DE2615620A1 - Monolithische struktur und verfahren zur speicherung von elektrischen ladungen - Google Patents

Description

	Patentanwälte	DipJ.-lng.
Dipl.-lng.	Dipi.-Chem.	G. Leiser
E. Prinz	Dr. G. Hauser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60

THOMSON - GSP 9. April 1976

173» Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 1992

Monolithische Struktur und Verfahren zur Speicherung von elektrischen

Ladungen

Die Erfindung bezieht sich auf Strukturen zur Speicherung von Ladungen, die auch als Elektrete bezeichnet werden, bei welchen es sich um ein Isoliermaterial handelt, das in dauerhafter Form gespeicherte elektrische Ladungen enthält (die Haltedauer liegt in der Größenordnung von mehreren Jahren).

Elektrete werden im allgemeinen in Form einer dünnen Membran (mit einer Dicke von einigen zehn Mikrometern) mit Hilfe eines synthetischen organischen Polymers, wie beispielsweise Polypropylen, Polychlorfluoräthylen, Polyvinylcarbazol, usw., hergestellt. Eine solche biegsame Membran, die zwischen zwei Elektroden angeordnet

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ist, ist aufgrund des durch die gespeicherten Ladungen, gebildeten elektrischen Feldes bereits häufig zum Herstellen eines Wandlers benutzt worden, welcher die Schallschwingungen der umgebenden Luft in elektrische Schwingungen ( Mikrofon) und elektrische Schwingungen in Schallschwingungen (Hörer) umwandelt.

Die Ladungsmenge in einem Isolator wird durch die Art des die Membran bildenden Dielektrikums begrenzt. Infolgedessen ist das elektrische Feld häufig weit davon entfernt, die Feldstärke zu erreichen, die für das zum Herstellen des Elektreten verwendete Dielektrikum· ohne Durchschlag zugelassen werden könnte. In dem Fall des Mikrofons ist trotz der Verstärkung des Elektretwandlers in bezug auf das herkömmliche Kondensatormikrofon im allgemeinen ein Vorverstärker erforderlich.

Die Erfindung gestattet, die oben genannten Beschränkungen ganz oder zum Teil zu überwinden.

Die monolithische Struktur zur Speicherung von elektrischen Ladungen nach der Erfindung enthält ein Substrat und eine von Isoliermaterialien umgebene Elektrode. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zumindest teilweise mit einer ersten Isolierschicht überzogen ist, welche teilweise mit einer elektrisch gut leitenden Schicht bedeckt ist, wobei die Gesamtanordnung mit einer zweiten Isolierschicht überzogen ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden

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Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine

Ausführungsform der Struktur nach der Erfindung und das Prinzip des Ladens,

Fig. 2 das Laden einer Struktur, welche eine

mit einer dünnen Oxidschicht überzogene Elektrode aufweist, und

die Fig. 3 und 4 Schemata von elektronischen Bauteilen,

bei welchen eine Struktur nach der Erfindung benutzt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Struktur 1 ist ein besonderer Fall einer Ausführungsform der Erfindung, denn sie ist auf einem Siliciumplättchen 10 durch Auftragen von aufeinanderfolgenden, abwechselnd elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten gebildet worden. Ein solcher Elektret kann bei der Herstellung einer integrierten Schaltung unter Verwendung des SiIiciumplattchens 10, von welchem in Fig. 1 lediglich ein Teil dargestellt ist, leicht erhalten werden. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Der Elektret kann aus einer in einen mineralischen Isolierstoff eingebetteten Elektrode bestehen, wobei die Gesamtanordnung auf einen elektrisch leitenden Träger aufgebracht ist, um das Laden zu ermöglichen.

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In dem Beispiel von Fig. 1 wird auf das Siliciumplättchen eine Schicht 11 aus organischem oder anorganischem Isolierstoff aufgebracht, deren Dicke in der Größenordnung von etwa zehn bis etwa hundert Mikrometer liegt (während das Plättchen 10 eine Dicke von einem Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometern hat). Danach wird durch ein Verfahren, bei welchem ein Silan in der Dampfphase und in chlorhaltiger Atmosphäre zerlegt wird, eine Siliciumschicht 12 mit einer Dicke von 2 bis 3 um aufgetragen. Diese Schicht wird durch Photogravure behandelt, um ihre Oberfläche kleiner zu machen als die der Schicht 11. Dann kann das Silicium durch Auftragen einer zusätzlichen Isolierschicht umhüllt werden. Beispielsweise wird eine Schicht 13 aus Siliciumoxid, die in der Schicht Ii entsprechenderweise, aber in oxydierender Atmosphäre erhalten wird, auf die vorhergehenden Schichten aufgetragen. Sie hat beispielsweise eine Dicke von einigen Mikrometern.

