DE1920162A1

DE1920162A1 - Feldeffekttransistoranordnung,insbesondere fuer Speicherzwecke

Info

Publication number: DE1920162A1
Application number: DE19691920162
Authority: DE
Inventors: Ruechardt Dipl-Phys Dr Hugo
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1969-04-21
Filing date: 1969-04-21
Publication date: 1970-10-22
Also published as: NL7003553A; FR2039318A1; GB1287353A; SE348867B; AT303420B; CH506856A

Description

Feldeffekttransistoranordnung, insbesondere für Speicherzwecke

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Feldeffekttransistoranordnung, insbesondere für Speicherzwecke, deren mit mindestens zwei stromführenden Elektroden koniaktierter Halbleiterkörper gegen eine den Strom dieser Elektroden beeinflussende Steuerelektrode mittels eines Dielektrikums aus mindestens zwei aus unterschiedlichem Material bestehenden, im wesentlichen parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufenden Teilschichten isoliert ist.

Die bekannten Anordnungen dieser Art haben den in Pig. I dargestellten Aufbau. In einem scheibenförmigen Halbleiterkristall 1 von einen Leitungstyp sind zwei wannenförnige Zonen 2 und 3 von entgegengesetztem Leitungstyp eingelassen. Jede der Zonen 2 und 3 ist mit einer Elektrode 4 bzw. 5 sperrfrei kontaktiert. Beide Elektroden sind im Betrieb an eine Spannungsquelle, z. B. Gleichspannungsquelle, gelegt. Zwischen den beiden Zonen 2 und 3 befindet sich die Steuerelektrode 6, die durch eine Isolierschicht 7 vom Halbleiterkörper 1 getrennt ist. Di-e in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist zwei pn-Übergänge auf. In Abweichung hierzu sind Anordnungen mit mehr oder weniger pn-Übergängen möglich. In Einzelfällen, d. h. bei Verwendung dünner Halbleiterkörper 1 und entsprechender Ausgestaltung der Steuerelektrode, kann auf die Anwesenheit eines pn-Übergangs vollkommen verzichtet v/erden.

Besteht nun das zwischen der Steuerelektrode und dem HaIb-

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leiterkörper des Feldeffekttransistors angeordnete Dielektrikum 7 aus zwei im wesentlichen zur Halbleiteroberfläche parallelen Teilschichten 8, 9 und sind beide Teilschichten derart aufeinander abgestimmt, daß bei Impulsen einer bestimmten Größe zwar die dem Halbleiter fernere der beiden Isolierschichten, d. h. die Isolierschicht 9, reversiblen Durchbruch (avalanche-Bffekt) erleidet, während die dem Halbleiter nähere dielektrische Schicht 8 isolierend bleibt, so läßt sich die vorliegende Anordnung auch für Speicherzwecke heranziehen. ,

Derartige Impulse führen nämlich zur Erzeugung von elektrischen Ladungen an der Grenzschicht der beiden Dielektrika, wo sie sich, je nach dem Isolationsvermögen der beiden dielektrischen Schichten, sehr lange halten können. Durch die Anwesenheit dieser Ladungen v/ird die Einsatzspannung des Transistors erheblich geänderte Bei Anwendung definierter Impulse wird auch die zwischen den beiden dielektrischen Schichten entstehende Ladung definiert. Außerdem ist es möglich, die gespeicherte Ladung durch Anwendung entsprechend entgegengesetzt gfpolter Impulse entsprechender Größe oder auch durch höhere, auch zum reversiblen Durchbruch der inneren Isolierschicht führende Impulse wieder zu beseitigen.

