ДИОД НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК-МЕТАЛЛ (МПМ) Российский патент 2017 года по МПК H01L29/861 H01L21/329 

ЗАЯВЛЕНИЕ ОБ УСТАНОВЛЕНИИ ПРИОРИТЕТА

Эта заявка испрашивает преимущество приоритета предварительной заявки на патент США с порядковым №61/687163, поданной 19 апреля 2012 г., полное содержание которой включено сюда посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к диодам вообще и, в частности, к устройствам быстродействующих диодов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычные диоды имеют предельную частоту в высоком гигагерцевом (ГГц) или низком терагерцевом (ТГц) диапазоне (например, предельную частоту менее чем 10 ТГц), которая устанавливает предел рабочего частотного диапазона. Примеры таких диодов включают в себя диод Шоттки, обращенный туннельный диод и туннельный диод со структурой металл-диэлектрик-металл (МДМ).

Быстродействующие диоды, например диоды, имеющие предельную частоту более 10 ТГц, являются ключевыми элементами для широкого диапазона применений. Например, быстродействующий диод, объединенный с оптической антенной (называемой антенной-выпрямителем), может приводить к операциям при оптических частотах, такие как генерация когерентного излучения и обнаружение от инфракрасных до дальних инфракрасных сигналов, и выпрямление солнечного излучения для преобразования энергии. В этих операциях оптическая антенна отвечает за улавливание света и эмиссию, в то время как диод должен действовать достаточно быстро, чтобы выравнивать соответствующие оптические частоты и обладать другими требуемыми вольт-амперными (В-А) характеристиками, такими как превосходные нелинейность и выпрямление. Таким образом, получение сильно нелинейных диодов, имеющих предельную частоту и быстродействие выше, чем 100 ТГц, имеет глубокое технологическое и научное значение.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее раскрытие описывает устройство и способы, относящиеся к диоду на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (МПМ). Толщина слоя кристаллического полупроводника МПМ-диода меньше, чем средняя длина свободного пробега носителей заряда, эмитированных в полупроводниковый слой данного МПМ-диода, или сравнима с ней, что может вызывать почти баллистический перенос носителя через этот полупроводниковый слой и привести к исключительно высокой плотности тока термоионной эмиссии и, кроме того, к проявлению превосходных нелинейности и выпрямления. Последовательное сопротивление МПМ-диода может быть сверхнизким. Предельная частота МПМ-диода может превышать 100 ТГц.

В одном аспекте настоящего раскрытия диод содержит: полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя основывается на средней длине свободного пробега носителя заряда, эмитированного в этот полупроводниковый слой; первый металлический слой, осажденный на первой стороне полупроводникового слоя; и второй металлический слой, осажденный на второй стороне полупроводникового слоя.

Реализации данного раскрытия могут включать в себя один или более из следующих признаков. Толщина полупроводникового слоя может быть сопоставимой со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводниковый слой, или быть меньше нее. В некоторых реализациях диод может иметь предельную частоту, превышающую 100 ТГц. В некоторых реализациях диод может иметь предельную частоту, превышающую 1000 ТГц. В некоторых реализациях первый металлический слой и второй металлический слой могут быть одинаковым металлом. В некоторых реализациях первый металлический слой может быть первым металлом, второй металлический слой может быть вторым металлом, а эти первый металл и второй металл могут быть разными металлами. Граница раздела полупроводникового слоя может быть легирована до состояния вырождения для создания омического контакта. Полупроводниковый слой может включать в себя один или более монокристаллических полупроводников, поликристаллических полупроводников или комбинацию. Полупроводниковый слой может включать в себя один или более полупроводников, таких как кремний (Si), германий (Ge), кремний-германий (SiGe), антимонид алюминия (AlSb), антимонид галлия (GaSb), арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), арсенид индия (InAs), арсенид индия-галлия (InGaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InP), селенид кадмия (CdSe), теллурид кадмия (CdTe), сульфид кадмия (CdS), селенид цинка (ZnSe), теллурид цинка (ZnTe), сульфид цинка (ZnS), оксид цинка (ZnO), оксид титана (TiO₂), сульфид свинца (PbS) и теллурид свинца (PbTe). Первый металлический слой и второй металлический слой каждый может включать в себя по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из серебра (Ag), алюминия (Al), золота (Au), кобальта (Co), хрома (Cr), меди (Cu), гадолиния (Gd), гафния (Hf), индия (In), иридия (Ir), магния (Mg), марганца (Mn), молибдена (Mo), никеля (Ni), свинца (Pb), палладия (Pd), платины (Pt), родия (Rh), тантала (Ta), титана (Ti), вольфрама (W) и цинка (Zn). Диод может быть диодом на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (МПМ-диод), где данный МПМ-диод дополнительно содержит: гетеропереход между полупроводниковым слоем и одним или более из первого металлического слоя и второго металлического слоя.