Zum Speichern der elektrischen Ladungen in der Struktur wird eine elektrolytische Flüssigkeit 14 benutzt, beispielsweise Glykol, dem eine kleine Menge an Kaliumnitrat zugesetzt ist. Die elektrolytische Flüssigkeit wird mit der Oberfläche der Schicht 1 3 in Berührung gebracht. Die Flüssigkeit 14 bildet eine Elektroly±säule 141, die durch den Innenkanal eines Kapillarrohres 15 in Berührung mit einem Tropfen 142 an der Oberfläche der Schicht 13 gehalten wird.

Die Elektrolyse wird durch eine Gleichstromquelle 17 hervorgerufen, welche eine Plusklemme 171 und eine Minusklemme 172 besitzt. Eine Gleichspannung von einem Volt bis zu mehreren hundert Volt wird an den beiden Klemmen geliefert, wobei die Plusklemme mit

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dem Plättchen 10 über einen ohmschen Kontakt 101 und die Minusktemrne mit einer in die Flüssigkeit 14t eintauchenden Elektrode 16 verbunden ist.

Man stellt fest, daß man auf diese Weise den durch die Elektrode 12 und das Plättchen 10 gebildeten Kondensator aufladen kann. Der durch die mineralische Isolierschicht 13 fließende Ladestrom durchfließt nicht die Schicht 11 . Dieser Strom hat nämlich seine Ursache in dem Entstehen von negativen Ionen 1 3t , die aus dem Elektrolyten oder aus dem mineralischen Isolierstoff stammen, und positiven Ionen 132, die aus der Elektrode 12 stammen. Die erzielte Ladung bleibt erhalten, wenn das Rohr 15 zurückgezogen wird.

In der in Fig. 2 dargestellten Struktur, welche auf einem Halbleitersubstrat 20 ejne leitende Schicht 22 umhüllende Isolierschichten 21 und 23 aufweist, ist die leitende Schicht 22 auf einer ihrer großen Flachen mit einer Oxidschicht überzogen, die durch eine unmittelbar nach dem Auftragen der leitenden Schicht ausgeführte anodische Oxydation hergestellt worden ist. Es handelt sich beispielsweise um Aluminium oder Tantal, deren auf diese Weise erhaltenes Oxid ein Dielektrikum ist, in welchem' Ladungstransporterscheinungen auftreten.

Die anodische Oxydation wird erzielt, indem das Substrat in ein elektrolytisches Gefäß eingetaucht wird, wobei die Schicht 22 während des Elektrolysevorganges die Anode bildet.

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Eine Lochung 230, ausgeführt durch selektive chemische Einwirkung, wird in der Isolierschicht 23 angebracht, welche die Schicht 22 bedeckt. Bei einer Schicht 22 aus Aluminium oder Tantal und einer Isolierschicht 23 aus Siliciumoxid wird beispielsweise ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluor id benutzt, welches ein Mittel zum selektiven Angreifen des Siliciumoxids in Gegenwart von Aluminium— oder Tantal oxid ist.

In dem Beispiel von Fig. 2 kann der Träger 20 ein Siliciumplättchen sein und die Schichten 21 und 23 können aus Siliciumoxid bestehen.

Zum Laden des Elektreten von Fig. 2 wird die in Fig. 1 schematisch dargestellt Apparatur verwendet. Das Ende des Kapillarrohres ist jedoch notwendigerweise am Ort einer Lochung 230 angeordnet, so daß der Elektrolyt 14 bis zu dor Schicht 221 eindringt. Die Speicherung der Ladungen erfolgt in ähnlicher Weise wie in dem vorhergehenden Fall, wobei aber der Ladungstransport allein über äie Oxidschicht erfolgt, was das Laden beschleunigt. Diese Oxidschicht erleichtert das Zurückhalten der Ladungen durch die Elektrode durch Verhinderung von Leckverlusten in die umgebende Luft während des Betriebes.

Am Ende einer durch Versuche ermittelten Zeit wird das Rohr 15 entfernt, wodurch die Elektrotytsäule unterbrochen und die Isolierung des Elektreten bewirkt wird. Die Lochung 230 kann mit Hilfe eines Tropfens aus geschmolzenem Glas oder aus organischem Polymer verschlossen werden.

