專利名稱:雙注入場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)能認(rèn)識(shí)到在晶體管160中，由柵極162進(jìn)行的使晶體管截止的操作使用了與上述討論的VMIT有關(guān)的工作原理。因此，柵極162和每個(gè)電極46和52之間的間距163a和163b的相對(duì)大小可以變化，以增強(qiáng)柵極162幫助截止的能力。特別是，柵極與方向偏置或與柵極處于同電位的那個(gè)載流電極間的間距可以增大，而柵極與另一載流電極間的間距可以相應(yīng)地減小。
圖30B示出了DIFET165，其結(jié)構(gòu)及工作情況與圖30A中的DIFET160相似，但其第二柵極162卻是另一種設(shè)置。晶體管165中，第二柵極162包括若干個(gè)電極部分或電極單元(如162a或162b)，它們互相之間以及和陰極46陰極52之間都水平隔置開。柵極部分162a和162b中的每一個(gè)最好象圖30A中的柵極162那樣橫跨導(dǎo)電層48中的導(dǎo)電溝道的整個(gè)寬度，且每一個(gè)非常接近層48的中心位置，并通過絕緣層164把它們隔開。柵極部分162a和162b也可以象柵極162那樣來形成，先淀積一層合適的導(dǎo)電材料(如金屬)，然后用光刻或其他常規(guī)手段形成分離的各單元。
去掉加在柵極50上，以使晶體管165導(dǎo)通的偏置電壓，晶體管165的導(dǎo)通溝道將會(huì)截止。在柵極部分162a和162b上加上一個(gè)或多個(gè)合適的電壓，晶體管165將會(huì)更徹底地截止。舉個(gè)例子來說，柵極部分162a和162b被加上相同的偏置電壓(可以是任何電壓)，從各個(gè)柵極部分延伸的感應(yīng)場(chǎng)使間隔163c和各柵極部分之上的層48的中央部分161呈電中性，也就是說，在這一部分中不存在電位置。因此，載流子沿部分161的運(yùn)動(dòng)只是擴(kuò)散引起的結(jié)果，這就大大減小了載流子通過這一部分的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)質(zhì)上增加了這一部分的有效電阻，從而增加了整個(gè)層48的有效電阻。再舉個(gè)例子，在柵極部分162a和162b上加上相同的電壓，這個(gè)電壓可以是高于、也可以是低于分別加到陰極46和陽(yáng)極52上的電壓。就載流電極中的某一個(gè)而言，這樣的一個(gè)電壓將使層48中的至少一部分反向偏置。這個(gè)偏置將有效地防止載流子在該結(jié)上的注入，從而大大減小了載流電極之間的載止電流。
柵極部分162a和162b可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，即它們之間的電連接通過一個(gè)縱向的連接線(圖中未畫出)來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)連接線可用與柵極部分相同的材料在形成柵極部分的同時(shí)形成。如果該晶體管以上面兩個(gè)例子討論過的方式工作，那就非常方便。
再舉一例，柵極部分162a和162b可以象圖30B所示的那樣互相電絕緣，并對(duì)它們加上不同的電壓，使晶體管165截止得更徹底。例如，在柵極部分162a和162b上分別加上5v和0v電壓，在沒有過大電壓加到柵極50上的情況下，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)壘，這個(gè)熱墊壘強(qiáng)烈地阻止電子及空穴沿層48的中央部分161的流動(dòng)或擴(kuò)散，因此，就可以在晶體管165的第一柵極上不加電壓時(shí)大大地減小截止電流。本技術(shù)領(lǐng)域：
中的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在這個(gè)例子中，柵極部分162a和162b之間電位差可以變化，比方說可從十分之幾伏變化至遠(yuǎn)高于5伏。
雖然圖29B至30B所示的實(shí)施例是雙極場(chǎng)效應(yīng)管，本技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)的技術(shù)人員將會(huì)容易地意識(shí)到這些器件的結(jié)構(gòu)和工作原理也適合于使用在單極場(chǎng)效應(yīng)管中。特別是，只要簡(jiǎn)單地把層52從p+型材料換成n+型材料，即可用與圖29B、30A和30B中的晶體管相同的基本結(jié)構(gòu)形成新穎的橫向單極型a-Si合金IGFET。
橫向晶體管150、155、160和165可以采用薄膜淀積技術(shù)來形成，這項(xiàng)技術(shù)在前面關(guān)于圖1中所示的縱向晶體管40的形成時(shí)已經(jīng)描述了。除非另有說明，這些橫向晶體管中，溝道層48的厚度最好為200至10，000埃，歐姆接觸層46和52的厚度最好為100至500埃，金屬接觸層44和54的厚度最好為500至3000埃，絕緣層152厚度最好為200至5000埃，柵極層50最好為500至3000埃厚。
雖然本發(fā)明可用橫向結(jié)構(gòu)來構(gòu)成(如圖29A至30B所示)，但是，可以相信，對(duì)于一些應(yīng)用，使用縱向結(jié)構(gòu)(如圖1至圖28所示的那些)更好。這是因?yàn)槭褂每v向淀積技術(shù)制造極間距離短的電極時(shí)，制造容易。本發(fā)明的縱向?qū)嵤├€有易于制造具有多個(gè)導(dǎo)電窗口51的晶體管的優(yōu)點(diǎn)，這種窗口51能使晶體管傳送更大的電流。
圖31示出了一個(gè)橫向形成的雙極薄膜晶體管170，其導(dǎo)電柵極層50淀積在一絕緣襯底42上。下一步柵極絕緣層152淀積在柵極50上或者以其他方式在柵極50上形成。如果需要的話，還可把絕緣層152進(jìn)行退火，以減少內(nèi)部缺陷的數(shù)目和改進(jìn)它的絕緣性能，這有可能把絕緣層做得更薄。接著淀積非晶半導(dǎo)體層48。再下面就可以使用光刻技術(shù)在圖31中的各個(gè)位置上有選擇地淀積接觸n+層46和接觸的p+層52以及它們各自上面的金屬層44和54。和晶體管150相比，這個(gè)晶體管170的結(jié)構(gòu)減小了它的柵極50和各載流電極間的電容，且容易制造。
晶體管170有助于圖解說明本發(fā)明的橫向DIFET和橫向單極FET可以由許多方式來構(gòu)成。例如，晶體管160和165可以和晶體管170類似，具有這樣的結(jié)構(gòu)，柵極50作為器件的底層，柵極162作為器件的頂層。
晶體管150至170都具有這樣的特點(diǎn)，即它的極間電容顯著地減小，這是因?yàn)闁艠O層50和兩個(gè)電流通路電極間的交迭已被減小到最小程度。在應(yīng)用中，如果這些晶體管作為不需要很高速度的增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管來使用。則最好使用溝道長(zhǎng)度為5-10微米至幾十微米或更長(zhǎng)一些的器件，這是因?yàn)椴粌H可以用廉價(jià)的光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些特征尺寸，而且當(dāng)DIFET處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)這種溝道具有更高的有效電阻率。陽(yáng)極和陰極間電壓較低時(shí)，雙極FET截止(即柵極上不加電壓)時(shí)的溝道電阻，正象上面引用的哈克(Hack)等人著的雜志文章中所討論的那樣，是正向偏置的p-i-n二極管載流子注入的函數(shù)。而且，它還取決于溝道的長(zhǎng)度，與溝道截面積成反比關(guān)系。因此，本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員可以容易認(rèn)識(shí)到改變器件的幾何形狀就能改變截止?fàn)顟B(tài)下的電阻。此外，還可對(duì)溝道進(jìn)行摻雜，以改變溝道電阻和/或改變載流子的壽命。在用本征a-Si∶H溝道材料制成的常規(guī)的TFT中，為了提高跨導(dǎo)和減少截止時(shí)間，溝道長(zhǎng)度常被減到最小。當(dāng)利用標(biāo)定的柵極電壓使得晶體管導(dǎo)通時(shí)，溝道的電導(dǎo)率正象上面提到的那樣，在典型情況下是相當(dāng)?shù)?電子遷移率高達(dá)1.0cm2/V-s)的。然而使用本發(fā)明的雙極TFT，溝道長(zhǎng)度就可以長(zhǎng)得多，這是因?yàn)闇系乐械碾p極電流的緣故，這樣就使跨導(dǎo)得到明顯的改善;而且由于上面解釋的載流子的復(fù)合，也大大減小截止時(shí)間。
在本技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)眾所周知，所需的柵極工作電壓越低越好，絕緣層152在能避免隧道穿通或擊穿的前提下越薄越好。如上所述，在雙極場(chǎng)效應(yīng)晶極管中，由于導(dǎo)電溝道中第二種載流子即少數(shù)載流子的緣故，空間電荷的電中和在任何給定的柵極電壓下都能產(chǎn)生一導(dǎo)電溝道，這溝道比使用工作在增強(qiáng)型的單極絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管所產(chǎn)生的溝道大體更寬。因此，本技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)的技術(shù)人員將意識(shí)到與通常單極絕緣柵FET相比較，雙極場(chǎng)效應(yīng)管可以工作在更低的柵極電壓。
