徑向納米線江崎二極管裝置和方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]呈柵控江崎二極管(例如，具有負(fù)電阻特征和/或以反向或齊納方向操作的柵控二極管)形式的隧道或隧穿場(chǎng)效晶體管(“TFET”)目前被認(rèn)為用于在VDD〈 0.3V操作的數(shù)字應(yīng)用。這些晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)在于可能使用在晶體管低于kT/q發(fā)熱限制而操作的情況下的陸斜率，以減小的柵極擺幅(gate swing),減小斷開(kāi)電流。晶體管操作依靠帶通效應(yīng),其中，基于經(jīng)由晶體管柵極控制的跨能帶隙的隧穿(例如，電子從η型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶隧穿到Pn結(jié)的相鄰P型半導(dǎo)體材料的價(jià)帶內(nèi))獲得驅(qū)動(dòng)電流。因?yàn)槟軒蹲钃趿溯d流子的直接隧穿，則由有限數(shù)量的可用狀態(tài)而減小了斷開(kāi)電流。
[0002]隧道晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)包括驅(qū)動(dòng)電流，即在接通狀態(tài)相反亞閾值斜率(或亞閾值擺幅)的電流水平以及限定晶體管可能如何準(zhǔn)確地?cái)嚅_(kāi)的斷開(kāi)狀態(tài)電流。斷開(kāi)狀態(tài)對(duì)于TFET而言通常不成問(wèn)題，因?yàn)閿嚅_(kāi)狀態(tài)電流由ρη結(jié)的反向泄漏電流決定。通常，已知難以在亞閾值區(qū)域獲得高驅(qū)動(dòng)電流以及陡斜率。問(wèn)題的部分涉及需要柵電極與ρη結(jié)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，其中未對(duì)準(zhǔn)將減輕柵效應(yīng)并且降低跨結(jié)的電場(chǎng)。在結(jié)的任一側(cè)上的高摻雜水平將增加驅(qū)動(dòng)電流，但另一方面，高摻雜水平將使反亞閾值斜率降級(jí)，這是由于在能帶隙中引入帶尾狀態(tài)。陡斜率隧道裝置的重要方面是參與隧穿的熱激勵(lì)載流子量；在結(jié)附近感應(yīng)的任何可能的空穴將引入熱載流子群(經(jīng)由費(fèi)米-狄拉克函數(shù))。如果由那些載流子供應(yīng)隧穿，亞閾值擺幅立即降級(jí)到最佳地60毫伏/十進(jìn)位(mV/decade)(熱注入載流子的理論極限)。這通常是TFET裝置的情況。
[0003]還已知江崎二極管優(yōu)選地利用具有小的有效質(zhì)量的材料制成以增加隧穿電流/隧道電流(tunneling current)并且異質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)選地用以增加驅(qū)動(dòng)電流,一個(gè)示例是InAs/GaSb0另一問(wèn)題是Dit效應(yīng)，其將增加斜率并且特別地對(duì)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)裝置而言，識(shí)別并且處理與不同半導(dǎo)體材料兼容的高k電介質(zhì)是有挑戰(zhàn)性的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一實(shí)施例中，一種包括徑向納米線江崎二極管的裝置，其中徑向納米線包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體芯和不同于第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體殼。
[0005]在一實(shí)施例中，該裝置包括柵控江崎二極管(例如，TFET)，其包括徑向半導(dǎo)體納米線。在徑向半導(dǎo)體納米線的相反摻雜芯與殼之間的隧穿電流基本上平行于由柵電極提供給徑向半導(dǎo)體納米線的電場(chǎng)而流動(dòng)。
[0006]在另一實(shí)施例中，該裝置包括多結(jié)太陽(yáng)能電池，多結(jié)太陽(yáng)能電池包括平面太陽(yáng)能電池和所述徑向納米線江崎二極管。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1A和圖1B分別是沿著線B’ -B和A’ -A的徑向納米線TFET裝置的相應(yīng)頂視和側(cè)視截面圖。圖1C為圖1A和圖1B的裝置的能帶圖。
[0008]圖2示出了 TFET的替代實(shí)施例的側(cè)視截面圖。
[0009]圖3為徑向和軸向TFET的漏電流(漏極到源極電流)與柵極電壓(柵極到源極電壓)關(guān)系的模擬曲線圖。
[0010]圖4和圖5分別為徑向和軸向TFET的漏極電流(漏極到源極電流)與柵極電壓(柵極到源極電壓)關(guān)系的模擬曲線圖。
[0011]圖6至圖7為徑向TFET的尺寸曲線圖以及圖8至圖9為軸向TFET的尺寸曲線圖。
[0012]圖1OA和圖1OB分別為包含軸向和徑向納米線的模擬TFET的右側(cè)部分的側(cè)視截面圖，其分別用于圖4、圖6、圖7和圖5、圖8、圖9的相應(yīng)模擬。
[0013]圖1OC示出了圖1OB所示的結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例。
[0014]圖1lA至圖1lD為本發(fā)明的實(shí)施例的多結(jié)太陽(yáng)能電池的側(cè)視截面圖。
[0015]圖12A和圖12B為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，作為溫度函數(shù)的電流與電壓關(guān)系和PVCR與溫度關(guān)系的相應(yīng)曲線圖，以示出江崎二極管的溫度相關(guān)性電流-電壓特征。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的實(shí)施例是基于包括所謂的納米線的納米結(jié)構(gòu)。對(duì)于本申請(qǐng)的目的，納米線被解釋為在它們的寬度和直徑方面具有納米尺寸并且通常具有細(xì)長(zhǎng)形狀。這種結(jié)構(gòu)通常也被稱作納米須、納米桿、納米管、一維納米元件等。
[0017]優(yōu)選地，納米線基本上為桿形半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有小于I微米的直徑，諸如50mm或更小和多達(dá)數(shù)微米的長(zhǎng)度。納米線在其基部處連接到基板，基板可包括在納米線下方的外延半導(dǎo)體層。
[0018]熟知的是通過(guò)粒子輔助生長(zhǎng)或所謂的VLS (氣-液-固)機(jī)制在基板上形成納米線的基本工藝(描述于美國(guó)專利N0.7，335，908，其以全文引用的方式并入到本文中)以及不同類型的化學(xué)束外延和氣相外延方法。然而，本發(fā)明并不限于這種納米線也不限于這種VLS工藝。
[0019]在本領(lǐng)域中已知用于生長(zhǎng)納米線的其它合適方法并且例如在美國(guó)專利N0.7，829，443中示出，該專利以全文引用的方式并入到本文中。由此得出可以不使用粒子作為催化劑來(lái)生長(zhǎng)納米線。
[0020]納米線穿過(guò)生長(zhǎng)掩模中的開(kāi)口而突伸，諸如由氮化硅制成的掩模或另一絕緣層。通過(guò)首先在基板上設(shè)置生長(zhǎng)掩模并且在生長(zhǎng)掩模中產(chǎn)生開(kāi)口來(lái)生長(zhǎng)納米線。開(kāi)口優(yōu)選地在它們的直徑和它們的相對(duì)定位方面受到良好控制。在本領(lǐng)域中已知的若干技術(shù)可以用于這個(gè)過(guò)程，包括(但不限于)電子束光刻(EBL)、納米壓印光刻、光學(xué)光刻和反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)或濕式化學(xué)蝕刻方法。優(yōu)選地，開(kāi)口具有大約10nm直徑并且以0.5-5 μ m間距間隔開(kāi)。開(kāi)口限定待生產(chǎn)的納米線的位置和直徑。半導(dǎo)體納米線芯然后通過(guò)基于CVD的工藝而生長(zhǎng)。然后可以圍繞芯形成徑向半導(dǎo)體殼。
[0021]因此，也可包括選擇性地生長(zhǎng)的納米線和納米結(jié)構(gòu)、蝕刻結(jié)構(gòu)、其它納米線、和由納米線制成的結(jié)構(gòu)。
[0022]納米線沿著其徑向方向(或者對(duì)于當(dāng)從頂部觀看時(shí)具有非圓形截面的納米線而言，寬度方向)并不均勻。納米尺寸不僅能允許在不存在有與納米線材料匹配的晶格的基板上生長(zhǎng)，而且也可以在納米線中設(shè)置異質(zhì)結(jié)構(gòu)。(多個(gè))異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括與納米線的一個(gè)或多個(gè)相鄰殼部分不同組成的半導(dǎo)體材料芯。(多個(gè))殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)段的材料可以具有與芯不同的組成和/或摻雜。異質(zhì)結(jié)可以是突然的或緩變的。
[0023]本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種納米線TFET裝置(例如，柵控江崎二極管)其中隧穿電流在納米線結(jié)構(gòu)的徑向方向上流動(dòng)并且其中圍柵用于控制電流流動(dòng)，使得柵電場(chǎng)基本上平行于隧穿電流流動(dòng)。在一實(shí)施例中，在納米線二極管的η型部分與P型部分之間的隧穿電流基本上平行于(例如，在平行的0-20度內(nèi))支承著納米線的主基板表面和/或基本上垂直于(例如，在垂直的20度內(nèi))朝向納米線和位于納米線與柵電極之間的柵絕緣層的柵電極表面而流動(dòng)。這允許同時(shí)調(diào)制電位以及電場(chǎng)，電位和電場(chǎng)都有助于構(gòu)成跨二極管的P-η或p-1-n結(jié)的電流。
[0024]在具有不同大多數(shù)載流子的納米線的兩個(gè)區(qū)段(諸如，P型芯與η型殼或反之亦然)之間調(diào)制了在徑向隧穿場(chǎng)效晶體管中的隧穿電流。當(dāng)通過(guò)熱激勵(lì)載流子的運(yùn)輸最少并且載流子運(yùn)輸主要受直接隧穿機(jī)制支配時(shí)獲得最大隧穿運(yùn)輸效率。所提到的裝置將著重于/加強(qiáng)了隧穿貢獻(xiàn)并且限制了其它貢獻(xiàn)，諸如熱激勵(lì)的載流子和在偏置條件下的擴(kuò)散性運(yùn)輸。還可以由在源極與漏極中的載流子庫(kù)之間引入的屏障來(lái)進(jìn)一步提高在前述貢獻(xiàn)之間的比例。屏障或“插塞”可包括高能帶隙半導(dǎo)體或緩變半導(dǎo)體并且起到最小化垂直于從柵極施加的電場(chǎng)的泄漏電流的目的，柵極被定位成使得主導(dǎo)隧穿電流平行于由柵極施加的電場(chǎng)。
[0025]圖1A至圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施的TFET。納米線優(yōu)選地包括斷裂或交錯(cuò)的能隙ρ-η結(jié),諸如由高-k柵介質(zhì)和圍柵包圍的(Al)GaSb/InAs(Sb)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)。具體而言，納米線I生長(zhǎng)于η型源極區(qū)域3上，諸如在基板上的η型InAs層和/或在基板中的η型摻雜InAs區(qū)域。納米線包括η型InAsSb納米線桿和與源極區(qū)域接觸的徑向殼部5和ρ型AlGaSb納米線上芯部7。柵絕緣層，諸如高k電介質(zhì)層(例如，二氧化鉿、氧化鋁、氧化鉭等)9包圍所述殼5。柵電極11鄰近于柵絕緣層9而定位，使得柵絕緣層9夾在柵電極11與納米線殼5之間。優(yōu)選地，但并非必需地，柵電極11為中空?qǐng)A柱形圍柵，其完全包圍柵絕緣層9，如圖1A所示。替代地，柵電極11可以鄰近于柵絕緣層的一個(gè)或多個(gè)部分定位，而不是完全包圍柵絕緣層。P型GaSb漏極區(qū)域13被定位成在納米線I的上部處與芯7接觸。源電極和漏電極(為了清楚起見(jiàn)未圖示)與相應(yīng)源極3區(qū)域和漏極13區(qū)域接觸。若需要，在納米線I外側(cè)的單獨(dú)源極區(qū)域3和/或漏極區(qū)域13可以被省略并且源電極和漏電極可以直接接觸納米線I的相應(yīng)區(qū)域5和7，相應(yīng)區(qū)域5和7將會(huì)充當(dāng)TFET的相應(yīng)源極區(qū)域和漏極區(qū)域。而且，η型區(qū)域和P型區(qū)域的位置在二極管中可以顛倒并且可以使用任何其它合適半導(dǎo)體材料來(lái)代替上文所描述的材料。在一特定替代實(shí)施例中，納米線芯包括由P-型(Al)GaSb殼包圍的η型InAsSb芯。在此實(shí)施例中，不僅摻雜類型顛倒，相對(duì)應(yīng)的材料也顛倒。任何其它合適材料可以用于