Halbleiter-Leistungsschalter finden sich in einer Vielzahl von Geräten in unserer unmittelbaren Umgebung und erweisen dort ihre Dienste, beispielsweise bei der Steuerung und Rege- lungen von Lasten bis zu mehreren Kilowatt in Lampen, Motoren oder Heizungen. Auch in der Automobiltechnik wird sich in Zu- kunft immer mehr Leistungselektronik verbergen, um dem Wunsch nach komfortablen, elektronisch regelbaren Einstellmöglich- keiten nachzukommen.

Halbleiter-Leistungsschalter sind mittlerweile in der Lage, Spannungen bis zu 1000 V und Stromdichten bis zu 2000 A/cm2 zu verarbeiten. CoolMOS-Leistungsschalter erreichen Strom- dichten von 2000 A/cm2 und Einschaltwiderstand-Bestwerte von ca. 20 mQmm2. Ähnliche Leistungsdaten lassen sich auch mit anderen Silizium-basierenden Halbleiter-Leistungsschaltern erreichen. Die Erzielung eines möglichst geringen Einschalt- Widerstandes ist dabei vorrangiges Ziel, da auf diese Weise die auftretenden Verlustleistungen beträchtlich gesenkt wer- den können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, einen Halb- leiter-Leistungsschalter anzugeben, mit dem die oben genann- ten Einschaltwiderstandswerte weiter verbessert werden kön- nen.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Halblei- ter-Leistungsschalter gemäß Patentanspruch 1 bereit. Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Sperrwirkung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-

Leistungsschalters gemäß Patentanspruch 18 bereit. In Patent- anspruch 19 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halblei- ter-Leistungsschalters beschrieben. Vorteilhafte Ausgestal- tungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in jeweiligen Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Leistungsschalter weist einen Sourcekontakt, einen Drainkontakt, eine zwischen Sourcekon- takt und Drainkontakt vorgesehene Halbleiterstruktur und ein Gate, über das ein Stromfluss zwischen Sourcekontakt und Drainkontakt durch die Halbleiterstruktur hindurch steuerbar ist, auf. Die Halbleiterstruktur weist mehrere parallel ge- schaltet Nanodrähte auf, die so angeordnet sind, dass jeder Nanodraht eine elektrische Verbindung zwischen dem Sourcekon- takt und dem Drainkontakt ausbildet.

Durch die Verwendung von Nanodrähten können Halbleiter- Leistungsschalter gewonnen werden, deren flächenbezogener Einschaltwiderstand um Größenordnungen kleiner, und dabei er- zielte maximale Stromdichten um Größenordnungen größer sind als bei herkömmlichen Leistungsschaltern : So ist bei einer Nanodrahtdichte von 100 Nanodrähten/um2 der Einschaltwider- stand bereits um den Faktor 20 geringer und die maximale Stromdichte um den Faktor 100 größer als bei herkömmlichen Halbleiter-Leistungsschaltern, beispielsweise Silizium- Leistungsschaltern. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemä- ßen Halbleiter-Leistungsschalters ist, dass aufgrund interner Streueffekte der Kurzschlussstrom innerhalb eines einzelenen Nanodrahts begrenzt wird, bei einer Kohlenstoff-Nanoröhre beispielsweise auf etwa 24 uA. Der erfindungsgemäße Halblei- ter-Leistungsschalter kann demnach auch als Anlaufstrom- begrenzer eingesetzt werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei im Folgenden kurz auf die physikalischen Eigenschaften von Nanodrähten einge- gangen. Nanodrähte sind eindimensionale Strukturen, die me- tallische Eigenschaften bzw. Halbleitereigenschaften aufwei-

sen können. "Eindimensional"bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich aufgrund der kleinen Abmessungen der Nanodrähte (Nanometerbereich) die einzelnen Energieniveaus der Elektro- nen weiter als die thermische Energie (-25 meV) auseinander- liegen, so dass sich Elektronen nur in einem Leitungskanal aufhalten. Nanodrähte können beispielsweise Röhren (innen "hohl", dünne Drähte (mit Material"gefüllt"), dünne Flächen oder auch einzelne Atomketten sein.