圖32示出了一個(gè)簡(jiǎn)化測(cè)試電路的示意圖，該電路是用來測(cè)試本發(fā)明的原型場(chǎng)效應(yīng)管180的，在圖中該晶體管是以部分剖面圖的形式畫出的。FET180是一個(gè)四端器件。它有兩個(gè)載流鋁電極44和182，這兩個(gè)電極下面有n+歐姆接觸層46和52;還有一個(gè)鋁電極54(下面有p+歐姆接觸層54)和一本征a-Si∶H層48;FET180還有一氮化硅制成的柵極絕緣層152和一個(gè)鋁柵電極50。FET180做在一玻璃基片(圖中未畫出)上。各層的大約厚度如下柵極50為1，000埃;絕緣層152為2，000埃;本征層48為5，000埃;歐姆接觸層46，52和184為500埃;金屬電極44、54和182為1000埃。電極44、54和182及它們之間的水平距離185用光刻方法來限定和形成。相鄰電極間的間距185和187大約為20微米，這大約為p+電極52和n+電極46間的溝道長(zhǎng)度。兩個(gè)n+電極46和184之間的溝道長(zhǎng)度大約為60微米，因?yàn)樗藀+電極52的長(zhǎng)度外還包括了間隔距離187，52電極長(zhǎng)度大約為20微米。溝道的寬度大約為1，000微米，這使得n+電極46和p+電極52形成的雙極p-i-n FET的W/L比達(dá)到大約50，而使n+電極46和184形成的單極n-i-n FET的W/L比大約為16.7。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管180的測(cè)試電路包括一個(gè)常規(guī)的波形記錄器，該記錄器有兩個(gè)可變的直流電壓源186和188，分別提供柵極電壓VG和漏極-源極的電壓VDS或陽(yáng)極-陰極之間的電壓VAK。兩個(gè)狀態(tài)開關(guān)190和192(在圖32中處于關(guān)斷狀態(tài))通過接通開關(guān)190和關(guān)斷開關(guān)192，可以使場(chǎng)效應(yīng)晶體管180成為單極n-i-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管，也可以通過關(guān)斷開關(guān)190和接通開關(guān)192，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管180成為雙極p-i-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管。參照?qǐng)鲂?yīng)晶體管180構(gòu)成的這兩種場(chǎng)效應(yīng)晶體管里的導(dǎo)電溝道的相對(duì)位置，圖32中大致示出了它們的電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向。
圖33中示出了在不同的柵極電壓下，由場(chǎng)效應(yīng)晶體管180構(gòu)成的n-i-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各種不同的ID-VDS曲線。圖34中示出了在不同的柵極電壓下，p-i-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各種不同的IA-VAK曲線。我們對(duì)圖33和34中的數(shù)據(jù)-考慮了幾何尺寸和溝道尺寸的差別-所進(jìn)行的分析表明，圖34中雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的曲線僅僅能夠通過相同尺寸、場(chǎng)效應(yīng)遷移率約為5的單極n-i-n a-Si∶H場(chǎng)效應(yīng)晶體管得到。另外，我們的分析還表明，如果雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道深度大約比具有相同尺寸的單極n-i-n a-Si∶H場(chǎng)效應(yīng)晶體管厚5倍的話，那么也可以獲得這種結(jié)果?；谏鲜隼碛?，可能發(fā)生這種情況，增大電流，因而實(shí)際溝道深度的增加將相應(yīng)變小。盡管如此，我們還是確信，與同時(shí)建立和測(cè)試的單極n-i-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比較，試驗(yàn)用雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的溝道深度實(shí)際增加了，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管180的本征層48中的點(diǎn)線194和虛線196所示，它們分別代表前述的場(chǎng)效應(yīng)晶體180的雙極和單極場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作中導(dǎo)電溝道可能的邊界。
晶體管180可以成為具有超增強(qiáng)型的單極場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其工作方式如同變?yōu)殡p極場(chǎng)效應(yīng)晶體管。為了作為普通的單極場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作，需要將開關(guān)190接通、開關(guān)192關(guān)斷。為了工作在它的超增強(qiáng)型模式，必須將開關(guān)190關(guān)斷、開關(guān)192接通。另外，開關(guān)190可以持續(xù)接通或用導(dǎo)線短接197和198而予以省略，分別關(guān)斷和接通開關(guān)192，來選擇普通和超增強(qiáng)型工作模式。當(dāng)開關(guān)190和192雙雙接通，場(chǎng)效應(yīng)晶體管180成為四端DIFET。當(dāng)同時(shí)接同開關(guān)190和192時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)性場(chǎng)效應(yīng)晶體管180所做的測(cè)試表明，幾乎所有電流經(jīng)n+電極52，并且?guī)缀鯖]有電流流經(jīng)p+電極214。
四端DIFET的其它實(shí)施例如圖35至40所示。以下的討論說明，這些DIFET中，至少一種是如何通過各種不同的“載流子平衡”技術(shù)和結(jié)構(gòu)，更容易地達(dá)到在導(dǎo)電溝道中空穴和電子數(shù)目之間更好的平衡的，該技術(shù)和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更大的電流容量、光發(fā)射甚至激光作用。
圖35A表示本發(fā)明的另一個(gè)不同的實(shí)施例，它與圖32中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管180類似。場(chǎng)效應(yīng)晶體管210具有分開放置的p+電極54和212(它們下面的層52和214為歐姆接觸層)，一個(gè)下面有n+歐姆接觸層46的鋁電極44，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料(例如a-Si∶H)的本征層48，柵絕緣材料152，以及柵極電極50。p+電極52和n+電極46之間分開的距離185，比n+電極46和p+電極214之間分開的距離187大很多。因此，比之場(chǎng)效應(yīng)晶體管180做為四端場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)，在整個(gè)器件的更大部分產(chǎn)生大的雙極電流。
圖35B表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管215，215除了將n+歐姆接觸層46連同陰極44的位置與p+歐姆接觸層214連同漏極212的位置作了交換之外，其它部分與圖35A中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管210相似。對(duì)電極46和214施加同樣的電壓，比之圖35A的器件，這種結(jié)構(gòu)允許導(dǎo)電溝道中的更多的空穴進(jìn)入漏極，并有助于加強(qiáng)層48的整個(gè)溝道長(zhǎng)度中的雙極電流。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管210和215也是能夠既做為雙極元件也做為單極元件工作的四端器件，所以每個(gè)都能以圖32中所示器件的所有方式工作，以下討論的其它四端場(chǎng)效應(yīng)晶體管也是這樣。