В другом аспекте настоящего раскрытия способ изготовления диода содержит: обеспечение полупроводника, имеющего первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом полупроводник имеет толщину между первой стороной и второй стороной, и эта толщина основывается на средней длине свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводник; осаждение первого металла на первой стороне полупроводника; и осаждение второго металла на второй стороне полупроводника.

Реализации данного раскрытия могут включать в себя один или более из следующих признаков. Получение полупроводника может включать в себя получение подложки из нанесенных слоями материалов, которая включает в себя слой, содержащий этот полупроводник и один или более других слоев, содержащих по меньшей мере один материал, который отличается от этого полупроводника, связывание первой стороны этого полупроводника с несущей пластиной с расположением первого металла между полупроводником и несущей пластиной и удаление упомянутых одного или более других слоев для вскрытия второй стороны полупроводника. В некоторых реализациях осаждение первого металла на первой стороне полупроводника может включать в себя формирование рисунка первой стороны полупроводника. В некоторых реализациях осаждение первого металла на первой стороне полупроводника может включать в себя осаждение первого металла непосредственно на первую сторону полупроводника в виде равномерной металлической пленки. Связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной может включать в себя связывание первой стороны этого полупроводника с несущей пластиной с использованием адгезива. Способ может включать в себя легирование поверхности слоя полупроводника до состояния вырождения для создания омического контакта.

В еще одном аспекте настоящего раскрытия диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл p-типа (МПМ-диод) содержит: слой кремния, имеющий первую сторону и вторую сторону, противоположную первой стороне, при этом поверхность первой стороны легирована бором с концентрацией на поверхности 1×10²⁰ см^-3, при этом слой кремния имеет толщину между первой стороной и второй стороной, причем толщина слоя кремния составляет 30 нм; слой платины, осажденный на первой стороне слоя кремния; первую гетеропереходную границу раздела между слоем кремния и слоем платины; слой кобальта, осажденный на второй стороне слоя кремния; и вторую гетеропереходную границу раздела между слоем кремния и слоем кобальта.

В еще одном аспекте настоящего раскрытия диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл n-типа (МПМ-диод) содержит: слой кремния, имеющий первую сторону и вторую сторону, противоположную первой стороне, при этом поверхность первой стороны легирована фосфором с концентрацией на поверхности 2×10²⁰ см^-3, при этом слой кремния имеет толщину между первой стороной и второй стороной, причем толщина слоя кремния составляет 60 нм; первый слой хрома, осажденный на первой стороне слоя кремния; первую гетеропереходную границу раздела между первым слоем хрома и слоем кремния; второй слой хрома, осажденный на второй стороне слоя кремния; и вторую гетеропереходную границу раздела между вторым слоем хрома и слоем кремния.

Подробности одной или более реализаций излагаются на сопровождающих чертежах и в описании ниже. Другие признаки, задачи и преимущества станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает пример диода на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (МПМ).

Фиг. 2a-d показывают примеры диаграмм энергетических зон для различных МПМ-диодов.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему алгоритма процесса изготовления МПМ-диода.

Фиг. 4 показывает виды сбоку МПМ-диода во время различных стадий изготовления.

Фиг. 5 представляет собой график, показывающий примеры характеристик плотности тока от напряжения (J-V) для МПМ-диодов с легированием поверхности или без него.

Фиг. 6 представляет собой график, показывающий примеры J-V характеристик для различных МПМ-диодов и диода Шоттки.

Фиг. 7a-c показывают примеры диаграмм энергетических зон, соответствующие различным МПМ-диодам по фиг. 6.

Фиг. 7d показывает пример диаграммы энергетических зон, соответствующий диоду Шоттки по фиг. 6.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг. 1 показывает пример диода 100 на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (МПМ). Как показано на фиг. 1, МПМ-диод 100 включает в себя тонкий слой полупроводника 102, помещенный между двумя металлическими электродами 104 и 106. Полупроводник 102 может быть кристаллическим полупроводником, например, кристаллическим полупроводником в виде монокристалла или поликристаллическим полупроводником. Толщина 116 полупроводника 102 основывается на, например, близка к средней длине свободного пробега носителей заряда или сравнима с ней, что может вызывать почти баллистический перенос носителя через полупроводниковый слой 102. Гетеропереходы 112 и 114 МПМ-диода 100 могут включать в себя две контактные границы раздела и энергетические барьеры на противоположных сторонах полупроводникового слоя 102. Несимметричную структуру энергетических зон формируют либо с помощью выбора различных материалов для металлов 104 и 106, либо с помощью селективного легирования одной стороны полупроводникового слоя 102.