In dieser Erfindung werden die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhren oder andere eindimensionale Strukturen, benützt, um Bauelemente der Leistungselektronik (Schalten von mehreren Ampere) zu er- zeugen, die durch ihren nanostrukturierten Aufbau eine we- sentlich bessere Performanz erzielen als konventionelle Leistungs-Bauelemente. Erfindungsgemäß können also wesentlich höhere Ströme/Spannungen als bei herkömmlichen Nanoelektro- nikbauelementen (0,1-5 V, 25 pA) verarbeitet werden,-bei- spielsweise Spannungen bis mehr als 500 V und Ströme von mehr als 2000 A/cm2. Ausschlaggebend ist dabei die Kombination aus einer Parallelschaltung mehrerer Nanodrähte und der hohen La- dungsträgermobilität in diesen eindimensionalen Gebilden, verbunden mit einer Skalierungsvorschrift für die Länge die- ser Nanodrähte.

Die im erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsschalter einge- setzten Nanodrähte können prinzipiell eine beliebige Struktur aufweisen und bestehen aus Material mit Halbleiter- Eigenschaften, beispielsweise Silizium oder Kohlenstoff, wo- bei erfindungsgemäß insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren Ver- wendung finden. Der geringe Einschaltwiderstand, der sich mit Nanodrähten erzielen lässt, beruht darauf, dass Elektronen, die durch einen Nanodraht geleitet werden, statistisch mit einer sehr viel geringeren Wahrscheinlichkeit gestreut werden als Elektronen, die durch einen ausgedehnten Halbleiterkris- tall hindurchfließen. So zeigen z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren

die höchste je bei Raumtemperatur gemessene Mobilität von ü- ber 100000 cm2/Vs.

Die Länge der Nanodrähte beträgt vorzugsweise ( (0, 2 um) * (Maximalwert der an dem Halbleiter-Leistungsschalter anlie- genden Spannung in Volt) ). Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Faustregel beschränkt.

Die Parallelschaltung der Nanodrähte lässt sich auf mehrerlei Arten realisieren. Vorzugsweise sind die Nanodrähte als "Stäbchen"ausgebildet, die parallel zueinander verlaufen, wobei ein Ende eines jeden Stäbchens den Sourcekontakt, und das andere Ende den Drainkontakt kontaktiert. Die Nanodrähte müssen jedoch nicht zwingend eine stäbchenförmige Ausgestal- tung aufweisen, auch krummlinige Formen sind prinzipiell mög- lich. Wichtig ist, dass jeder Nanodraht eine eigenständige elektrische Verbindung zwischen Sourcekontakt und Drainkon- takt herstellt, so dass eine Parallelschaltung elektrischer Verbindungen zwischen Source-und Drainkontakt besteht.

Das Gate des Halbleiter-Leistungsschalters ist in einer ers- ten bevorzugten Ausführungsform in Form einer Gateschicht re- alisiert, die zwischen dem Sourcekontakt und dem Drainkontakt vorgesehen ist, und die von den Nanodrähten durchsetzt wird.

Die Nanodrähte sind gegenüber der Gateschicht elektrisch iso- liert. Die Gateschicht wird in dieser Ausführungsform also durch die Nanodrähte"durchstoßen".

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist das Gate in Form mehrerer Gatebänder realisiert, deren Längsausrichtung jeweils senkrecht zur Ausrichtung der Nanodrähte verläuft, und deren Querausrichtung der Ausrichtung der Nanodrähte ent- spricht, wobei die Nanodrähte gegenüber dem Gate, d. h. den Gatebändern, elektrisch isoliert sind. In dieser Ausführungs- form wird das Gate also nicht durch die Nanodrähte durchsto- ßen, vielmehr verlaufen die Nanodrähte parallel zu Oberflä- chen der Gatebänder. Vorzugsweise verlaufen die Nanodrähte

innerhalb von Nanodraht-Gräben, die zwischen den Gatebändern vorgesehen sind, d. h. Nanodraht-Gräben und Gatebänder wech- seln miteinander ab.

Prinzipiell können die Gatebänder und/oder Gräben beliebig voneinander beabstandet sein, vorzugsweise sind die Gatebän- der und/oder die Nanodraht-Gräben jedoch äquidistant vonein- ander beabstandet.

