Schreiben in ein anderes gleichartiges Speicherelement verwendet werden soll.

Ein als Speicherelement verwendbarer Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ist bereits aus der DT-OS 18 03 035 bekannt. Die Gateisolation besteht aus einer mindestens zwei Schichten unterschiedlicher Materialien umfassenden Anordnung, die unter dem Einfluß einer an die Gateelektrode angelegten Spannung in zwei stabile Ladungszustände umschaltbar ist. Die durch diese Eigenschaft erreichbare, von äußerer Energiezufuhr unabhängige Bistabilität äußert sich in zwei unterschiedlichen Schwellspannungen des Feldeffekttransistors. Der jeweilige Ladungszustand des Gates kann über den Leitzustand der Source-Drainstrecke ausgelesen werden.

Nachteilig bei der Verwendung dieses Feldeffekttransistors als Speicherelement ist, daß als Gateisolation eine Doppelschicht benötigt wird und daß das Einstellen oder Umschreiben relativ zeitaufwendig ist, da die Ladungsträger dabei die Isolationsschicht durchtunneln müssen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Feldeffekttransistor-Speicherelement anzugeben, das einen einfacheren Aufbau aufweist und höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gate ein Schottky-Kontakt ist und in der Raumladungszone der Schottky-Sperrschicht Tiefenergie-Haftstellen angeordnet sind, so daß der gleichrichtende Schottky-Übergang durch Anlegen einer über der Sperrdurchbruchspannung liegenden Spannung in den Zustand niedriger Impedanz und durch Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung in den Zustand hoher Impedanz stabil einstellbar ist.

Bei diesem Speicherelement ist die bei dem bekannten Feldeffekttransistor-Speicherelement durch den Tunneleffekt bedingte Begrenzung der Schaltge-

^n<i schwindigkeit vermieden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeich-

nungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 die Stromspannungskennlinie eines bistabilen Schottky-Kontaktes,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel ein?s Speicherelements, bestehend aus einem Feldeffekttransistor mit Schottky-Gatekontakt,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Transistor gemäß Fig. 2,

Fig.4 ein Kennlinienfeld des Transistors gemäß F i g. 2 und 3, F i g. 5 eine Schaltung für das Speicherelement,

Fig.5 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Umschaltspannung eines Schottky-Kontaktes von der Leitfähigkeil im hochleitenden Zustand,

F i g. 7 in graphischer Darstellung den Widerstand des Schottky-Kontaktes im hochleitenden Zustand in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der leitenden Halbleiterschicht

F i g. 1 zeigt die Kennlinie eines bistabilen Schottky-Kontaktes. Die eingetragenen Werte beziehen sich auf einen Schottky-Kontakt, der durch Rhodium auf Gallium-Arsenid gebildet ist. Die Linie A-D entspricht der normalen Kennlinie des Kontaktes, der eine natürliche Kontaktspannung von etwa +0,6 V aufweist. Wie sich aus der Betrachtung der Kennlinie ergibt, ist für höhere Spannungswerte der Widerstand des Schottky-Kontaktes gering, für kleinere sowie negative Spannungswerte dagegen ist der Widerstand hoch. Wird an den Kontakt eine Spannung in Sperrichtung angelegt und vergrößert bis zum Punkt A und über denselben hinaus, so erfolgt die Umschaltung. Die Spannung nimmt darauf stark ab und über den Schottky-Kontakt fließt ein hoher Sperrstrom, wie es dem Punkt B der F i g. 1 entspricht. Ein herkömmlicher Schottky-Kontakt ist nun bezüglich seines Sperrverhaitens endgültig zerstört, sein Verhalten entspricht der Kennlinie B-C und eine Gleichrichterwirkung ist nicht mehr festzustellen. Beim Schottky-Kontakt mit Tiefenergie-Haftstellen jedoch kann durch Zufuhr eines Stromes, in Durchlaßrichtung, der bis zum Punkt Coder darüber hinaus geht, das ursprüngliche Verhalten wiederhergestellt werden. Dabei schaltet der Kontakt auf Punkt D und nach dieser Umschaltung entspricht sein Verhalten wieder der ursprünglichen Kennlinie A-D.