Derartige .Anordnungen sind in "Journal Electrochemical ; Soc; Solide State Science" VoI 115, Nr. 3, März 1968, Seiten 318 - 322, beschrieben. Dort ist auch die Verwendbarkeit solcher Anordnungen in einem Informationsspeicher offenbart. Bei jenen Anordnungen besteht die Isolierschicht aus thermisch an der Oberfläche des aus Silicium bestehenden Halbleiterkörpers erzeugten SiO₂ und die Isolationsschicht 9 aus pyrolytisch abgeschiedenem Siliciumnitrid. Die Abscheidung dieser Schicht 9 wurde derart vorgenommen, daß der Siliciumanteil größer ist, als es der stöchiometrischen Zusammensetzung Si-Jtf. entspricht. Dadurch wird die für

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das Zustandekommen des gewünschten Durchbrucheffekts erforierliche Feldstärke merklich kleiner als die des thermisch aufgewachsenen Siliciuncioxids. Die Stärke der SiOp-Schicht ist nit Rücksicht auf die der Siliciumnitridschieht 9 und die Gröi3e der Schaltinipulse derart gewählt, daß sie auch nach den Durchbrechen der Isolierschicht 9 elektrisch isolierend "bleibt, daß also - mit anderen Y/orten - die zu ihrem Durchbruch erforderliche Feldstärke, noch nicht erreicht wird.

2s ist Aufgabe der Erfindung, die vorliegende Anordnung weiter zu verbessern. Im allgemeinen unterscheiden sich nilnlich die Durchbruchsfeldstärken der als Isolierschichten und 9 in Betracht kommenden anorganischen Materialien nur wenig voneinander, so daß die zum Durchbruch der einen Isolierschicht erforderliche Impulsstärke auch das dielektriecho Verhalten der anderen Schicht auf die Dauer gesehen bocintrüchtigt. Ferner fällt die Niederfeldrestleitfähigkeit etwa einer mit Silicium angereicherten ;Si_N.-Schicht funktionell zu der Hochfeldleitfähigkeit derart ungünstig zusammen, daß sich ein nicht überschreitbares Verhältnis ergibt, was sich auf dao Verhältnis von Umladezeit zu Haltezeit eines derartigen Speicherelementes begrenzend auswirkt'. Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, dafür zu sorgen, daß man bereits mit entsprechend niedriger gespannten Impulsen zum Ziel kommt, und ferner eine Anordnung mit einem oder mehreren weiteren Parametern zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgaben schlägt die Erfindung bei der eingangs definierten Feldeffekttransistoranordnung vor, daß mindestens eine, .vorzugsweise die äußere j der beiden die Steuerelektrode von den Halbleiterkörper des Transistors trennenden Isolierschichten fotoleitend und die Anordnung mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung kombiniert ist, bei deren Betätigung der elektrische '.Yiderstand dieser Isolierschicht merklich herabgesetzt wird, während eine andere dieser Isolierschichten, vorzugsweise die an dem HalbleiterC^jng.jr?on-

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zende Isolierschicht, keine Fötoleitfähigkeit aufweist und eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die übrigen Isolierschichten besitzt.

Der fotoleitende Teil der dielektrischen Schicht zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper kann ■beispielsweise aus einem im Dunkelzustand hochohmigen Halbleiter be- ■ stehen. Erwähnenswert in dieser Beziehung sind besonders Cadmiumsulfidschichten, Schichten aus reinem Selen, Schichten aus hochreinem, intrinsicleitendem polykristallinen! Silicium oder Germanium oder fotoleitende Gläs'er. Es besteht aber auch die TTöglichkeit, einen hochisolierenden anorganischen Stoff, beispielsweise Siliciumnitrid, mit die Pötoleitfähigkeit fördernden Dotierungsstoffen zu versehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die gemäß der Erfindung mit dem Feldeffekttransistor zu kombinierendtiiBeleuchtungskörper derart su gestalten, daß auch in dem isolierenden Material infolge Abgabe von sehr hochfrequenten Strahlungen (UV-Licht, Röntgenstrahlung) merklich innerer Fotoeffekt auftritt.