Innerhalb der Nanodraht-Gräben können Röhren vorgesehen wer- den, innerhalb derer jeweils wenigstens ein Nanodraht ver- läuft ; vorzugsweise verlaufen innerhalb einer Röhre mehrere Nanodrähte. Die Röhren dienen hierbei als Führung während des Aufwachsprozesses der Nanodrähte.

Zur Isolation der Nanodrähte gegenüber den Gatebändern können beispielsweise zwischen den Nanodraht-Gräben und den Gatebän- dern Isolationsschichten vorgesehen werden.

Die Nanodrähte sollten insbesondere in der Ausführungsform, in der das Gate in Form einer Gateschicht realisiert ist, ge- geneinander isoliert und gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, insbesondere nicht im Falle der zweiten Ausführungsform, in der das Gate in Form mehrerer Gatebänder realisiert ist. Dort können die Nanodrähte innerhalb der Nanodraht-Gräben bzw. innerhalb der Röhren einander auch kontaktieren bzw. eine inhomogene Beabstandung zueinander aufweisen.

Die Gateschicht/die Gatebänder weisen vorzugsweise eine Schichtdicke/Bandweite auf, die ungefähr ein Drittel des Ab- stands zwischen dem Sourcekontakt und dem Drainkontakt be- trägt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Di- cken/Breiten beschränkt, beliebige andere Werte sind eben- falls möglich.

Die Gatebänder können jeweils aus einer zusammenhängenden Schicht bestehen oder jeweils in mehrere voneinander isolier- te Gate-Unterbänder aufgespalten sein. Im letzteren fall ver- läuft die Längsausrichtung jedes Gate-Unterbands senkrecht zur Ausrichtung der Nanodrähte, wobei die Querausrichtung der Gate-Unterbänder der Ausrichtung der Nanodrähte entspricht.

Jedes Gateband ist also in mehrere kleine, parallel zueinan- der verlaufende Bänder aufgeteilt, die die gleiche Ausrich- tung wie das Gateband aufweisen.

Die Gate-Unterbänder sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar ausgestaltet, d. h. jedes der Gate-Unterbänder kann auf ein individuelles Potenzial gesetzt werden. Vorteilhafterweise sind die Gate-Unterbänder eines Gatebandes äquidistant von- einander beabstandet. Die vertikalen Positionen der Gate- Unterbänder eines bestimmten Gatebands können gegenüber den vertikalen Positionen der Gate-Unterbänder benachbarter Gate- bänder verschoben beziehungsweise gleichgerichtet sein.

Bei einer Aufspaltung der Gatebänder in Gate-Unterbänder kann die Sperrwirkung des erfindungsgemäßen Halbleiter- Leistungsschalters wie folgt verbessert werden : Im Sperrzu- stand werden die Potenziale der Gate-Unterbänder so gewählt, dass die Band-Gap-Strukturen der Nanodrähte eine wellenförmi- ge Gestalt annehmen. Dies kann beispielsweise dadurch er- reicht werden, dass die Potenziale übereinander liegender Ga- te-Unterbänder alternierende Werte aufweisen, d. h. zwei un- mittelbar übereinander angeordnete Gate-Unterbänder weisen unterschiedliche Potenziale auf, das Potenzial jedes zweiten Gate-Unterbands hat hingegen denselben Wert. Die benachbarten Gate-Unterbänder auf einer Ebene (gleiche vertikale Position) sollten im Sperrzustand in diesem Beispiel dasselbe Potenzial aufweisen. Die alternierende Potenzialstruktur bewirkt, dass das Band-Gap (Bandabstand) der zwischen den benachbarten Ga- te-Unterbänder liegenden Nanodrähte in eine wellenförmige Struktur gebogen wird. Die wellenförmige Struktur bewirkt hierbei ein Einfangen von Elektronen bzw. Löchern, die sich

zwischen dem Source-und Drainkontakt bewegen, womit der Stromfluss zwischen Source-und Drainkontakt behindert wird, was wiederum die Sperrfähigkeit des Halbleiter- Leistungsschalters verbessert. Im Durchlasszustand des Halb- leiter-Leistungsschalters werden die Gate-Unterbänder eines Gatebands hingegen auf gleiches Potenzial gesetzt, d. h. in diesem Fall werden alle Gate-Unterbänder auf dasselbe Poten- zial gesetzt. Damit wird die wellenförmige Bandstruktur auf- gehoben und eine Verbesserung der Durchlasseigenschaften der Halbleiterstruktur (Nanodrähte) für Löcher und Elektronen er- zielt.