本發(fā)明的另一個(gè)四端雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)施例示于圖36。晶體管230的上半部分與普通的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管類似，具有柵極50，柵極絕緣層152以及分別與金屬電極54和44連接的n歐姆接觸層52和46。晶體管230的下半部分最好做在一塊絕緣襯底(未示出)上，并且由截然不同的兩部分組成，左半部是絕緣材料232，右半部是導(dǎo)電層234(例如金屬)，在該導(dǎo)電層上淀積一層p+半導(dǎo)體材料236。(絕緣部分232僅僅是提供一個(gè)平表面，如果需要的話，在它上面可以效上下一層材料，也可以不放)。下一層48是攙雜半導(dǎo)體材料或本征半導(dǎo)體材料，最好淀積基本上是本征的非晶硅合金。一旦層48經(jīng)過淀積或用其它方法制成，上面的層可以用圖29所描述的類似技術(shù)淀積或制成。導(dǎo)電層234最好為500至3，000埃厚。歐姆接觸層46，52和236的厚度不超過500埃，這是因?yàn)槿魏胃郊拥暮穸葘?duì)提高這些歐姆接觸層有效地將載流子注入進(jìn)本征層48的能力都不會(huì)有明顯的效果。
以重?cái)v雜的同型半導(dǎo)體材料制成的晶體管230的導(dǎo)電極52和46可以分別叫做源極S和漏極D。源極S也可以叫做陰極K，這是由于相對(duì)于陽(yáng)極A來說，它加負(fù)偏壓。源極、漏極互相分開放置，每個(gè)電極與大體上為本征的非晶態(tài)半導(dǎo)體合金層有電接觸，通過對(duì)絕緣金屬柵極50和源極、漏極之間施加的適當(dāng)?shù)钠珘?，在該非晶層中感?yīng)出第一種極性的載流子(例如電子)的導(dǎo)電溝道。晶體管230還包括叫做陽(yáng)極A(或有時(shí)叫做基極)的第四電極，它由金屬層234和半導(dǎo)體層236構(gòu)成，該半導(dǎo)體層被重?fù)诫s，其摻入雜質(zhì)類型與源極和漏極中摻入的雜質(zhì)類型相反，因此從源極52注入相反極性的載流子。第一極性載流子(即電子)由源極S注入本征層48，在層48中，電子沿導(dǎo)電溝道進(jìn)入漏極46或基極236，第二極性載流子(即空穴)由陽(yáng)極A注入本征層48，并力圖朝上向著導(dǎo)電溝道中的相反極性的載流子移動(dòng)，以及水平地向著源極S漂移，這是由于存在電場(chǎng)的緣故，這電場(chǎng)是由存在于導(dǎo)電溝道中的電子的負(fù)空間電荷產(chǎn)生的局部電場(chǎng)和由源極-漏極電壓和陽(yáng)極-陰極電壓所感應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)。在本發(fā)明的雙極晶體管器件230中以這種方式注入的空穴通常含分布在整個(gè)導(dǎo)電溝道，在導(dǎo)電溝道中，它們與本征材料里的復(fù)合中心的電子復(fù)合。復(fù)合電流很大，因此器件中的電流傳導(dǎo)增強(qiáng)了。
當(dāng)p+電極236(即陽(yáng)極A)與電路分開，(如圖36中的雙態(tài)開關(guān)240關(guān)斷的情況下)，晶體管230表現(xiàn)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平面n-i-n a-Si場(chǎng)效應(yīng)晶體管。因此，它具有圖36中虛線244畫出的很淺的溝道242。當(dāng)陽(yáng)極A與圖36中的電路接上，即當(dāng)開關(guān)240接通時(shí)，柵極斷開，晶體管230的工作狀態(tài)沒有顯著變化，但是柵極接通，變化就很顯著了。當(dāng)柵極50不加電壓，流出p+接觸層236的關(guān)態(tài)電流較小，特別是如果陽(yáng)極和陰極間的距離相對(duì)較大(例如5至10微米)。當(dāng)施加正電壓(例如+10V)使得柵極接通時(shí)，電子一開始就會(huì)在虛線242所示的溝道區(qū)域中積累，但是從p+接觸層236汲取并進(jìn)入溝道區(qū)域的空穴中和了幾乎所有的負(fù)電荷，這樣大大減小了導(dǎo)電溝道242中由電子產(chǎn)生的自屏蔽場(chǎng)，它使得柵極50的外加電場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)展到本征層238中(如前所述那樣)。材料中增加的電子和空穴填充了本征層238中占相當(dāng)百分比的陷阱因此，使得大量的自由載流子(即導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴)為溝道電流作出貢獻(xiàn)。溝道尺寸也增大了很多，這是由于注入的空穴和空間電荷的中和作用使得柵極電場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)展到溝道中，如代表雙極溝道可能的邊界的點(diǎn)線246所示。由于一種極性載流子(即電子)的數(shù)目此相反極性載流子〔即空穴〕的數(shù)目略多，調(diào)制通過晶體管的電流仍是可能的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，如果晶體管230成功地將電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)推進(jìn)到接近于導(dǎo)帶，本征層48中有大量的陷阱或缺陷態(tài)，該晶體管就產(chǎn)生電致發(fā)光。通過對(duì)非晶態(tài)半導(dǎo)體材料層238加進(jìn)合金成分來改變帶隙寬度，就能夠改變電致發(fā)光的波長(zhǎng)。非晶硅合金的帶隙約為1.7電子伏特，這與電磁光譜的深紅范圍的波長(zhǎng)是一致的。含有如碳、氮或氧等元素的硅合金的帶隙能夠變寬，含有如鍺、錫或硼等元素的硅合金的帶隙可以變窄。關(guān)于如何調(diào)整各種非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的帶隙的附加的詳細(xì)資料，見于奧夫金斯基(Ovshinsky)等人1982年獲得的美國(guó)專利4，342，044號(hào)(該專利此處作為參考文件)以及其它光電技術(shù)的專利及出版物。從前面的論述還可看出，晶體管230能夠象發(fā)光二極管(LED)那樣用來發(fā)光。如圖36中，光線248是從層48的側(cè)面247發(fā)出的，該側(cè)面是通過刻蝕并去掉層54、52和48的一部分形成的。
為了在雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管中得到最大電流，必須調(diào)整層48中、尤其是導(dǎo)電溝道中的主要和補(bǔ)償兩種載流子的濃度，以便獲得最佳空間電荷中和。這增加了溝道寬度和/或電流密度，這允許柵極感應(yīng)電場(chǎng)去調(diào)制層48中的最大可能數(shù)量的載流子。圖36，37和38揭示了三種獲得這種最佳空間電荷中和典型方法，在DIFET工作期間，由于層48中存在自由載流子，以及由層48中任何的離化雜質(zhì)(如果存在的話)產(chǎn)生的電荷和積累在層48中的缺陷態(tài)(任何)的捕獲電荷(任何)，所以用來獲得這種中和的任何技術(shù)最好應(yīng)該考慮以上的電荷。
在圖36所示的場(chǎng)效應(yīng)晶體管230中，通過仔細(xì)選擇基極電極的p層234和溝道區(qū)242之間的重疊部分249的大小，來獲得最佳中和，重疊部分249增加，將引起空穴注入的增加。注入進(jìn)DIFET230的層48中的空穴數(shù)量，隨著源極注入的電子數(shù)量的變化而變化，而后者又隨著任何給定的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵偏壓和陽(yáng)極-陰極電壓的變化而變化。對(duì)于一個(gè)四端DIFET在給定尺寸和給定工作電壓范圍的條件下，為了獲得最佳平衡而需要重疊的準(zhǔn)確尺寸，可以通過對(duì)不同大小的重疊量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定。
本發(fā)明的另一個(gè)四端DIFET的實(shí)施例示于圖37，除了載流電極的導(dǎo)電類型相反以及基極電極236和溝道區(qū)242的重疊部分249減小了以外，其結(jié)構(gòu)與圖36的DIFET230類似。DIFET255是本發(fā)明的四端器件的一個(gè)最佳實(shí)施例，它的層48是由非晶硅合金制成的，這是由于電子是做為補(bǔ)償載流子。在a-Si FETs中，由于電子帶遷移率比空穴帶遷移率高4或5，所以就需要這樣做。當(dāng)偏置電壓使場(chǎng)效應(yīng)晶體管230導(dǎo)通時(shí)，柵極就產(chǎn)生直接作用在多數(shù)載流子(即空穴)上的電場(chǎng)，空穴需要場(chǎng)助以獲得相當(dāng)高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。