Zinc der Erfindung entsprechende Transistoranordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Halbleiterkörper 21, beispielsweise aus einkristallinem Silicium, ist mit den beiden Zonen 22 und 23 von entgegengesetztem Leitungstyp versehen. Er kann beispielsweise unter Anwendung der bekannten Planar- und Maskierung8technik hergestellt werden. Die für die Maskierungstechnik dann verwendete, durch thermische Oxydation der Oberfläche des Siliciumkörpers 21 erzeugte SiOp-Schicht bedeckt diesen vorzugsweise vollständig mit Ausnahme der Kontaktstellen zu den Zonen 22 und 23. Die Isolierschicht ist mit 24 bezeichnet. An den Kontaktstellen ist der Halbleiterkörper mit sperrfrei kontaktierenden Elektroden 25 und 26 versehen. Diese bestehen beispielsweise aus Aluminium, das im Falle η-leitender Zonen 22 und 23 in bekannter ."/eise ebenfalls sperrfrei aufgebracht werden kann. Zwischen den

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beiden Elektroden 25und 26 bleibt auf jeden Fall ein Feil der Isolierschicht 24 bestehen. Auf diese Isolierschicht v/ird noch eine v/eitere Schicht aus hochohrnigera, jedoch bei entsprechender Belichtung fotoleitendem Material aufgebracht. Beispielsweise kann hierzu eine aufgedampfte Schicht aus GdS oder hochreinem Selen oder aus hochreinem und eigenleitendem Silicium oder Germanium dienen. Diese Schicht ist mit 27 bezeichnet. Sie wird ihrerseits durch eine als Steuerelektrode dienende Metallisierung abgedeckt. Diese Metallisierung kann in bekannter '."eise transparent sein, um dem von einer gemäß der Erfindung vorzusehenden abschaltbaren und durch Impulse gesteuerten Lichtquelle 29 ausgehenden Licht weitgehend Zutritt zu der hochohmigen fotoleitfähigen Schicht 27 zu ermöglichen. Die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit sieht keine transparente Elektrode,- sondern viele kleine, über die Oberfläche der hochohmigen Schicht 27 verteilte, elektrisch jedoch miteinander in Verbindung stehende Steuerelektroden vor, die genügend von der Oberfläche der Schicht 27 unbe- - deckt lassen, so daß die Schicht von der Lichtquelle 29 aktiviert v/erden kann. Andererseits sind diese Steuerelektroden derart auf der Isolierschicht 27 verteilt, daß sie ihre Steuerwirkung auf den zwischen den Elektroden 25 und 26 durch den Halbleiterkörper fließenden Strom voll entfalten können. Die Anordnung ist in Fig, 2 zu einer Schaltung ergänzt. Die Spannung zwischen den Elektroden 25 und 26 wird durch eine Gleichspannungsquelle 3o über einen Arbeitswiderstand 31 zugeführt. Zur Steuerung dient eine impulslieferende Spannungsquelle 32.

ι Zweckmäßig werden in V/eiterbildung der vorliegenden Erfindung mehrere derartige Feldeffekttransistoren in einer einzigen Halbleiterscheibe nach einem zweie]imensionalen Koordinatensystem in einer Matrix vereinigt, die dann zu einem elektronischen Festwertspeicher ausgebaut wird, wie er beispiels-

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weise in der Literaturstelle "Journal Electrochemical Sog."; Solide State Science" VoI 115, Nr. 3, Mars 1968, Seiten 318 - 322, beschrieben ist. Diese Anordnung steht dann unter Einwirkung einer die Gesamtanordnung beim Auftreffen gewisser Impulse ausleuchtenden Lichtquelle. Das Aufleuchten der Lichtquelle ist dann zweckmäßig mit dem Auftreten gewisser dem Speicher zugeführter elektrischer Impulse gekoppelt. Derartige Impulse dienen dann zum Einschreiben in den Speicher.