Die Nanodrähte sind in einer bevorzugten Ausführungsform halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Nanodrähte können Silizium ; - Germanium ; - zumindest einen der III-V-Halbleiter BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb ; - zumindest einen der II-VI-Halbleiter ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe ; - zumindest eine der Verbindungen GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, - zumindest eine der Verbindungen CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI ; enthalten oder einer Kombination aus diesen Materialien enthalten bzw. aus diesen Materialien bestehen. Die Nanodrähte können p-dotiert oder n-dotiert sein.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsschalters bereit, das die folgenden Schritte aufweist : - Ausbilden einer Schichtstruktur auf einem Drainkontakt, die eine erste Isolationsschicht, eine darüber angeordnete

Gateschicht und eine über der Gateschicht angeordnete zweite Isolationsschicht aufweist, Ausbilden von Gräben in der Schichtstruktur, Ausbilden von Nanodrähten innerhalb Gräben, und Ausbilden eines Sourcekontakts auf der Oberseite der Schichtstruktur.

Vorzugsweise erfolgen nach Ausbilden der Schichtstruktur fol- gende Schritte : - Ausbilden von ersten Gräben in der Schichtstruktur, - Auffüllen der ersten Gräben mit Gateoxid, - Ausbilden von zweiten Gräben im Gateoxid, wobei die zwei- ten Gräben bis zum Drainkontakt reichen, - Ausbilden von Nanodrähten innerhalb zweiter Gräben, und - Ausbilden eines Sourcekontakts auf der Oberseite der Schichtstruktur. Die ersten Gräben werden vorzugsweise e- benfalls bis hinab zum Drainkontakt ausgebildet, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.

Der Drainkontakt ist vorzugsweise ein Molybdän-oder Tantal- blech, kann aber auch ein Siliziumsubstrat sein, das mit ei- ner Metallschicht versehen ist. Zur Verbesserung des Auf- wachsverhaltens der Nanodrähte kann vor deren Ausbildung auf dem Molybdän-oder Tantalblech oder dem Siliziumsubstrat vor Ausbilden der Schichtstruktur bzw. unmittelbar vor Ausbilden der Nanodrähte (d. h. nach Ausbilden der Gräben) ein Kataly- sator abgeschieden werden. Zur Stabilisierung des Herstel- lungsverfahrens kann der Drainkontakt zunächst auf einem Op- fersubstrat ausgebildet werden, das nach Fertigstellung des Halbleiter-Leistungsschalters dann aufgelöst wird.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fi- guren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-

Leistungsschalters in Querschnittsdarstel- lung.

Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter- Leistungsschalters in Querschnittsdarstel- lung.

Fig. 3a bis 3d einen ersten bis vierten Prozessschritt ei- ner bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Her- stellung des in Fig. 2 gezeigten Halbleiter- Leistungsschalters.

Fig. 4 eine erste Ausführungsform des in Fig. 2 ge- zeigten Halbleiter-Leistungsschalters in ei- ner Draufsicht.

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Halbleiter-Leistungsschalters in einer Draufsicht.

Fig. 6 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter- Leistungsschalters in Querschnittsdarstel- lung.

Fig. 7 eine Bandstruktur, die in einem Sperrzustand in dem in Fig. 6 gezeigten Halbleiter- Leistungsschalter auftritt.

Fig. 8 eine Bandstruktur, die im Durchlasszustand in dem in Fig. 6 gezeigten Halbleiter- Leistungsschalter auftritt.

Fig. 9 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Ein- schaltwiderstands von der Nanodrahtdichte verdeutlicht.

Fig. 10 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der maxi- mal möglichen Stromdichte von der Nanodraht- dichte illustriert.

Fig. 11 ein Diagramm, das den Zusammenhang einer ma- ximal möglichen Nanodrahtdichte bei einer vorgegebenen Spannungsdifferenz zwischen Na- nodrähten und dem Gate für den in Fig. 1 ge- zeigten Halbleiter-Leistungsschalter illust- riert.

Fig. 12 ein Diagramm, das eine maximal mögliche Stromdichte durch den Halbleiter- Leistungsschalter in Abhängigkeit der. Na- nodrahtdichte illustriert.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.