通過控制由基極電極236注入進(jìn)層48的載流子，圖37所示的器件能夠獲得最佳中和。這可以很容易地通過調(diào)節(jié)加在基極236的電壓來實(shí)現(xiàn)，該基極電壓的大小是相對(duì)于加有電壓的漏極而言的。當(dāng)基極和漏極處于大約等電位的情況下，從基極236來的電子注入水平最高。顯著降低相對(duì)于漏極的基極電壓，能夠使電子注入超過上述最高水平，這被認(rèn)為是不希望的，因?yàn)檫@將導(dǎo)致在漏極和基極之間產(chǎn)生大量的不受柵極電壓控制的正偏二極管電流。相對(duì)于漏極214的電壓，升高基極234的電壓，來對(duì)該二極管反向偏置，可阻止漏極-基極電流。加到基極的電壓可以取自將電源加到漏極的同一個(gè)電源。該電壓可以通過例如關(guān)斷、接通開關(guān)240和/或改變可變電阻器258加以控制。另外，它也可以由加到接線端259上的、獨(dú)立控制的電流源或電壓源VA得到。對(duì)于任何一個(gè)給定的四端場(chǎng)效應(yīng)晶體管(例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管280)，所需要的漏極和基極間的準(zhǔn)確電位差，可以通過試驗(yàn)很容易地確定。
圖38表示另一個(gè)四端場(chǎng)效應(yīng)晶體管260，其結(jié)構(gòu)與圖35B中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管215非常相似，并能以同樣的方式工作。場(chǎng)效應(yīng)晶體管260中的最佳中和是這樣實(shí)現(xiàn)的仔細(xì)選擇與有源半導(dǎo)體層48有緊密接觸的p+電極層52和n+電極層46的有效表面積，以達(dá)到當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管260加合適的柵極電壓導(dǎo)通的時(shí)候，對(duì)于一給定的陽(yáng)極-陰極電壓，為層48提供正確的空穴、電子比。增大電極的有效面積能向?qū)?8注入更多的與電極材料同種電荷的載流子，盡管我們希望這種關(guān)系是非線性的。在場(chǎng)效應(yīng)管260中，n+電極層46的有效面積應(yīng)為層46和層48之間重疊部分262的面積。p+電極層52的有效面積應(yīng)為層48和52之間重疊部分264的面積。對(duì)于在層52(或?qū)?6)與層48之間形成界面的任何給定的半導(dǎo)體材料-注入材料的結(jié)合而言，載流了注入率(即在界面上加一定偏置的情況下，每單位面積注入的載流子數(shù))，可以很容易地由實(shí)驗(yàn)決定。然后選擇(或由實(shí)驗(yàn)決定)兩個(gè)接觸面的有效面積，以在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所要求的工作電壓下，優(yōu)化空間電荷的中和。
必須注意的是，在圖38所示的器件中，當(dāng)空間電荷更接近于平衡時(shí)，很少有載流子離開層48而進(jìn)入p+漏極電極214。這是因?yàn)樵趯?8中空穴的復(fù)合比被接觸層214收集要容易得多。當(dāng)空間電荷中和達(dá)到了最佳狀態(tài)時(shí);更多的陷阱被填充，并且輻射復(fù)合在整個(gè)載流子復(fù)合中占較高的比例。因此，DIFET260能夠發(fā)射出大量的光。具有適當(dāng)構(gòu)造及采用最佳中和的本發(fā)明的其它DIFET也可以如下圖所示的那樣用來發(fā)光。
圖39表示一種a-Si合金三端場(chǎng)效應(yīng)晶體管270，p+電極和n+電極的尺寸不同，正象前面所描述的那樣，利用電極的有效面積匹配，有助于獲得最佳中和，場(chǎng)效應(yīng)晶體管270的基本構(gòu)造方式與圖31的場(chǎng)效應(yīng)晶體管170相同，只是經(jīng)過一套附加的工序如涂光刻膠、光刻和顯影，這是為了沿層44、46、48和52做出垂直的外側(cè)271和274，沿層52、54和層44、46分別做出垂直的內(nèi)側(cè)272和273(為圖所示)。側(cè)面271和272之間的水平距離用來限定p+層52的有效面積的一維尺寸，側(cè)面273和274之間的水平距離用來限定n+層46的有效面積的一維尺寸，如同集成電路器件設(shè)計(jì)習(xí)慣一樣，如果DIFET270做直線設(shè)計(jì)，則距離262和264之比決定層46和52的有效面積之比。
圖39器件中的層48可以由一組子層48d和48e組成(如圖所示)。應(yīng)該指出，子層48e與柵極絕緣層152被子層48d隔開。另一方面，層48也可由單層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在前一種情況下，每個(gè)子層的帶隙都是截然不同的，這使得DIFET270能以兩種或兩種以上的波長(zhǎng)作選擇發(fā)射(例如可見光)。發(fā)射光的波長(zhǎng)可以小于帶隙寬度，特別是在非晶態(tài)材料中，那里大量的缺陷態(tài)還沒有填充。例如，層48d可以由基本上為本征的非晶硅合金制成，它的帶隙為1.7電子伏特(對(duì)應(yīng)于發(fā)射波長(zhǎng)約為7300?；蚋L(zhǎng))。例如，層48e可以由基本上為本征的非晶硅合金加入大量碳制成，以便產(chǎn)生大于1.7電子伏特的帶隙，例如為2.5電子伏特(對(duì)應(yīng)于發(fā)射波長(zhǎng)約為5000埃或更長(zhǎng))，在工作狀態(tài)下，隨著柵極電壓的增加，DIFET270的空間電荷區(qū)寬度也增加。因此，適當(dāng)改變施加的柵極電壓，DIFET270的輸出光的光譜也能隨之改變。場(chǎng)效應(yīng)晶體管270由選擇的第一柵極電壓驅(qū)動(dòng)，由于載流子在層48d中復(fù)合，主要以一個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射;由第二柵極電壓驅(qū)動(dòng)，由于載流子在層48d和48e中復(fù)合，則產(chǎn)生兩種波長(zhǎng)的發(fā)射，當(dāng)能帶彎曲區(qū)域的厚度，延伸進(jìn)層48d時(shí)，則產(chǎn)生前者的結(jié)果;當(dāng)能帶彎曲區(qū)域的厚度穿過全部層48d，并延伸進(jìn)層48e相當(dāng)長(zhǎng)一段距離時(shí)，則產(chǎn)生后者的結(jié)果。
一個(gè)具有單一同質(zhì)層48的DIFET(如上述后一種情況所提到的)，也可以通過改變柵極電壓，使其在不同的頻率發(fā)射光。具體地說，不管電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)位于部分未填充的缺陷態(tài)或位于擴(kuò)展態(tài)，由DIFET產(chǎn)生的發(fā)射光的頻率可在兩個(gè)或多個(gè)可區(qū)別的頻率(或窄頻帶)之間調(diào)制，通過調(diào)制柵極電壓，這些可區(qū)別的頻率含理地相互接近，以便改變電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之間的能量差。如果準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)確實(shí)位于擴(kuò)展態(tài)，提高柵極電壓將促使其進(jìn)一步伸入擴(kuò)展態(tài)。
DIFET光發(fā)射的幅度或強(qiáng)度也能通過改變柵極電壓而改變。光發(fā)射的幅度，甚至頻率，也能通過調(diào)制所施加的陽(yáng)極-陰極間的電壓而改變，因?yàn)檫@將也會(huì)影響DIFET中的電流。然而，后一種技術(shù)可能要比改變柵極電壓調(diào)制方法需要大得多的調(diào)制功率，因而，不認(rèn)為是一種理想的方法。
所產(chǎn)生的光可穿過在電極46和52之間的上水平表面269從DIFET270射出，如金屬54和44做得足夠厚以致基本上阻擋或反射這些發(fā)射，那么外側(cè)面271和274將不會(huì)給光提供出口。如果需要的話，可用適當(dāng)厚度的反光材料層來阻擋光從其它表面散失。也可以通過用透明的導(dǎo)電材料(如氧化銦錫或氧化錫)形成柵極層50，并用透明材料(如玻璃)做襯底42，使光從DIFET270的底部射出。
圖40A為本發(fā)明的一個(gè)三端場(chǎng)效應(yīng)晶體管275，它具有一個(gè)光學(xué)諧振腔，并用非晶半導(dǎo)體材料，最好是非晶硅合金，形成固態(tài)半導(dǎo)體激光器。此DIFET激光器275的結(jié)構(gòu)方式可與圖39的場(chǎng)效應(yīng)晶體管270的相似，但需要增加覆蓋差不多整個(gè)器件的頂絕緣層276和在器件中央的頂金屬層277。