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In Fig. 3 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Wandler dargestellt, welcher eine Struktur nach der Erfindung aufweist. Auf einer Seite eines kreisförmigen Gestells 31 aus Isoliermaterial ist eine metallische Membran 32 in Form einer Ringscheibe mit gewelltem Querschnitt, der ihr eine gewisse Biegsamkeit gibt, befestigt, während auf der anderen Seite eine starre Scheibe 35 mit Durchgangslöchern befestigt ist. In der Mitte der Membran ist durch einen Schweiß- oder Lötring 33 ein Elektret 34 nach der Erfindung in Form einer Scheibe befestigt, deren Außendurchmesser in derselben Größenordnung liegt wie der Innendurchmesser der Membran 32. Der Elektret 34 trägt auf einer seiner Flächen einen Metallüberzug 341 , auf den der Ring 33 aufgeschweißt oder aufgelötet ist. An die Membran 32 und an die Scheibe 35 sind zwei Anschlußverbindungen 33 bzw. 37 angeschweißt oder· angelötet, welche die Versorgung des Bauteils mit elektrischem Strom gestatten. Ein solcher Wandler kann entweder als Mikrofon oder als Hörer benutzt werden. In dem Fall des Mikrofons rufen die durch die Löcher der Platte 35 eindringenden Schallwellen Transversalschwingungen des starren Elektreten mit elastischer Aufhängung (Membran 32) hervor und die entsprechenden Ladungsverschiebungen erzeugen Änderungen des Speisestroms. In dem Fall des Hörers sind es umgekehrt die Stromänderungen, die die Verlagerungen der Platte erzeugen, welche Schallschwingungen hervorrufen.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 4 dargestellt ist, betrifft kontaktlose Relais. Ein Relais 40 ist symbolisch durch eine Spule 41 und einen beweglichen Anker 42 dargestellt, der einen nicht dargestellten magnetischen Kreis schließt.

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Der Anker 42 trägt einen gekröpften Arm 43, an dessen Ende ein Elektret 44 mit beispielsweise rechteckiger Form angebracht ist. Ein Anreicherungs-Feldeffekttransistor 45 ohne Steuerelektrode enthält einen Quader aus Halbleitermaterial und ohmsche Kontakte 451 und 452 an den Enden des Quaders. Der Transistor ist so angeordnet,daß der Elektret an einer großen Fläche des Quaders zu Hegen kommt, wenn der Anker 42 angezogen wird. Unter der Einwirkung der in der Elektrode enthaltenen Ladungen kann ein Leitungskanal in dem Halbleitermaterial gebildet werden, wenn diese Ladungen das passende Vorzeichen haben (positive Ladungen fur ein P-dqtiertes Material). Ein leitender Weg bildet sich zwischen den Anschlüssen 46 und 47 aus, die an die ohmschen Drain- und Source-Kontakte angeschlossen sind.

Eine Rückholfeder 48 entfernt den Elektreten, wenn der Anker des Relais nicht mehr in Betrieb ist.

Die Erfindung bietet folgende beiden Hauptvorteile:

- die Möglichkeit, eine elektrische Ladung zu speichern, welche fünf- bis zehnmal größer ist als im Falle der bekannten Strukturen, beispielsweise 500 Nanocoulomb pro Quadratzentimeter j

— die Möglichkeit, die Struktur innerhalb einer monolithischen intergrierten Schaltung vorzusehen.

Einen weiteren Vorteil, den die Oxidschicht der Elektrode mit sich bringt, ist die Lebensdauer des Elektreten.

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Claims (11)

1. Patentansprüche :

   1 .) Monolithische Struktur zur Speicherung von elektrischen Ladungen, mit einem Substrat und mit einer leitenden Elektrode, die von Isoliermaterialien umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat wenigstens teilweise mit einer ersten Schicht aus Isoliermaterial überzogen ist, die teilweise mit einer Schicht aus leitendem Material bedeckt ist, wobei die Anordnung mit einer zweiten Schicht aus Isoliermaterial bedeckt ist«
2. 2. Struktur nach ,Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Halbleitermaterial und die Elektrode aus einem Aluminium-, Silicium- oder Tantalüberzug besteht.
3. 3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die zweite Schicht bildende Material ein mineralischer Isolierstoff ist.
4. 4. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einer von der zweiten Schicht getrennten dünnen Oxidschicht überzogen ist.
5. 5. Verfahren zum Aufladen einer Struktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Ladungen über die dritte Schicht durch Anlegen einer negativen Spannung an die Oberfläche der Schicht und das Substrat verschoben werden.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Spannung über einen Elektrolyten an die dritte Schicht angelegt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt Glykol mit einem Zusatz an Kaliumnitrat ist.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht relativ dick ist und daß durch Lochung der Schicht ein Zugang gebildet wird, damit der Elektrolyt mit der Elektrode in Berührung gebracht werden kann.
9. 9. Elektronisches Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
10. 10. Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
11. 11 . Kontaktloses Relais, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.

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    L e e r s e i t e