Sie erzeugen die oben beschriebene Flächenladung zwischen den'beiden Isolierschichten der einzelnen Transistoren der Ilatrix. Der Setrieb eines solchen elektronischen Festwertspeichers entspricht im wesentlichen den Ausführungen der oben genannten Literaturstelle. Das Einschreiben erfolgt unter ganzflächiger Beleuchtung der Anordnung, während der Abfragebetrieb im Dunkeln von entsprechend schwächeren Impulsen vorgenommen wird. Um trotz einer ganzflächigen Beleuchtung in direkter Zuordnung zu der Speicheranordnung selektiv einschreiben zu können, ist es nötig, daß die gespeicherte Ladung ohne Anlegen äußerer Spannung nicht allein unter Einwirkung des Lichtes abzufließen vermag. Dies ist bei abgedunkelter Anordnung ohne weiteres erfüllt. Es ist durchaus möglich, die Abflußzeit der Ladung ohne äußeres elektrisches Feld unter Belichtung um etwa einen Faktor 1o bis 1o zu verkürzen, falls man die Belich^ng nur kurzzeitig während des Umprogrammierens des Speichers vornimmt. Die üinschreibezeit im Lawinenbetrieb sollte durch Fotomultiplikation jedoch sehr nutzbringend um etwa den gleichen Faktor reduziert werden können, so daß Einschreibezeiten von wenigen /usec. mit Speicherzeiten von vielen Jahren kombiniert werden können. Das Verhältnis der beiden Zeiten sollte sich durch die erfindungsgemäße Anordnung gegenüber Anordnungen, deren Isolierschicht nicht auf Belichtung anspricht, etwa um den Faktor der gesamten Lager- bzw. Betriebs-

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zeit eines Speichers geteilt durch die Summe der Schreibseiten verbessern lassen.

Zur Vermeidung des Sindringens von Licht in die dem Halbleiter nühero Isolierschicht bzw. zur definierten Ladungsplatsierung kann sv/isehen der ersten und der av/eiten Isolier Dchicht eine weitere schwimmende Steuerelektrode vorgesehen sein, deren Bereich unterhalb der eigentlichen Steuerelektrode liegt. Die Entladung der Anordnung kann durch entsprechend verstärkte Belichtung oder auch selektiv durch einen entsprechend dosierten Gegenspannungsimpuls unter Belichtung erfolgen.

9 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

P a t ent a η s ρ r ü c ti e

1., Feldeffekttransistoranordnung, insbesondere für Speicherzwecke, ^-s deren nit mindestens zwei stromführenden Elektroden kontaktierter Halbleiterkörper gegen eine den Strom dieser Elektroden "beeinflussende Steuerelektrode mittels eines Dielektrikums aus mindestens zwei aus unterschiedlichem Material bestehenden, in wesentlichen parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufenden Teilschichten isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise die äußere der beiden die Steuerelektrode von dem Halbleiterkörper des Transistors trennenden Isolierschichten fotoleitend und die Anordnung. nit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung kombiniert ist, ; durch deren Betätigung der elektrische V/i der st and dieser Isolierschicht merklich herabgesetzt ist, während eine andere dieser Isolierschichten, vorzugsweise die an dem Halbleiter angrenzende Isolierschicht, keine Fotoleitfähigkeit aufweist und eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die übrigen Isolierschichten besitzt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Fotoloitung so eingestellt ist, daß lediglich in der Nähe der Durchbruchfeidstärke eine erhebliche Umladung

erfolgt. -

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Halbleiter angrenzende Isolierschicht aus SiOp₅ instesondere aus durch thermische Oxydation eines aus Silicium bestehenden Halbleiterkorpers erzeugtem SiOp besteht.

4. Anordnung nach einen der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoleitende Isolierschicht aus einem hoehohmigen Halbleiter, insbesondere auc CdS, besteht.

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5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet, daß der fotoleitende Teil der Isolierschicht aus einem fotoleitenden Glas "besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die fotoleitende Isolierschicht aus einem imprägnierten Isolator besteht.

7· Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoleitende Isolierschicht von einer strahlungsdurchlässigen Steuerelektrode bedeckt ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der fotoleitenden äußeren Isolierschicht und der nicht fotoleitenden inneren Isolierschicht eine Metallisierung (als sogenaimtc "schwimmende" Elektrode) zui" Sammlung der Grenzflächenladung eingebaut ist.

9. Anordnung nach einen der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß Feldeffekttransistor und Strahlungsquelle in Form einer monolytischen optoelektronischen Anordnung vereinigt sind.

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