熟悉固態(tài)激光器技術(shù)的人們均知道，固態(tài)激光器半導(dǎo)體中的基本發(fā)光機(jī)理，就是導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的直接復(fù)合。在一個(gè)合適的Fabry-Parot光學(xué)諧振腔里，當(dāng)一個(gè)光脈沖能在諧振腔里往返一次而不衰減時(shí)，光激射閾就達(dá)到了，它滿足下例公式R2R1exp〔(g-a)2w〕＝1其中R2，R1＝在諧振腔端的反射率g＝每一單位長(zhǎng)度的增益a＝每一單位長(zhǎng)度的吸收w＝諧振腔寬度諧振腔厚度(即，層48的厚度)最好是盡可能接近要發(fā)射的光子的四分之一波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，以減少光學(xué)損耗。眾所周知，在非晶硅器件技術(shù)中，由淀積非晶材料組成的多層結(jié)構(gòu)的每一層的厚度精確地控制。通過選擇DIFET275中的不同材料，這些層之間的折射率能獲得光學(xué)上明顯的改變，從而形成具有半導(dǎo)體激光器所需的重要的內(nèi)部反射的光學(xué)諧振腔。在DIFET275中一個(gè)或多個(gè)選擇層的溝道長(zhǎng)度、溝道寬度和厚度可以選擇，以形成一個(gè)合適的光學(xué)諧振腔。在一種結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體層48可以是二分之一或一個(gè)波長(zhǎng)厚。在半導(dǎo)體層48、絕緣層152和256之間的界面形成一組有間隔的平面諧振腔表面。側(cè)表面271和274形成可能的另一組平面諧腔表面，前后表面278和281形成可能的又一組平面諧振腔表面。如果在這些不同表面上界面的反射率足夠高，此光學(xué)諧振腔本身可適于產(chǎn)生在DIFET275中的激光作用。
如果要求光學(xué)諧振腔具有更高的內(nèi)部反射率，絕緣層152和276可采用對(duì)產(chǎn)生的相干光的波長(zhǎng)基本上透明的材料來制作，以便第二組平面反射諧振腔的表面可在這些絕緣層與金屬柵極層50和金屬覆蓋層277界面之間形成。在半導(dǎo)體激光技術(shù)界中所知道的任何合適的絕緣材料都可以使用。氮化硅、氧化硅或者高解電常數(shù)的絕緣體(如氧化鋰)均可令人滿意。絕緣層152和276可用不同的材料。選用于絕緣層276的材料的加工溫度不應(yīng)高到會(huì)損壞層48的電子或光學(xué)特性。圖40B是場(chǎng)效應(yīng)晶體管275的一部分的放大圖，它表明了在器件中各層最佳相對(duì)厚度與被產(chǎn)生的相干光波長(zhǎng)之間函數(shù)關(guān)系。請(qǐng)注意，歐姆接觸層46和52的厚度亦可以類似方式來控制，以形成與層44和52的部分界面。在圖40B所示類型的另一種最佳結(jié)構(gòu)中，層48為半波長(zhǎng)厚。還可以采用其它結(jié)構(gòu)，這結(jié)構(gòu)把光學(xué)諧振腔各組反射面以間距為四分之一波長(zhǎng)的偶數(shù)倍分隔開。
在圖40B所示類型的激光結(jié)構(gòu)中，層50和277最好采用對(duì)激光波長(zhǎng)具有高反射率的材料。例如如果半導(dǎo)體層48由非晶硅合金構(gòu)成，用銀、銅、金、鉻或鋁做為層50和277的高反射率材料可令人滿意。最好也用高反射率材料覆蓋構(gòu)成光學(xué)諧振腔的側(cè)面垂直側(cè)表面271和274。形成光學(xué)諧振腔后端的垂直表面281最好也覆蓋有反光性絕緣材料，要不然以任何合適的或傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)，使之形成具有基本上反射的端面，并且該端面不會(huì)使陽(yáng)極至陰極短接。形成光學(xué)諧振腔前端的垂直表面278最好部分反射，以提高兩個(gè)諧振腔端之間的激光作用。這也可以通過使用絕緣材料或以任何傳統(tǒng)的或合適的方式來達(dá)到。如圖40A所示，可形成金屬層52和54以給側(cè)表面271和274提供上述反光性覆蓋物。由一個(gè)具有如剛才所述的若干組反射諧振腔端面、反射側(cè)面和后表面的光學(xué)諧振腔，它提供了增加內(nèi)部反射，這使在較低輸入功率下實(shí)現(xiàn)激光作用變得較容易。
將還要講到，DIFET275對(duì)最大電流處理能力具有理想的中和作用。如果實(shí)踐證明通過使電極46和52的有效面積相匹配來達(dá)到或保持該中和作用太難時(shí)，那么在本發(fā)明的DIFET激光器中可用圖36或37的實(shí)施例中所教的利用基極電極中和來代替。如果DIFET275被非常充分地驅(qū)動(dòng)，在層48的a-Si合金半導(dǎo)體材料中足夠的缺陷態(tài)應(yīng)得到填充，以將電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分別推入導(dǎo)帶和價(jià)帶，由于缺陷態(tài)或陷阱應(yīng)基本上得到填充，所以允許發(fā)生有效能級(jí)的直接復(fù)合，從而產(chǎn)生光子發(fā)射。此時(shí)，假設(shè)光學(xué)諧振腔表面和端均充分具有反射性，則將達(dá)到光激射閾，相干光發(fā)射將發(fā)生。由于層50和277大量地阻擋光線，并且由于側(cè)面和后表面最好做成基本上是反射端面，那么大部分相干光將從層48的垂直前表面278發(fā)射出去，如寬箭頭279所示。為了把在DIFET275主軸282方向的激光作用擴(kuò)大到最大限度(該主軸在前后諧振腔端面之間延伸)，最好利用比較大的W/L溝道比。把DIFET 275中的溝道長(zhǎng)度減少至幾微米或更小，這才有可能增大電流，允許DIFET275在較低輸入功率下實(shí)現(xiàn)相干光發(fā)射。對(duì)于本發(fā)明的激光DIFET考慮了脈沖波和連續(xù)波(CW)工作。CW工作可能需要某種形式的散熱或冷卻。這可以利用在半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域：
眾所周知的技術(shù)的任何方式提供。
如前所述關(guān)于圖39，通過調(diào)制所施加的柵極電壓或通過調(diào)制載流電極之間的電壓來調(diào)制本發(fā)明的光發(fā)射DIFET的輸出光的幅度和頻率是可能的。這些調(diào)制技術(shù)也能用在本發(fā)明的DIFET激光器中。例如，由于上述光學(xué)諧振腔保證了在諧振腔標(biāo)稱諧振頻率的一個(gè)比較窄的頻帶內(nèi)的所選頻率上諧振，所以DIFET激光器的頻率調(diào)制是可能的。因此，通過借助柵電壓的改變來對(duì)光振幅或頻率進(jìn)行調(diào)制，本發(fā)明的發(fā)光和激光DIFET都可用于傳輸信息。因?yàn)閮H對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)制，因此不需要較大功率的放大器或開關(guān)。另外，內(nèi)行人應(yīng)理解，在需要時(shí)，通過適當(dāng)改變所加?xùn)烹妷?，本發(fā)明的發(fā)光和激光DIFET可在“關(guān)”態(tài)和“開”態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。換言之，較低功率的柵極信號(hào)就能控制DIFET的光輸出。這是由本發(fā)明的DIFET所固有的高功率增益的所保障的，并體現(xiàn)了優(yōu)于兩端點(diǎn)發(fā)光二極管和激光器(在其中主驅(qū)動(dòng)功率必須由獨(dú)立激勵(lì)功率元件進(jìn)行“關(guān)”和“開”態(tài)之間的轉(zhuǎn)換)的重要一點(diǎn)。這種通過改變柵極電壓進(jìn)行的光調(diào)制可以幾十或幾百兆赫的速率進(jìn)行，這使本發(fā)明的發(fā)光和激光DIFET在通信和計(jì)算機(jī)及其他應(yīng)用方面非常有價(jià)值。
圖29至40顯示了本發(fā)明的DIFET的各種橫向?qū)嵤├?，它們主要工作在增?qiáng)型。圖43顯示了增強(qiáng)型DIFET的一種縱向?qū)嵤├?。圖43中的DIFET285可用與圖19B的晶體管80a所用的相似的工藝步驟制作。DIFET285包括襯底42，具有金屬層44和n+型a-Si歐姆接觸層46的底電極;被底絕緣層62、側(cè)絕緣層152a和152b以及頂絕緣層64的絕緣材料所包圍的金屬柵極50;和包括由p+型a-Si歐姆接觸層和金屬層54的頂電極。DIFET285還包括至少一個(gè)窗口51p，該窗口在頂和底電極之間伸延，并通過柵極50和柵絕緣層62和64。窗口51p充滿了大致本征的a-Si半導(dǎo)體材料48，48形成了頂和底電極間的電流通路。正如就本發(fā)明的其它縱向?qū)嵤├忉尩?，可改變DIFET285各層的厚度，以適應(yīng)不同工作電壓。例如，作為說明例子，DIFET285的各層的厚度可為如下金屬層44和54，300至1，500埃;歐姆接觸層46和52-500至1，500埃;頂、側(cè)和底絕緣層62和64-300至1，000埃;金屬柵層50-4，000至20，000埃。絕緣層152a和152b間的窗口51p(如圖所示)的平均尺寸可為約半微米至幾微米。
為制作DIFET285，可在開始時(shí)把層44、46、62、50和64淀積成連續(xù)層(即其上沒有開口)。隨后，可在層64頂上淀積光致抗蝕劑，在曝光和顯影，以留下尺寸與圖43所示窗口51p的底部相符的膠窗口。此后，可對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子刻蝕，以產(chǎn)生窗口51p并形成層64、50和62(如圖43所示)。也可采用離子銑(窗口51p的V形形狀是由于光致抗蝕劑掩膜的鉆蝕造成的，這在較厚的層50上刻孔時(shí)是經(jīng)常發(fā)生的。)隨后，在把光致抗蝕劑除掉之后，淀積絕緣層152a和152b(如圖所示)。如果在區(qū)域46a中由絕緣層淀積工序所來的物質(zhì)過多，可用定向的反應(yīng)離子刻蝕將其除掉，這樣做將除掉區(qū)域46a中的多余物質(zhì)，但柵極絕緣層152a和152b不會(huì)除掉過多。接著淀積本征層48和p+歐姆接觸層52。其后，若需要，可通過刻蝕，或離子銑從層64上除掉本征材料，以及絕緣層152a和152b的淀積留在那里的任何多余物質(zhì)，而將剩出的結(jié)構(gòu)弄平。最后，可隨后淀積層152和金屬層54，從而完成DIFET285的制作。