Eine in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform 1 eines erfin- dungsgemäßen Halbleiter-Leistungsschalters weist einen Sour- cekontakt 2, einen Drainkontakt 3, eine Mehrzahl von Na- nodrähten 4, ein Gate 5, einen Gateanschluss 6, eine erste Isolationsschicht 7, und eine zweite Isolationsschicht 8 auf.

Die Nanodrähte 4 sind parallel und im Wesentlichen äquidis- tant zueinander angeordnet, wobei die oberen Enden der Na- nodrähte 4 mit dem Sourcekontakt 2, und die unteren Enden der Nanodrähte 4 mit dem Drainkontakt 3 elektrisch in Verbindung stehen. Das Gate 5 ist in Form einer Gateschicht ausgestal- tet, die von den Nanodrähten 4 durchstoßen werden, wobei die Nanodrähte 4 gegenüber dem Gate 5 (der Gateschicht) elekt- risch isoliert sind. Damit ist eine koaxiale Anordnung der

Gateelektrode gegenüber den Nanodrähten gegeben, so dass man die bestmögliche kapazitive Kopplung der Gate-Elektrode an den Nanodraht erhält. Die Länge der Nanodrähte beträgt vor- zugsweise ( (0, 2 um) * (Maximalwert der an dem Halbleiter- Leistungsschalter anliegenden Spannung (in Volt) )). Die Dicke der Gateschicht 5 beträgt vorzugsweise ein Drittel des Ab- standes zwischen dem Sourcekontakt 2 und dem Drainkontakt 3.

Die Gateschicht 5 sollte sich näher an demjenigen Kontakt be- finden, dessen Potenzial dem Erdungspotenzial am nächsten liegt (hier : dem Drainkontakt). Die Gateschicht 5 kann bei- spielsweise eine quadratische, kreisförmige oder auch ring- förmige Form aufweisen.

Wie bereits erwähnt, empfiehlt sich je nach zu erzielender Spannungsfestigkeit des Halbleiter-Leistungsschalters eine Länge der Nanodrähte von 0, 2 um pro angelegtem Volt Spannung, d. h. bei 100 Volt Betriebsspannung beispielsweise eine Länge von 15 bis 25 um. Nanodrähte dieser Länge weisen eine sehr hohe Mobilität von ca. 100.000 cm 2/Vs auf.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau lässt sich insbesondere auf quadratmillimeter-bzw. quadratzentimetergroße Halbleiter- Leistungsschalter anwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, eine Anwendung auf kleinere bzw. größere Halbleiter-Leistungsschalter ist ebenfalls denkbar.

In Fig. 9 ist der erzielbare Einschaltwiderstand der in Fig.

1 gezeigten Anordnung in Abhängigkeit der Nanodrahtdichte aufgezeigt. Die mit Bezugsziffer 9 gekennzeichnete Kennlinie entspricht einem angenommenen Einschalt-Widerstandswert von 500 kQ pro Nanodraht, die mit Bezugsziffer 10 gekennzeichne- te Kennlinie einem angenommenen Einschalt-Widerstandswert von 200 kg pro Nanodraht. Die mit Bezugsziffer 11 gekennzeichne- te Kennlinie entspricht der derzeit bestmöglichen Kennlinie eines herkömmlichen Halbleiter-Leistungsschalters, der bei- spielsweise auf Silizium-Technologie basiert. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass die Eigenschaften des in Fig. 1 gezeigten

Halbleiter-Leistungsschalters wesentlich besser sind als die eines herkömmlichen Halbleiter-Leistungsschalters.