Der Wert des Stromes an Punkt Z?der Fig. 1 hängt von der während der Umschaltoperation durchfahrenen Belastungskennlinie ab. Ein typischer Wert des Umschaltpunktes Cfür diesen Schottky-Kontakt liegt in der Nähe von 6 mA. Der hochleitende Zustand ist nahezu ohmisch und liegt z. B. im Bereich von 50 bis 500 Ohm. Der Widerstandswert hängt von der Leitfähigkeit des Halbleitermaterials unterhalb des Schottky-Kontaktes ab, d. h. von der Dotierung dieses Materials. F i g. 7 zeigt den Zusammenhang dieser Größen. Auf der Abszisse ist der spezifische Widerstand der in einigen Ausführungsbeispielen verwendeten epitaktischen Schichten aufgetragen. Die Ordinate zeigt den Widerstand der betreffenden Schottky-Kontakte im hochleitenden Schaltzustand.

Ein typischer Spannung..,,ort im Umschaltpunkt von der niederen zur hohen Leitfähigkeit liegt für Gallium-Arsenid-Schottky-Kontakte zwischen 0,5 und 5 V. Der Zustand niederer Leitfähigkeit entspricht, wie schon bemerkt, dem Zustand der normalen Diodenkennlinie mit einem Widerstand größer als 10⁵ Ohm. Der Kontaktwiderstand kann jedoch infolge des erstmalig erfolsten Durchbruches und der damit verbundenen Leckströme auch geringer sein. Der bistabile Schottky-Kontakt kann folglich auch beschrieben werden als ein Element, das von einem normalen Schottky-Kontakt in einen ohmschen Widerstand und zurückgeschaltet werden kann.

Der bei einer Spannung in Durchlaßrichtung herrschende Zustand (D)'v& stabil und eine Umschaltung aus diesem Zustand ist nicht möglich. Das trifft auch zu für den Sperrspannungs-Zustand (A) bei Spannungen, die geringer als die Umschaltspannung sind. Nach der Umschaltung auf Punkt B jedoch bleibt der Kontakt dauernd im hochleitenden Zustand, selbst wenn er von Gleich- oder Wechselströmen durchflossen wird. Der hochleitende Zustand wird erst verlassen, wenn ein Strom in Durchlaßrichtung angelegt wird, der genügend groß ist, um den Umschaltpunkt Czu überschreiten.

Das physikalische Phänomen, das der Umschaltung der Kennlinien von Schottky-Kontakten zugrunde liegt, ist offenbar elektronischer Art und basiert auf dem Vorhandensein von Tiefenergie-Haftstellen. Wenn die Spannung in Sperrichtung am Schottky-Kontakt vergrößert wird, so daß der Durchbruch erreicht wird oder knapp bevorsteht, können freie Ladungsträger in der Verarmungszone genügend Energie im elektrischen Feld bekommen, um beim Zusammenstoß die Tiefenergie-Haftstellen zu ionisieren. Bei einer kritischen elektrischen Feldstärke überschreitet diese Ionisation die Rekombinationsrate und ein umkehrbarer, nicht zerstörender Durchbruch tritt auf. Zu Ende des Vorgangs sind im wesentlichen alle Haftstellen ionisiert und die Leitfähigkeit hat sich um bis zu vier Größenordnungen geändert. Die Leitfähigkeitsänderung ist auf einen lokalisierten Leitfähigkeitspfad begrenzt. Schließlich werden unter dem Einfluß einer Spannung in Durchlaßrichtung im Zustand geringer Leitfähigkeit Elektronen in den Übergang zwischen Halbleiter und Metall injiziert. Da der Strom durch einen begrenzten Pfad fließt, wird die Elektronendichte in der Nähe der ionisierten Haftstellen so hoch, daß, selbst wenn die Dichte leerer Haftstellen in dieser Zone hoch ist, diese sich rasch auffüllen. Wenn die injizierte Elektronendichte genügend groß ist, wird der Pfad geringen Widerstandes beseitigt und der Zustand hohen Widerstandes tritt ein.