根據(jù)所加?xùn)烹妷?，可增?qiáng)或減小DIFET285的陽(yáng)極54或陰極44間的正偏二極管電流。為使DIFET285工作于增強(qiáng)型，可把陰極44接地，并給陽(yáng)極加上幾伏的偏壓，同時(shí)把足夠的正電壓加到柵極50上。這樣在大致于p+電極52和n+電極46之間延伸的本征層48中產(chǎn)生出大致縱向的導(dǎo)電溝道242a和242b。為圖示目的，導(dǎo)電溝道242a和242b的外邊界分別用虛線244a和244b表示。歐姆接觸層46和52各有一積累區(qū)，其中含有與累積區(qū)導(dǎo)電類型相應(yīng)的高密度載流子，它們從其中向外延伸。例如，p+電極層52帶有積累區(qū)52a，其中包括有伸入本征層48至少約1，000埃的多余空穴(如點(diǎn)線52b所示)。類似地，n+電極層46帶有向外延伸至少1，000埃向積累區(qū)46a(如點(diǎn)線46b所示)。導(dǎo)電溝道242a和242b伸入積累區(qū)46a和52a中，因而保證了沿該溝道運(yùn)行的載流子不會(huì)碰到本征層48中的較高電阻區(qū)。因此，各導(dǎo)電溝道的總導(dǎo)電率是非常高的。
由于DIFET285的溝道長(zhǎng)度短，并工作于增強(qiáng)型，故它能在很高的電流密度和很高的開關(guān)速率下工作。借助于本發(fā)明的技術(shù)，特別是有關(guān)縱向晶體管結(jié)構(gòu)的技術(shù)，內(nèi)行人應(yīng)能容易地設(shè)計(jì)并制作出屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)的其它增強(qiáng)型縱向DIFET結(jié)構(gòu)。
雖然本發(fā)明晶體管的雙極實(shí)施例在上面被一般地描述為帶有分別由n+和p+半導(dǎo)體材料制作的層46和52，內(nèi)行人應(yīng)理解到，層46和52在許多實(shí)施例中可由p+和n+型半導(dǎo)體材料制成，而不改變這些實(shí)施例的基本行為和性能。同樣，在上面被一般地描述為雙極的各種實(shí)施例，如晶體管95、100、110、130和140，可由相同導(dǎo)電類型的材料構(gòu)成的歐姆接觸層46和52制成，而被作成單極器件。在這類晶體管的單極實(shí)施例中(如，那些用作邏輯門的晶體管)，可采用設(shè)置在電流通路電極之間的柵電極的同樣組合，但電流通路電極間的柵電極的相對(duì)位置、柵電極間的間距和加在柵極和電流通路電極上的電壓進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償本發(fā)明的雙極晶體管和單極晶體管間工作特性的不同。其它可能的變化對(duì)內(nèi)行人來說也是明顯的。例如，在本發(fā)明的各種VMIT實(shí)施例的大部分中，顯示為未絕緣的柵層可用與圖15和18所示的類似的方法進(jìn)行絕緣。
這里，本發(fā)明的描述是參考薄膜晶體管器件進(jìn)行的，該器件由非晶材料(如非晶硅合金)制成的半導(dǎo)體區(qū)或?qū)訕?gòu)成，然而，也可采用非晶硅合金以外的半導(dǎo)體材料。內(nèi)行人也應(yīng)容易地理解本發(fā)明對(duì)于用適當(dāng)近乎微晶、近乎多晶或其它薄膜半導(dǎo)體材料制成的TFT的適用性。作為說明而非限定，可用包括輝光放電淀積、化學(xué)汽相淀積、濺射、蒸發(fā)、離子度等的技術(shù)，淀積這些半導(dǎo)體材料，以及絕緣層和金屬層及電極層。
為制造外延生長(zhǎng)型的，或用單片單晶或在單晶片上制造的新穎單晶晶體管，行家應(yīng)理解在此所公開的新型晶體管結(jié)構(gòu)和原理的適用性。通過反應(yīng)本發(fā)明的技術(shù)，這些人可容易地對(duì)傳統(tǒng)晶體FET進(jìn)行修改，以利用本發(fā)明的新穎結(jié)構(gòu)和工作原理。在S.M.Sze的“半導(dǎo)體器件物理”(PHYSICS OF SEM ICONDUCTOR DEVICES，1981年第二版的第431-496頁(yè)，討論了一些傳統(tǒng)的單晶MOSFET，包括若干具有短溝道長(zhǎng)度的，這些都可進(jìn)行各種修改。其第312-358頁(yè)描述了一些可以這樣進(jìn)行修改的傳統(tǒng)晶體JFET和MESFET。因此Sze這篇論文的引用部分被選作參考文獻(xiàn)。在許多情況下，把傳統(tǒng)FET轉(zhuǎn)變?yōu)檫@里公開的一般型式的雙極FET僅需一點(diǎn)結(jié)構(gòu)改動(dòng)，即把這些傳統(tǒng)FET中的電流載流電極之一改變成相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。
圖41A至42B為本發(fā)明在單晶FET器件的適用性提供了簡(jiǎn)要說明。圖41A顯示了制作在適當(dāng)單品襯底282上的本發(fā)明的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖41A中襯底282的晶體最好是從足夠純或基本本征(即未摻雜)的半導(dǎo)體材料(如硅)外延生長(zhǎng)出來?；蛘撸r底282也可用摻雜晶體材料制作，只要采用已知的適當(dāng)防范措施或步驟來盡量減小電極和襯底間的漏電流。襯底282覆蓋有(如1，000至2，000埃)絕緣膜284(如二氧化硅或氮化硅)，膜內(nèi)開有窗口286和288，以分別使漏電極290與p+擴(kuò)散區(qū)292，源極294與n+區(qū)296實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。絕緣層284使柵極298同p+區(qū)292、n+擴(kuò)散區(qū)296、及位于p+和n+區(qū)之間的基本本征半導(dǎo)體區(qū)300實(shí)現(xiàn)電絕緣。區(qū)300最好是擴(kuò)散區(qū)292和296之間的襯底282的未摻雜部分。p+區(qū)292和漏極290分別對(duì)應(yīng)于29A中的p+層52和晶體管150的金屬層54。晶體管280的源極294和n+擴(kuò)散區(qū)296對(duì)應(yīng)于晶體管150的金屬電極44和n+層46。晶體管280的導(dǎo)電溝通或區(qū)300在功能上對(duì)應(yīng)于晶體管150的非晶半導(dǎo)體層48，因?yàn)?50的導(dǎo)電溝道就位于層48中。
除了導(dǎo)電區(qū)306摻雜有施主或n型雜質(zhì)，以促進(jìn)該導(dǎo)電溝道中的電子傳導(dǎo)之外，圖41B的雙極晶體305和圖41A的晶體管280的結(jié)構(gòu)完全相同。實(shí)際上，區(qū)306的摻雜濃度應(yīng)大大低于n+或p+區(qū)的摻雜濃度。最佳摻雜濃度可隨器件幾何尺寸和所需閥值電壓而變。溝道區(qū)306最好由輕摻雜n型半導(dǎo)體構(gòu)成(內(nèi)行人有時(shí)稱之為n-型或nu型半導(dǎo)體)。由于溝道306是由這種施主材料構(gòu)成，晶體管305作為雙極n溝道MOSFET時(shí)，其功能最好。換言之，在晶體管305的工作中，當(dāng)把正偏壓加到柵極298上，從而把過剩電子抽入溝道306時(shí)，達(dá)到了最佳電流。
圖41C顯示了本發(fā)明的另一種單晶襯底器件實(shí)施例，除了其導(dǎo)電區(qū)312由摻有受主或p型雜質(zhì)的本征材料制成，以促進(jìn)空穴在該導(dǎo)電溝道中的傳導(dǎo)之外，它基本上與圖41A的晶體管280相同。溝道區(qū)312最好是受主半導(dǎo)體材料或由輕摻雜p型半導(dǎo)體材料制成(有時(shí)稱之為p-型或pi型半導(dǎo)體)。雙極晶體管310的最佳多數(shù)載流子是空穴，而不是電子。通過在柵極298上加質(zhì)偏壓，可把空穴抽向柵極，從而形成為道。
在工作中，晶體管280、305和310都將流過雙極電流。然而與具有類似尺寸的幾何形狀的傳統(tǒng)單晶單極絕緣柵晶體管相比，在加有同樣電壓的情況下，在各溝道中兩種載流子的同時(shí)存在增大了電流密度和溝道深度。