In diesem Zusammenhang sei noch auf Fig. 10 eingegangen, die die Stromtragfähigkeit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung in Abhängigkeit der Nanodrahtdichte zeigt. Bezugsziffer 12 be- zeichnet hierbei die derzeit bestmögliche Kennlinie eines herkömmlichen Halbleiter-Leistungsschalters, Bezugsziffer 13 die Kennlinie des in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Halb- leiter-Leistungsschalters. Es ist deutlich zu sehen, dass der erfindungsgemäße Halbleiter-Leistungsschalter die besseren Werte aufweist.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden : Zunächst wird auf einem NaCl-, Si02-, Si-oder einem sonstigen Substrat ein Kontaktmaterial, beispielsweise Molybdän, aufgebracht. Auf dem Substrat wird ein geeigneter Katalysator abgeschieden. Beispielsweise eig- net sich Eisen, Nickel, Kobalt oder Verbindungen dieser Ele- mente fur das Aufwachsen von Si-Nanodrähten oder Nanodrähten aus II-V oder IV Halbleitern. Für den speziellen Fall von Kohlenstoffnanoröhren sollte der Katalysator ein silizidbil- dendes Material sein wie z. B. Gold, Silber oder Platin. So- dann wird die erste Isolationsschicht 7 (beispielsweise 0- xid), auf der wiederum die Gateschicht 5 abgeschieden wird, aufgebracht. Die Gateschicht 5 wird strukturiert und mit Die- lektrikum versehen, d. h. die Gateschicht mit Löchern, die bis zur Isolationsschicht 7 reichen, versehen und diese Löcher dann erneut durch eine Isolationsschicht aufgefüllt. Auf der Gateschicht 5 wird die zweite Isolationsschicht 8 aufge- bracht. Sodann werden Löcher in die Schichtstruktur aus ers- ter Isolationsschicht 7, Gateschicht 5, und zweiter Isolati- onsschicht 8 geätzt und in den Löchern Nanoröhren bzw. Na- nodrähte gewachsen.

Alternativ hierzu können ein Schichtstapel, bestehend aus erster Isolationsschicht 7, Gate 5, und zweiter Isolations-

schicht 8 abgeschieden, und mit einem Trockenätzprozess Lö- cher bis zum Boden geätzt werden. Die Löcher werden nochmals durch Abscheidung einer Isolationsschicht mit einem Atomic- Layer-Deposition- (ALD) oder einem CVD-Verfahren verjüngt, wobei gleichzeitig das Gateoxid über dem Gate realisiert wird. Ein Spacer-Ätzprozess legt dann erneut den Bo- den/Katalysator frei, und die Nanodrähte 4 werden in den er- zeugten Löchern gewachsen.

Eventuelle Hohlstellen können beispielsweise mit einem Spin- on-Glas versiegelt werden. Elektrodenposition ist möglich.

Auf die Oberseite der Schichtstruktur wird der Sourcekontakt 2 aufgebracht. Das Substrat (Opfersubstrat) wird aufgelöst, womit das Kontaktmaterial (Drainkontakt 3) freigelegt wird.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform 20 des erfindungs- gemäßen Halbleiter-Leistungsschalters gezeigt. Ein wesentli- cher Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist, dass das Gate in Form mehrerer Gatebänder 5'realisiert ist, deren Längsausrichtung jeweils senkrecht zur Ausrichtung der Nanodrähte 4 verläuft, also aus der Zeichenebene heraus bzw. in die Zeichenebene hinein zeigt, und deren Querausrich- tung der Ausrichtung der Nanodrähte 4 entspricht. Die Na- nodrähte 4 sind innerhalb von Gräben 21 angeordnet. Jedes Ga- teband 5'wird durch Isolierschichten (Gateoxidschichten) 22 gegenüber den Nanodrähten 4 elektrisch isoliert. Oberhalb und unterhalb der Gatebänder 5'sind weitere Isolierschichten (0- xidschichten) 23 vorgesehen.

In Fig. 4 und 5 sind Draufsichten zwei möglicher Ausführungs- formen des in Fig. 2 gezeigten Halbleiter-Leistungsschalters veranschaulicht. In Fig. 4 sind die Nanodrähte 4 inhomogen innerhalb der Gräben 21 verteilt, in Fig. 5 sind innerhalb der Gräben 21 mehrere Röhren 24 vorgesehen, wobei innerhalb jeder Röhre 24 wenigstens ein Nanodraht 4 verläuft. Auch bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform beträgt eine Breite B

der Gatebänder 5'vorzugsweise ein Drittel des Abstands zwi- schen dem Sourcekontakt 2 und dem Drainkontakt 3.

Im Folgenden soll unter Bezugnahme auf die Figuren 3a bis 3d eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Her- stellungsverfahrens des in Fig. 2 gezeigten Halbleiter- Leistungsschalters näher erläutert werden.

In einem ersten Schritt (Fig. 3a) wird auf einem Drainkontakt 3 eine erste Isolationsschicht 7, darauf eine Gateschicht 5, und darauf wiederum eine zweite Isolierschicht 8 aufgebracht.