Kompensiertes Gallium-Arsenid enthält zahlreiche Tiefenergie-Haftstellen. Jeder Schottky-Kontakt, der auf diesem Material aufgebaut ist, zeigt daher die beschriebenen Eigenschaften (vergleiche z. B. B. V. K 0 r m i 1 ο ν et al, Soviet Physics — Semiconductor, Bd. 5, Nr. 15, S. 119, 1971). Typischerweise wird auf ein Substrat geringer Leitfähigkeit eine N-Ieitende Schicht epitaktisch aufgewachsen, die genügend hoch dotiert ist, um einen Schottky-Kontakt aufzunehmen.

Die Durchbruchsfeldstärke liegt für die meisten Schottky-Kontakte in der Größenordnung von 10⁶ V/cm. Nach dem ersten Durchbruch erfolgen die Schaltvorgänge wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, der Kontakt schaltet vom Zustand hoher Leitfähigkeit beim Stromübergangspunkt C in den Zustand geringer Leitfähigkeit im Punkt D und wieder zurück beim Spannungsübergang A in den Zustand hoher Leitfähigkeit im Punkt B.

Das Halbleitermaterial Silizium ist weitgehend frei von Haftstellen. Mit Silizium hergestellte herkömmliche Schottky-Kontakte sind nicht bistabil und der Durchbruch in Sperrichtung ist endgültig. Bistabilität kann durch Einführung von Tiefenergie-Haftstellen in das Silizium hervorgerufen werden. Ein derartiger Schott-

ky-Kontakt kann entweder hergestellt werden auf hochleitendem Material oder einer dotierten Kanalschicht genügender Dicke. Zunächst wird das Silizium dotiert durch eine Diffusion von beispielsweise Platin, Nickel, Gold oder irgendeines anderen Materials, das genügend T-r-fenergie-Haftstellen in Silizium hervorruft. Auch Eisen, Mangan, Quecksilber, Chrom, Silber, Kupfer, Zink, Cobalt sind geeignete Stoffe für diesen Zweck. Es ist notwendig, diesen Diffusionsprozeß an den Anfang zu legen, da er sich bei etwa 1000°C abspielt, wogegen die darauffolgende Herstellung der Schottky-Kontakte lediglich 35O⁰C erfordert.

Da die Leitfähigkeitsänderung im Halbleitermaterial innerhalb begrenzter Pfade auftritt, können extrem kleine Speicherelemente hergestellt werden. Infolge der Eigenschaft der Speicherelemente, überhaupt keine Ruheleistung und nur eine sehr geringe Umschaltenergie in der Größenordnung von 10 Pikojoules zu verbrauchen, sind Halbleiterspeicher extrem hoher Packungsdichte möglich.

Fig. 6 zeigt in graphischer Darstellung für einen bestimmten Schottky-Kontakt den Zusammenhang zwischen der im Punkt A der F i g. 1 anzulegenden Umschaltspannung und der danach erreichten Leitfähigkeit im hochleitenden Zustand. Man sieht, daß Schottky-Kontakte, die eine höhere Umschaltspannung benötigen, danach eine geringere Leitfähigkeit aufweisen, als solche, die eine weniger hohe Umschaltspannung benötigen. Das weist darauf hin, daß der Schaltvorgang rein elektronischer und nicht etwa thermischer oder mechanischer Art ist.

Im folgenden sei nun das Speicherelement beschrieben, bei dem der bistabile Schottky-Kontakt das Gate eines Feldeffekttransistors bildet. Das Gate dieses Transistors liegt über einem passenden Widerstand am positiven Pol einer Spannungsquelle. Ist das Gate nun im Zustand geringer Leitfähigkeit, so wird ein geringer Gatestrom fließen, der über den Widerstand einen geringen Spannungsabfall erzeugt. Das Gate liegt daher an einer hohen positiven Spannung. 1st dagegen das Gate im Zustand hoher Leitfähigkeit, so wird ein hoher Gatestrom fließen, der einen großen Spannungsabfall über den Widerstand erzeugt. Das Gate liegt daher an einer geringen positiven Spannung. Der Spannungszustand am Gate ist verantwortlich für den Leitzustand des Transistors sofern ein positives Drainpotential anliegt. Der Drainstrom hat keinen Einfluß auf den Schaltzustand des Gates und kann daher so hoch sein, wie es die Auslegung des Transistors nach konventioneller Bemessung zuläßt. In der vorstehend beschriebenen Schaltung kann der Drainstrom, vorausgesetzt die Belastung im Drainstromkreis ist konstant, nur zwei Werte annehmen, die durch den Schaltzustand des Schottky-Gates bestimmt sind.