在傳統(tǒng)p溝增強(qiáng)型MOSFET中，溝道區(qū)一般由輕摻雜n型材料構(gòu)成，而漏和源擴(kuò)散區(qū)由p+型材料構(gòu)成。類似地，在傳統(tǒng)n溝增強(qiáng)型MOSFET中，溝道區(qū)一般由輕摻雜p型材料構(gòu)成，而源和漏擴(kuò)散區(qū)一般由n+型材料構(gòu)成。當(dāng)這種MOSFET截止時(shí)，由于溝道和擴(kuò)散區(qū)間的一個(gè)結(jié)受到反向偏置，因而能達(dá)到極高的溝道電阻。由于DIFET280中的導(dǎo)電區(qū)300是由本征單晶材料構(gòu)成，故當(dāng)柵極298和溝道長(zhǎng)度不是太短時(shí)，導(dǎo)電區(qū)300具有相當(dāng)高的電阻。相反地，圖41B和圖41C所示的單晶DIFET摻有與主要載流子型號(hào)相同的雜質(zhì)。在這點(diǎn)上，它們類似于耗盡型MOSFET，其源和漏極之間的溝道一般擴(kuò)散與源和漏擴(kuò)散區(qū)類型相同的雜質(zhì)。這樣，不存在能截?cái)鄡蓚€(gè)電極間電流的反偏結(jié)。其摻雜濃度很高且溝道長(zhǎng)度較短，這些晶體管的截止電流可能不能夠適當(dāng)?shù)?。然而，在具有相同溝道長(zhǎng)度和nu型或pi型溝道區(qū)的晶體管中，由于較低摻雜使電阻率增加，其關(guān)閉電流(在不加?xùn)艍簳r(shí)可以足夠低。這樣，對(duì)適當(dāng)長(zhǎng)的溝道長(zhǎng)度，通過限制晶體管205的nu型溝道或晶體管210的pi型溝道中的摻雜量，就可在柵極未加電壓時(shí)，在這些晶體管中獲得適當(dāng)?shù)偷年P(guān)閉電流。然而，最好通過在這些晶體管的柵極加上偏壓，來關(guān)閉它們的溝道。這種柵偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)傾向于使主要載流子離開溝道區(qū)，從而使主要載流子數(shù)目大大減少，否則主要載流子會(huì)在溝道區(qū)中形成漂移電流。如前所述，主要載流子數(shù)目的減少會(huì)減少補(bǔ)償載流子。然而，該偏壓不應(yīng)過大，以免產(chǎn)生出主要由相反性的載流子構(gòu)成的溝道。
圖41A至41C的晶體管可用單晶技術(shù)中眾所周知的技術(shù)制作。簡(jiǎn)要地說，適于制作晶體管280的一種技術(shù)包括(1)在單晶硅片上生長(zhǎng)本征襯底(例如，厚為5至25微米);(2)在整個(gè)硅片上生長(zhǎng)一薄層絕緣材料;(3)用光刻刻蝕工藝除去窗口286處的絕緣層，并對(duì)該窗口進(jìn)行隔離擴(kuò)散，使p型雜質(zhì)通過該窗口透入i型外延層，從而形成p+區(qū)292;(4)在除掉該絕緣層的余留部分之后，生長(zhǎng)新的絕緣層，用光刻技術(shù)刻出窗口288，并通過該窗口把n型雜質(zhì)擴(kuò)散到本征層282中，以形成n+區(qū)296;(5)除去余留的絕緣材料，生長(zhǎng)新的絕緣層，光刻刻出一組與286和288相對(duì)應(yīng)的窗口，在窗口286與288內(nèi)制作摻雜區(qū)和金屬電極間的歐姆接觸;(6)在整個(gè)硅片上真空淀積一層薄的鋁膜，并隨后用光刻技術(shù)將所有的不需要鋁刻蝕掉，留下漏極290、源極294和柵極298所需的鋁圖形。
為制作圖41B的晶體管305，可用剛敘述的基本工藝，但要作如下修改在步驟(3)之前，絕緣材料用掩膜掩蔽，進(jìn)行刻蝕，以開孔，歐姆接觸層296和298及n型或nu型溝道區(qū)306位置就位于此。隨后，通過該孔，可用n型雜質(zhì)對(duì)襯底282進(jìn)行輕摻雜，以制成格外長(zhǎng)的nu型溝道區(qū)。隨后可按上面的步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行加工。內(nèi)行人應(yīng)能理解到，隨后形成的重?fù)诫s擴(kuò)散區(qū)292和296將完全起壓過或掩蓋住區(qū)292和296中的淀積的n型或nu型層的作用，從而使溝道306恢復(fù)到所需的長(zhǎng)度(如圖42B所示出)。
內(nèi)行人應(yīng)理解，圖41C的晶體管可用類似于制作晶體管305的方法制作。當(dāng)然，也可采用更先進(jìn)的集成電路制作技術(shù)，來制作圖41A至41C所示的單片晶體管器件。
如前所述，可容易地對(duì)許多常規(guī)FET結(jié)構(gòu)(非晶、多晶、晶體等)進(jìn)行修改，從而成為本發(fā)明的雙極FET或DIFET。在圖42中提供了一個(gè)這類例子。圖42A是連成互補(bǔ)MOS倒相器320(如圖42B所圖示)的兩個(gè)本發(fā)明DIFET或單晶體管的剖視圖。應(yīng)注意到，圖42B畫出了兩個(gè)改過的MOSFET電路符號(hào)，每個(gè)都帶有兩個(gè)而非通常的一個(gè)箭頭，以表示我們的新型FET，即DIFET的雙極電流。各符號(hào)中的全箭頭代表在p型和n型半導(dǎo)體材料間形成的二極半導(dǎo)體結(jié)，而各符號(hào)中的半箭頭表示n+和n-半導(dǎo)體材料，或p+與p-半導(dǎo)體材料間形成的歐姆半導(dǎo)體結(jié)。眾所周知，通過在同一基片上，采用互補(bǔ)p溝和n溝增強(qiáng)型MOS晶體管，CMOS器件把功耗降到了非常低的水平，圖42A中的晶體管Q1是p溝器件，晶體管Q2是n溝器件。在倒相器320中，陰極K和陽(yáng)極A2連在一起，且柵極G1和G2連在一起。這兩個(gè)晶體管Q1和Q2是串聯(lián)的，當(dāng)公共柵極端G處于邏緝1或邏緝0時(shí)，在任何時(shí)刻二者中僅有一個(gè)導(dǎo)通。由于在任何一種邏輯態(tài)中，都有一晶體管關(guān)閉，該倒相器320的靜止功耗為泄漏電流和加到陰極K2上的電源電壓(-VDD)的乘積。內(nèi)行人應(yīng)理解，通過組合圖42B所示的簡(jiǎn)單倒相器電路，可以制出更復(fù)雜的數(shù)字電路(如“或非”門、“與非”門的觸發(fā)器。
如內(nèi)行人所能理解的，本發(fā)明可按與這里所具體描述的不同的方式進(jìn)行實(shí)施。例如，行家能容易地通過對(duì)選自本發(fā)明的各實(shí)施例的器件進(jìn)行邏緝的和直接的組合，設(shè)計(jì)并制作出其它的DIFET和VMIT結(jié)構(gòu)(包括邏緝門)。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附權(quán)利要求
的范圍內(nèi)，本發(fā)明可按與上面所具體描述的不同的方法進(jìn)行實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)電子器件它包括響應(yīng)外加電壓，將雙極性載流子注到器件的半導(dǎo)體材料主體中的電流通路的裝置，其特征在于具有大體沿上述電流通路的長(zhǎng)度方向施加電場(chǎng)，用以增加上述電流通路中的雙極性電流的電場(chǎng)裝置，上述施加的電場(chǎng)與由上述所加電壓感應(yīng)出來的電場(chǎng)不同。
2.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，上述半導(dǎo)體材料或者是基本上本征的或者是摻雜的。
3.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，上述半導(dǎo)體材料選自一組包括單晶半導(dǎo)體材料，基本上為多晶的半導(dǎo)體材料，基本上為微晶的半導(dǎo)體材料，以及基本上為非晶的半導(dǎo)體材料在內(nèi)的半導(dǎo)體材料。
4.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，上述半導(dǎo)體材料為非晶硅合金。
5.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，電場(chǎng)裝置至少包括一個(gè)適于接受所加控制電壓的控制電極，上述控制電極大體沿上述電流通路的長(zhǎng)度方向延伸并緊靠著上述電流通路。
6.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于上述電場(chǎng)裝置包含有用于將上述控制電極和上述電流通路間的漏電流減至最小的勢(shì)壘裝置。
7.如權(quán)利要求
6所述的電子器件，其中，上述勢(shì)壘裝置選自一組包括絕緣材料，肖特基勢(shì)壘，以及反向偏置的半導(dǎo)體-半導(dǎo)體結(jié)在內(nèi)的電子勢(shì)壘。
8.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，當(dāng)施加上述電場(chǎng)并加上上述電壓時(shí)，上述電場(chǎng)裝置通過至少在上述電流通路的一個(gè)部分引起兩種極性的載流子密度的增加而改變上述電流通路的有效電導(dǎo)率。
9.如權(quán)利要求
8所述的電子器件，其中，上述半導(dǎo)體主體具有大量的缺陷態(tài)，而且上述增加了的載流子密度填滿了電流通路中上述缺陷態(tài)中相當(dāng)大的部分。
10.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，電流通路中由第一種極性的載流子引起的空間電荷至少中和掉一部分由第二種相反極性的載流子引起的空間電荷。
11.如權(quán)利要求
10所述的電子器件，其中，上述電流通路的深度實(shí)質(zhì)上由于上述中和作用而得到了增加。
12.如權(quán)利要求
10所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有優(yōu)化空間電荷中和作用的裝置。
13.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于上述雙極性載流子注入的裝置包括第一和第二電極，各個(gè)上述電極包含有一個(gè)重?fù)诫s半導(dǎo)體材料區(qū)域，用于將一種極性的載流子有效地注入到上述半導(dǎo)體材料的主體內(nèi)。