In einem zweiten Schritt (Fig. 3b) werden in der so entstan- denen Schichtstruktur erste Gräben 25 ausgebildet, beispiels- weise durch einen Ätzprozess. Durch das Ausbilden der ersten Gräben 25 entstehen Gatebänder 5'sowie darauf bzw. darunter angeordnete Isolierschichten 23. Die ersten Gräben 25 reichen vorzugsweise bis zum Drainkontakt 3 hinab.

In einem dritten Schritt (Fig. 3c) werden die ersten Gräben 25 mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt, und anschließend in dem Isolationsmaterial zweite Gräben 26 ausgebildet. Die zweiten Gräben 26 reichen bis zum Drainkontakt 3 hinab. Die Gatebänder 5'bzw. die darüber/darunter liegenden Isolations- schichten 23 sind nach diesem Prozessschritt von Isolier- schichten 22 umgeben.

In einem vierten Prözessschritt (Fig. 3d) werden in den zwei- ten Gräben 26 Nanodrähte 4 aufgewachsen. Anschließend erfolgt die Ausbildung eines Sourcekontakts 2.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform hat gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform den Vorteil, dass die "Durchschlagsfestigkeit"des Halbleiter-Leistungsschalters bei gleichzeitiger Wahrung einer hohen Nanodraht-Dichte höher ist :

Der in Fig. 1 gezeigte Halbleiter-Leistungsschalter hat den Nachteil, dass bei Anliegen von hohen Spannungen auch ent- sprechend dicke Isolierschichten, die die Nanodrähte gegen- über dem Gate 5 isolieren, verwendet werden müssen, um einen Durchschlag durch die Isolierschicht zu verhindern. Bei einer anzulegenden Spannung von 100 V sollte beispielsweise die Di- cke der Isolierschicht mindestens 100 nm betragen. Dies würde jedoch bedeuten, dass bei einer koaxialen Realisierung in Fig. 1 unter Verwendung einer hexagonal dichtesten Packung von Nanodrähten maximal eine Dichte von 20 Nanodrähten pro un2 möglich wären, was herkömmliche Siliziumschalter nur um einen Faktor 2 hinsichtlich der Einschaltwiderstände und um einen Faktor 10 hinsichtlich der Strombelastbarkeit verbes- sern würde. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform verwendet deshalb parallele Gatebänder 5'für den Halbleiter- Leistungsschalter mit vertikal ausgerichteten Nanodrähten 4.

Mit dieser Ausführungsform können trotz Spannungen von ca.

500 V Dichten von ungefähr 2000 Nanodrähten (beispielsweise Carbon-Nanodrähte oder Silizium-Nanodrähte) pro, um2 erzielt werden.

Die Dicke des Drainkontakts beträgt ungefähr 10 bis 200 um, wobei der Drainkontakt 3 vorzugsweise aus Molybdän oder Tan- tal besteht bzw. diese Materialien enthält. Auf dem Drainkon- takt 3 ist zudem vorzugsweise eine Katalysatorschicht aufge- bracht.

In diesem Zusammenhang sei noch auf die Fig. 11 und 12 ver- wiesen. Fig. 11 zeigt die maximal mögliche Nanodrahtdichte in Abhängigkeit angenommener Spannungsdifferenzen zwischen Na- nodrähten und Gate für den in Fig. 1 gezeigten Halbleiter- Leistungsschalter mit koaxialem Gate für jeweils einen einzi- gen Nanodraht. Es ist zu sehen, dass bei hohen Spannungsdif- ferenzen nur geringe Nanodrahtdichten möglich sind. In Fig.

12 ist die Stromdichte gegenüber der Nanodrahtdichte für ei- nen herkömmlichen Halbleiter-Leistungsschalter (Kennlinie 27) und für das in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Halbleiter-

Leistungsbauteil (Kennlinie 28) gezeigt ("CNT"entspricht <BR> <BR> "Carbon-Nanotube"bzw. "Carbon-Nanoröhre"). Die Kennlinie 27 gilt insbesondere für Silizium-Leistungsschalter.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform 30 des erfindungs- gemäßen Halbleiter-Leistungsschalters gezeigt. Diese Ausfüh- rungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Aus- führungsform dadurch, dass die in Fig. 2 gezeigten Gatebänder 5'jeweils in mehrere Gate-Unterbänder 5"aufgespalten sind.