МПМ-диод 100 на гетеропереходах может быть сконструирован с использованием подходящих полупроводниковых и металлических материалов. Полупроводник 102 может быть, но не ограничивается этим, кремнием (Si), германием (Ge), кремнием-германием (SiGe), антимонидом алюминия (AlSb), антимонидом галлия (GaSb), арсенидом галлия (GaAs), антимонидом индия (InSb), арсенидом индия (InAs), арсенидом индия-галлия (InGaAs), фосфидом индия (InP), селенидом кадмия (CdSe), теллуридом кадмия (CdTe), сульфидом свинца (PbS) и теллуридом свинца (PbTe). Металлы 104 и 106 по обе стороны полупроводника 102 могут быть, но не ограничиваются этим, серебром (Ag), алюминием (Al), золотом (Au), кобальтом (Co), хромом (Cr), медью (Cu), гадолинием (Gd), гафнием (Hf), индием (In), иридием (Ir), магнием (Mg), марганцем (Mn), молибденом (Mo), никелем (Ni), свинцом (Pb), палладием (Pd), платиной (Pt), родием (Rh), танталом (Ta), титаном (Ti), вольфрамом (W) и цинком (Zn). Могут быть использованы другие подходящие материалы, отличные от перечисленных выше. Предельная частота МПМ-диода может быть настроена посредством выбора различных комбинаций полупроводника и металлических материалов.

Фиг. 2a-d показывают примеры диаграмм 200, 210, 220 и 230 энергетических зон для различных МПМ-диодов. На диаграммах 200, 210, 220 и 230 энергетических зон h⁺ и e^- представляют носители заряда, эмитированные в слой полупроводника в направлении, показанном стрелками 202, 212, 222 и 232. Фиг. 2a и 2b показывают диаграммы 200 и 210 энергетических зон для МПМ-диодов p-типа. Фиг. 2c и 2d показывают диаграммы 220 и 230 энергетических зон для МПМ-диодов n-типа. Фиг. 2a изображает МПМ-диод p-типа, который включает в себя различные материалы для металлов М1 и М2. Фиг. 2c изображает МПМ-диод n-типа, который включает в себя различные материалы для металлов М3 и М4. Фиг. 2b изображает МПМ-диод p-типа, который включает в себя полупроводник, который селективно легирован на одной стороне. Фиг. 2d изображает МПМ-диод n-типа, который включает в себя полупроводник, который селективно легирован на одной стороне. У МПМ-диодов по фиг. 2b и 2d, имеющих одностороннее селективное легирование полупроводника, металлы M5 и M6 могут быть одинаковым материалом и металлы M7 и M8 могут быть одинаковым материалом.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему процесса 300 изготовления МПМ-диода. Кратко процесс 300 включает в себя селективное легирование (302) поверхности полупроводника слоистой подложки, например, пластины со структурой полупроводник-на-диэлектрике (ПНД), осаждение (304) первого металла на первой стороне полупроводника, связывание (306) первой стороны полупроводника с несущей пластиной с расположением первого металла между полупроводником и несущей пластиной, селективное удаление (308) других слоев слоистой подложки, например, объемного полупроводникового слоя подложки и слоя электрического изолятора (диэлектрика) для вскрытия второй стороны полупроводника, и осаждение (310) второго металла на второй стороне полупроводника.

Фиг. 4 показывает виды сбоку МПМ-диода в течение различных стадий (a)-(f) изготовления. Обеспечивают МПМ-диод, который включает в себя тонкий слой монокристаллического полупроводника, например слой 401 кремния (Si), желаемой толщины, профиля распределения легирующей примеси и кристаллической ориентации (стадия (a)). МПМ-диод может быть изготовлен в масштабе целой пластины.

Монтаж методом перевернутого кристалла может быть использован с тем, чтобы различные металлические слои могли быть снабжены рисунком и осаждены на обе стороны тонкого полупроводникового слоя 401 слоистой подложки, например, стандартной пластины 400 со структурой кремний-на-диэлектрике (КНД), которая включает в себя слой 401 кремния, слой 402 диэлектрика (например, SiO₂) и объемную кремниевую подложку 403. Гетеропереходы МПМ могут быть изготовлены из КНД-пластины 400 с использованием селективного химического или плазменного травления таким образом, чтобы индивидуальный слой желаемого материала, например, слой 401 кремния, мог быть получен и помещен между выбранными металлами. Метод изготовления диода на гетеропереходах МПМ подробнее описывается ниже.