14.如權(quán)利要求
13所述的電子器件，其中，上述第一電極的上述區(qū)域是重?fù)诫s的n型半導(dǎo)體材料，而上述第二電極的上述區(qū)域是重?fù)诫sP型半導(dǎo)體材料。
15.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，半導(dǎo)體材料的上述主體有第一和第二區(qū)域，上述電流通路大體上只在上述第一區(qū)域內(nèi)，而其進(jìn)一步的特征在于，上述第二區(qū)域具有比上述第一區(qū)域多得多的缺陷態(tài)，以在上述電子器件截止時(shí)，促進(jìn)載流子的復(fù)合。
16.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于上述器件為縱向排列，而且包括第一電極和第二電極，所述第一電極與上述第二電極垂直隔開放置，而至少有一部分包含上述電流通路的半導(dǎo)體主體被置于其中，從而上述電流通路至少有相當(dāng)大一部分是非水平的。
17.如權(quán)利要求
16所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于上述電場(chǎng)裝置至少有一部分被局部地夾在上述半導(dǎo)體主體的上述部分中間。
18.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其中，上述器件為橫向排列，并包括一個(gè)與第二電極水平隔開一段距離水平放置的第一電極，同時(shí)，至少有一部分包含上述電流通路的半導(dǎo)體主體置于其間，由此，至少相當(dāng)一部分上述電流通路大體上是水平的。
19.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有用于從上述電流通路中獲得一種極性的載流子的裝置。
20.如權(quán)利要求
1所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有用于沿上述電流通路的一部分施加第二個(gè)電場(chǎng)，以便減小上述電流通路中的雙極性電流的第二電場(chǎng)裝置，上述第二個(gè)電場(chǎng)與由上述所加電壓感應(yīng)出的電場(chǎng)不同。
21.一種固態(tài)發(fā)光電子器件，它包括同于相應(yīng)于外加電壓，將雙極載流子注入到所述電流通路中的裝置，其特征在于具有至少沿上述電流通路的一部分施加電場(chǎng)，以在上述電流通路中產(chǎn)生空穴和電子的輻射復(fù)合，結(jié)果獲得可用強(qiáng)度的光發(fā)射的電場(chǎng)裝置。上述施加的電場(chǎng)與由上述所加電壓感應(yīng)出的電場(chǎng)不同。
22.如權(quán)利要求
21所述的發(fā)光器件，其中，上述半導(dǎo)體材料的主體選自一組包含單晶半導(dǎo)體材料、基本上為多晶的半導(dǎo)體材料，以及基本上為微晶的半導(dǎo)體材料在內(nèi)的半導(dǎo)體材料。
23.如權(quán)利要求
21所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，上述半導(dǎo)體材料為非晶半導(dǎo)體材料。
24.如權(quán)利要求
23所述的電子器件，其中，上述非晶半導(dǎo)體材料包括非晶硅合金。
25.如權(quán)利要求
21所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有在上述電流通路的一部分上產(chǎn)生最佳的空間電荷中和以增加輻射復(fù)合的裝置。
26.如權(quán)利要求
21所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有籍助于改變上述施加的電場(chǎng)來改變發(fā)光頻率的裝置。
27.如權(quán)利要求
21所述的電子器件，其進(jìn)一步的特征在于具有籍助于改變上述施加的電場(chǎng)來改變上述發(fā)光幅度的裝置。
28.一種晶體管，它包括一個(gè)底部電極淀積在上述底部電極上的基本上為非晶的半導(dǎo)體材料的主體;在上述半導(dǎo)體材料主體上形成頂部電極，上述半導(dǎo)體材料的主體與上述頂部及底部電極電連接，被設(shè)置在該兩電極間，以形成電流導(dǎo)電通路，該晶體管的特征在于一個(gè)控制電極置于上述頂部及底部電極之間，并至少有一個(gè)窗口，至少有一部分上述半導(dǎo)體材料和一部分上述電流通路穿過該窗口，確定上述控制電極的位置和上述窗口的尺寸，以便使其能至少在上述窗口中的上述那部分電流通路施加一可控可變的電場(chǎng)，從而控制上述頂部及底部電極之間的電流流動(dòng)。
29.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中，上述非晶半導(dǎo)體材料為非晶硅合金。
30.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中，上述控制電極距離與上述頂部和底部電極中的一個(gè)比距離另一個(gè)近得多。
31.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中上述控制電極是由與上述半導(dǎo)體材料主體形成整流結(jié)的材料制成的。
32.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中，在上述控制電極層中至少有一個(gè)半導(dǎo)體材料穿過的窗口是足夠窄的，這樣，在控制電極材料及半導(dǎo)體主體材料之間形成的整流結(jié)，所提供的電場(chǎng)足以把載流子全部排出上述窗口，而不用對(duì)上述控制電極使用外加電壓，因此，上述晶體管在不對(duì)其控制電極加電壓時(shí)趨于關(guān)斷。
33.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，它還包括至少一個(gè)電絕緣材料層，該絕緣層將靠近上述電流通路的上述控制電極的主要部分與上述半導(dǎo)體材料主體隔開。
34.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中，上述頂部和底部電極兩者都具有實(shí)際上只把相同極性的載流子注入到上述半導(dǎo)體材料主內(nèi)的性質(zhì)，因而，上述晶體管電流通路中的電流基本上只包含一種類型的載流子。
35.如權(quán)利要求
28所述的晶體管，其中，靠近上述控制電極至少有一部分上述電流通路是足夠窄的，這樣，由控制電極材料及半導(dǎo)體主體材料之間的接觸形成的整流結(jié)自身的電場(chǎng)擴(kuò)展到足以將載流子自整個(gè)上述電流通路上述部分排拆走，而不必對(duì)上述控制電極使用外加電壓，因此，上述晶體管在不對(duì)其控制電極加電壓時(shí)就趨于關(guān)斷。
36.一種晶體管，它包括一個(gè)底部電極;在上述底部電極上形成的半導(dǎo)體材料主體;以及在上述半導(dǎo)體材料主體上形成的頂部電極;該晶體管的特征在于具有位于上述頂部和底部電極間的許多控制電極，上述控制電極相互處于電隔離，而各電極均有獨(dú)自分開的電輸入端，上述半導(dǎo)體材料主體與上述頂部和底部電極電連接，并在其間形成電流傳導(dǎo)通路。上述各個(gè)控制電極的設(shè)置，是為了要在部分上述電流通路上施加一可控可變的電場(chǎng)，從而大大地改變上述電流通路中的上述部分電流的流動(dòng)。
37.如權(quán)利要求
36所述的晶體管，其中，上述許多控制電極一個(gè)疊于一個(gè)之上地置于在上述頂部和底部電極之間，各上述控電極具有一個(gè)供上述電流通路穿過的窗口，穿過一個(gè)電極上的窗口的那部分電流通路與穿過另一個(gè)它電極上的窗口的那部分電流通路串聯(lián)。
38.如權(quán)利要求
36所述的晶體管，其中，上述各控制電極均具有一個(gè)上述電流通路穿過的窗口，穿過一個(gè)電極上的窗口的那部分電流通路與穿過其它電極上的窗口的那部分電流通路相并聯(lián)。
39.如權(quán)利要求
36所述的晶體管，其中，設(shè)置上述許多電隔離的電極，以把它們各自的可控可變的電場(chǎng)施加在上述電流通路的共同部分。
40.如權(quán)利要求
39所述的晶體管，其中上述控制電極處于同一平面。
專利摘要
一種固態(tài)電子器件，它包括響應(yīng)外加電壓，將雙極性載流子注入到器件的半導(dǎo)體材料主體中的電流通路的裝置，其特征在于具有大體沿上述電流通路的長(zhǎng)度方向施加電場(chǎng)，以增加上述電流通路中的雙極性電流的電場(chǎng)裝置，還具有固態(tài)發(fā)光電子器件和晶體管。上述施加的電場(chǎng)與由上述所加電壓感應(yīng)出來的電場(chǎng)不同。
文檔編號(hào)H01L29/812GK86105609SQ86105609
公開日1987年4月29日 申請(qǐng)日期1986年7月26日
發(fā)明者伍洛迪米爾·克蘇巴蒂, 邁克爾·G·哈克, 邁克爾·舒爾 申請(qǐng)人:能量轉(zhuǎn)換裝置公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan