Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может оыть использовано в кремниевых интегральных схемах Конденсатор содержит поляризуемый и неполяризуемый серебряный электроды, разделенные слоем из твердого электролита на основе иодида серебра С целью расширения области применения и повышения надежности конденсатора за счет увеличения расширения диапазона величин рабочих напряжений поляризуемый электрод выполнен из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда Зил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН! фью

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4927835/21 (22) 12.04.91 (46} 30.11.93 Ьол. Йа 43-44 (71} Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов PAH (72) Деспотули Ал.; Пичкова Нв. (73) Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материапов PAH (64) КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИ. ЧЕСКИМ СЛОЕМ (57) Изобретение относится к микроэлектронике и (в) RU (и) 2ОО4024 С1 (5I) 5 HOIG9 64 может йыть использовано в кремниевых интеграль— ных схемах Конденсатор содержит поляризуемый .и неполяризуемый серебряный электроды, разделенные споем из твердого электролита на основе иодида серебра С целью расширения области применения и повышения надежности конденсатора за счет увеличения расширения диапазона величин рабочих напряжений поляризуемый электрод выполнен из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда. 3 ит 2004024

Изобретение относится к элементной базе микроэлектроники, в частности к конденсаторам, и может быть использовано в кремниевых интегральных схемах, Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий платиновые или угольные электроды, разделенные слоем жидкого электролита (1).

Однако область применения этого конденсатора ограничена из-за.трудности герметизации, узкого интервала рабочих температур, несовместимости технологии их изготовления с современными микроэлектронными технологиями, Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий поляризуемый и неполяризуемый серебряный электроды, разделенные слоем твердого электролита на основе иодида серебра, например RbAg4lg (2). Поляризуемый электрод выполнен из графита (угля), платины или золота.

Однако этот конденсатор имеет низкое положительное рабочее напряжение поляризуемого электрода (0,6 В). Для повышения рабочего напряжения конденсаторы соединяют последовательно в батареи, что сужает область применения и снижает надежность, Другим недостатком является потеря работоспособности при подаче на поляризуемый электрод даже малых напряжений (ы 10 В} отрицательной полярно-3 сти. Таким образом, известный конденсатор невозможно использовать в схемах переменного тока, Целью изобретения является расширение области применения и повышение надежности конденсатора за счет увеличения допустимых значений рабочих напряжений.

Цель достигается тем, что поляризуемый электрод выполнен из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и других областях техники не позволяет выявить в них признака, отличающего заявляемое решение от прототипа, Экспериментально показано, что выполнение поляризуемого электрода из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда позволяет увеличить диапазон рабочих напряжений. У таких конденсаторов при положительных напряжениях на кремнии токи утечки пренебрежимо малы до подаваемого напряжения =1 В. При напряжениях отрицательной полярности токиутечки также малы до подаваемого напряжения 0,3-0,4 В, Предлагаемый конденсатор надежно сохраняет работоспособность в широком интервале приложенных напряжений.

Теоретически предсказать свойства кремния, проявляемые им при использовании в качестве электрода конденсатора с твердым электролитом, не представлялось возможным. Указанные свойства были BllslBlIBHbl только в ходе экспериментальных исследований. Таким образом данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг, 1 представлены тонкопленочные планарные конденсаторные структуры, поперечный разрез; на фиг. 2 показаны статические вольт-амперные характеристики

20 тонкопленочных планарных конденсаторных струткур с твердым электролитом

РЬАц45 для угольного (а) (прототип) и кремниевого (b) поляризуемых электродов; на фиг. 3 представлена эквивалентная электрическая схема изготовленной конденсаторной структуры, где R< — сопротивление твердого электролита, включенное последовательно с емкостью; R2 — сопротивление

Ол + л электрохимической реакции Ag «Ag + е, протекающей на серебряном электроде при работе конденсатора; С1 — емкость границы кремний — твердый электролит; Сг — емкость границы серебро — твердый электролит.

Пример. Конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг.1) содержит поляризуемый электрод 1 из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда и неполяризуемый серебряный электрод

2, Электроды разделены слоем 3 твердого

40 электролита на основе иодида серебра. Подложка 4 выполнена из Si02.

Конденсатор работает следующим образом. При подаче на кремниевый электрод напряжения положительной полярности подвижные Ag -ионы смещаются от этого электрода, и, таким образом, возникает область двойного электрического слоя, концентрирующая энергию электрического поля. Токи утечки конденсатора очень малы вследствие униполярности проводимости твердого электролита. При подаче на конденсатор напряжения отрицательной полярности происходит аналогичный процесс.