Die Gate-Unterbänder 5"sind gegeneinander elektrisch iso- liert und in dieser Ausführungsform äquidistant voneinander beabstandet. Jedes der Gate-Unterbänder 5''kann unabhängig von den anderen Gate-Unterbändern 5''auf einen individuellen Potenzialwert gelegt werden. Wenn die Gate-Unterbänder 511 eines Gatebands 5'alternierend auf eine positive/negative Gatespannung gelegt werden, so lässt sich eine wellenförmige Bandabstandsstruktur ("band gap") erzeugen, so wie in Fig. 7 schematisch dargestellt. Die wellenförmige Bandabstandsstruk- tur 31 bewirkt, dass Löcher, die von dem Drainkontakt 3 zu dem Sourcekontakt 2 wandern wollen"eingefangen"werden. Ä- quivalentes gilt auch für die Elektronen, die in Fig. 7 nicht explizit eingezeichnet sind, in Fig. 7 aber von der mit Be- zugsziffer 2 gekennzeichneten Elektrode zu der mit Bezugszif- fer 3 gekennzeichneten Elektrode tunneln. Damit lassen sich die Sperreigenschaften des Halbleiter-Leistungsschalters we- sentlich verbessern : Im Sperrzustand werden, wie oben be- schrieben, die Gate-Unterbänder 5"mit Spannung versorgt, so dass die in Fig. 7 gezeigte wellenförmige Bandabstandsstruk- tur entsteht. Im Durchlasszustand des Halbleiter- Leistungsschalters werden hingegen sämtliche Gate-Unterbänder 5''eines Gatebands 5'mit derselben Gatespannung beauf- schlagt, so dass die in Fig. 8 gezeigte Bandabstandsstruktur 32 entsteht. Löcher können nun ungehindert von dem Drainkon- takt 3 zu dem Sourcekontakt 2 wandern.

Die in Fig. 6 gezeigte dritte Ausführungsform 30 ermöglicht demnach, unter normalen Umständen auftretende Tunneleffekte

von Elektronen/Löchern durch die an den Sourcekontakt 2 und dem Drainkontakt 3 vorhandene Schottky-Barriere durch Ausbil- den der wellenförmigen Band-Gap-Struktur 31 im Sperrzustand zu unterdrücken. Dazu werden die Gate-Unterbänder 5"abwech- selnd"gebiased", wodurch ein hohes Abschnürverhalten der La- dungsträger resultiert, wobei die Abschnürstärke exponentiell mit der Anzahl n der +-modulierten Gebiete ansteigt. Damit kann bei gleichem Durchlassstrom im Durchlasszustand der Tun- nelstrom (Leckstrom) im Sperrzustand um einen Faktor en redu- <BR> <BR> ziert werden. "eV"bezeichnet hierbei die angelegte Spannung.

Da es sich um ein Energiediagramm handelt ist diese Spannung mit"e"multipliziert.

Erfindungsgemäß werden demnach Gatestrukturen mit abwechselnd leitenden und nicht-leitenden Schichten vorgesehen, die mit abwechselnder Polarität als multiple Gateanordnung verschal- tet werden.

Literatur : Volume 88, No. 25, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 24. Juni 2002 "Multiple Funcitonality in Nanotube Transistors" François Leonard and J. Tersoff Volume 85, No. 22, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 27. November 2000 "Negative Differential Resistance in Nanotube Devices" François Leonard and J. Tersoff

Bezugszeichenliste 1 erste Ausführungsform 2 Sourcekontakt 3 Drainkontakt 4 Nanodraht 5 Gate 5'Gateband 5''Gate-Unterband 6 Gateanschluss 7 erste Isolationsschicht 8 zweite Isolationsschicht 9 Kennlinie 10 Kennlinie 11 Kennlinie 12 Kennlinie 13 Kennlinie 20 zweite Ausführungsform 21 Graben 22 Isolierschicht 23 Isolierschicht 24 Röhre B Breite des Gatebands 25 erste Gräben 26 zweite Gräben 27 Kennlinie 28 Kennlinie 30 dritte Ausführungsform 31 Bandabstandsstruktur 32 Bandabstandsstruktur