F i g. 5 zeigt eine einfache Schaltung für ein Speicherelement. Der Feldeffekttransistor TR hat eine Sourceelektrode S, die mit Erde verbunden ist. Die Drainelektrode D ist zu einer von zwei Ausgangsklemmen geführt, an denen der Speicherzustand der Zelle daran erkannt werden kann, ob ein Strom IR fließt oder nicht. Die andere Ausgangsklemme führt zum positiven Pol + V einer Spannungsquelle. Der Strom IR kann z. B. über eine gebräuchliche, stromgesteuerte Ausleseeinrichtung, die zwischen die beiden Ausgangsklemmen eingefügt ist, abgefühlt werden. Die Gateelektrode G, die hier durch einen Schottky-Kontakt gebildet wird, führt zur Eingangsklemme Sw, von der aus durch Anlegen eines entsprechenden Signals der Leitzustand des Gates beeinflußt werden kann. Außerdem ist das Gate über den Widerstand R mit dem positiven Pol + V der Spannungsquelle verbunden. Ein negatives Signal genügender Größe an der Klemme Sw bewirkt, daß das Gate niederohmig wird, worauf durch den Widerstand R ein Strom fließt, und die Gatespannung absinkt. Infolgedessen fließt kein Strom IR über die Ausgangsklemmen. Bei einem positiven Signal an Sw wird das Gate hochohmig, der Stromfluß über R hört auf, die Gatespannung steigt an und über die an die Ausgangsklemmen angeschlossene Ausleseeinrichtung fließt ein Strom IR.

F i g. 4 zeigt die Kennlinie eines Feldeffekttransistors, dessen Gate durch einen bistabilen Schottky-Kontakt gebildet wird. Der Drainstrom ist als Funktion der Spannung zwischen Source und Drain dargestellt mit der Gatespannung als Parameter.

F i g. 2 zeigt eine Aufsicht und F i g. 3 einen Querschnitt durch einen solchen Transistor. Der schematische Aufbau entspricht im Prinzip dem des normalen, beispielsweise aus der CH-PS 5 06 188, bekannten Feldeffekttransistors mit Schottky-Gate (G) und Source- und Drainelektroden (S, D).

Die ohmschen Kontakte für Source S und Drain D brauchen nicht notwendigerweise auf der Oberfläche der Vorrichtung zu liegen, wie dies in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Die durch diese Kontakte gebildeten Elektroden können vielmehr auch als N+ dotierte Zonen, die mit der in F i g. 3 gestrichelt abgegrenzten N — leitenden Schicht in Verbindung stehen, ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, diese Zonen oder einen Teil davon von der Rückseite des Halbleiterplättchens her anzuschließen, sei es durch Öffnungen oder über von der Rückseite her eingebrachte Diffusionen. Auf diese Art lassen sich besonders einfache Speichermatrizen bauen, denn die X-Leitungen können nun z. B. auf der Vorderseite die Y-Leitungen dagegen auf der Rückseite des Halbleiterplättchens angebracht sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Feldeffekttransistor-Speicherelement mit zwei stabilen Betriebszuständen, bei dem das Einstellen der stabilen Zustände über das Gate und das Auslesen über den vom jeweiligen Zustand abhängigen Stromfluß über die Drain-Source-Strecke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate ein Schottky-Kontakt ist und in der Raumladungszone der Schottky-Sperrschicht Tiefenergie-Haftstellen angeordnet sind, so daß der gleichrichtende Schottky-Übergang durch Anlegen einer über der Sperrdurchbruchspannung liegenden Spannung in den Zustand niedriger Impedanz und durch Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung in den Zustand hoher Impedanz stabil einstellbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbieitermaterial Gallium-Arsenid dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium mit wenigstens einem Stoff der Gruppe Platin, Nickel, Gold, Eisen, Mangan, Quecksilber, Chrom, Silber, Kupfer, Zink, Cobalt dotiert ist.