Предлагаемый конденсатор с двойным электрическим слоем изготавливается, например, следующим образом. Пленку твердого электролита осаждают на заготовку, представляющую собой электрическую подложку из SION (фиг. 1,3), сформированными на ней по стандартной методике двумя

2004024 вставленными одна в другую гребенками из кремния и серебра, Пленку твердого электролита получают методом термического вакуумного испарения (31 расплава смеси Rbl и Agl, в котором Agl берут с избытком =5 5 мол.% по отношению к стехиометрическому составу из-за его более низкой летучести.

При осаждении пленки расплав поддерживают при температуре =770 К, а подложку — при комнатной. После осаждения конден- 10 сата производят его отжиг при температуре

=380 К в течение 10-20 мин, При этом удельная ионная проводимость твердого элек1ролита RbAg4lg повышается до =0,2-0,25 Ом

-1 см и в нем исчезают примеси посторонних 15 фаз, Удельная емкость конденсаторной структуры, а также сопротивления ее эквивалентной электрической схемы зависят от геометрических размеров уступов, сформированных на подложке, которые подбираются каждый раз в зависимости от решаемой задачи.

Параметры эквивалентной электрической схемы могут быть оценены осциллографической регистрацией заряда-разряда 25 конденсаторной структуры и сравнением получаемых кривых с откликами соответствующих электрических цепей.

При увеличении высоты уступов кремния и серебра, уменьшении их ширины, а 30 так>ке расстояния между уступами происходит увеличение удельной еMKocòë структуры и одновременно уменьшается омическое сопротивление твердого электролита, которое на эквивалентной электрической схеме 35 включено последовательно с емкостью двойного электрического слоя границы

SilRbAgplz. Например, для получения конденсаторов с электрической емкость о = 1 мкФ на 1 см2 площади подложки изготавли- 40 вают структуры с толщиной пленки RbAgpls

=43,5 мкм при высоте уступов =0.3 мкм, ширине уступов = 100 мкм. расстоянии между ними = 100 мкм.

Параметры эквивалентной электрической схемы изготовленной конденсаторной структуры следующие: R1- 10 Ом.

Rz " 10 Ом. С1 1 мкФ, С:> 100 мкФ.

Аналогичные результаты получены для кон- 50 денсаторов с кремниевыми электродами и4- I- + -i+, n- . р-, р -типа и для структуры. где в

Формула изобретения

КОНДЕНСАТОР С ДВОИНЫМ ЭЛЕКТ- 55

РИЧЕСКИМ СЛОЕМ, выполненный в виде тонкопленочной структуры, содержащий паляризуемый и непаляризуемый серебряные электроды, разделенные слоем твердого электролита на основе RbAgp Зв, качестве твердого электролита использовали КА94".

Выполнение электрода из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда позво l9pT повысить надежность работы конденсатора. В случае использования конденсатора-прототипа при рабочем напряжении = 1 В необходимо последовательное соединение как минимум двух конденсаторов. Вследствие перераспределения рабочих напря>кений в такой конструкции даже из-за незначительного отличия характеристик отдельных конденсаторов происходит быстрый выход батареи конденсаторов из строя. Так, батарея из двух конденсаторов-прототипов сохраняет свою работоспособность без существенных изменений характеристик в течение - 5000 циклов (заряд-разрд) до рабочего напряжения (2 0.5 В). В то время КаК предло>кенный конденсатор позволяет более чем в 10 раз уве гичить время наработки до отказа (> l00000 циклов} т.е. повысить надежность.

Токи утечки заявляемых конденсатсрсн псенебрежима малы вплоть да положительных напряжений = 1 В, тогда КаК в:::онденсаторе-прототипе большие токи утечки появляются уже 0.67 В. При напря>кениях отрицательной полярности конденсаторпрататип полностью выходит из с7 ро», в То время KBK предложенный конденсатор работоспособен до отрицательных напряжений -0,4 -0,5 В.

Таким образом, использование изобретения позвагяет повысить надежность работы конденсатора e = 10 раз и расширить область применения за счет. возможности использования нового конденсатора в схемах переменного тока, что невозможно при

ИСПОЛЬЗОВаНИИ КОНДЕНСатСРа-ПРОтатИПа. (56) Трейер В.В, Электрохимические приборы. M.: Советское „àäèî,,1978, с. 88.

Укше Е,А., Вершинин Н,H.. Ма . а Ю.!и.

Функциональные элементы твердо:ельной электроники на суперианных проводликах.

Зарубежная радиоэлектроника, 1982, вьпе

7, с. 52.

Kennedy l.Í., Chen F,, H,inter

Preparation of Vacuum Deposited Film of

Rubidium Я1Ьег I odide!. Eiectrochem. $ос, 1973, v. 120, р. 454. отличающийся тем, что, с цепью расширения области применения и повышения на дежнссти за счет расширения диапазона величин рабочих напряжений, поляриэуемый электрод выполнен из кремния с высокой концентрацией подвижных носителей заряда.

2004024

ФиГ.. 3

Составитель А. Деспотули

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Куль

Редактор

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3325

Производственно-издательский комбинат."Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101