1. МЕЛКОЕ КОНТАКТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

В зависимости от применения МПМ-диода поверхность одной или обеих сторон слоя 401 кремния может быть легирована для создания омического контакта для инжекции носителей в слой 401 кремния. Слой 401 кремния имеет подходящую толщину, например, 70 нм или меньше. Поверхность слоя 401 кремния КНД-пластины 400 сначала очищают, а затем легируют подходящим типом легирующей примеси (например, диод p-типа является легированным примесью p-типа, такой как бор, а диод n-типа является легированным примесью n-типа, такой как фосфор), подходящей концентрацией (например, легирование до состояния вырождения для снижения до минимума удельного поверхностного сопротивления) и глубины, используя подходящий способ (например, имплантацию, центрифугирование или диффузию из газовой фазы).

Фиг. 5 изображает график 500, показывающий примеры характеристик плотности тока от напряжения (J-V) для МПМ-диода 506 с легированием поверхности слоя полупроводника со стороны инжекции носителей и МПМ-диода 508 без легирования поверхности слоя полупроводника со стороны инжекции носителей. Графические данные 500 включают в себя ось 502, ось 504, кривую 510 и кривую 512. Ось 502 представляет собой плотность тока в амперах на см². Ось 504 представляет собой напряжение смещения в вольтах. Кривая 510 изображает характеристику плотности тока от напряжения (J-V) для МПМ-диода 506. Кривая 512 изображает характеристику плотности тока от напряжения (J-V) для МПМ-диода 508.

Каждый МПМ-диод 506 и 508 по фиг. 5 может быть МПМ-диодом p-типа, имеющим слой М1 кобальта (Co), слой кремния и слой М2 платины (Pt). Несмотря на то, что последовательное сопротивление в МПМ-диоде очень низкое и не является главной составляющей, ограничивающей ток или ограничивающей скорость, полное сопротивление контакта Rc может стать ограничивающим быстродействие фактором, когда диод находится под высоким напряжением прямого смещения (например, выше, чем напряжение смещения плоских зон). Как показано на фиг. 5, ток МПМ-диода 508 без легирования поверхности отклоняется от экспоненциальной кривой 510 при приблизительно 0,2 В, напряжении 520 смещения плоских зон, в то время как ток МПМ-диода 506 с легированием поверхности возрастает экспоненциально за пределами напряжения 520 смещения плоских зон. В зависимости от конкретного применения и режимов работы МПМ-диод может содержать слой полупроводника с легированной поверхностью или нелегированной поверхностью.

2. МОНТАЖ МЕТОДОМ ПЕРЕВЕРНУТОГО КРИСТАЛЛА

Возвращаясь к фиг. 4, поверхностно-легированную КНД-пластину 400 снабжают рисунком посредством стандартной фотолитографии. Снабженный рисунком фоторезист может быть сшит для повышения его стойкости. КНД-пластину 400 затем травят (например, в O₂ плазме) для удаления любых остатков фоторезиста в снабженных рисунком областях. Любой вновь образовавшийся диоксид кремния в снабженных рисунком областях удаляют, например, посредством краткого погружения КНД-пластины 400 в буферизованный травитель для оксида (BOE).

КНД-пластину 400 загружают в камеру металлизации (например, электронно-пучкового напыления или распыления). При достаточно низком основном давлении в камере (например, менее чем 2×10^-6 Торр) осаждают первый металл 404, такой как платина (Pt) (стадия (b)). Слой 404 Pt имеет толщину, которая достаточно велика (например, 15 нм) для формирования превосходного контакта со слоем 401 Si. Слой алюминия (Al) (не показан), имеющий толщину, которая достаточна для внешнего подключения или измерительного контакта (например, 100 нм), может быть осажден на слой 404 Pt с подходящей скоростью (например, приблизительно 0,1 нм/с) для гарантирования превосходного качества металлической пленки. Могут быть использованы другие металлические материалы, отличающиеся от Pt и Al.

Вслед за осаждением металлического слоя 404 КНД-пластину 400 переворачивают и связывают с несущей пластиной 405, используя адгезив 406 (стадия (c)). Металлический слой 404 помещают между слоем 401 Si и несущей пластиной 405. Адгезив 406 может быть непроводящим адгезивом или проводящим адгезивом. Например, проводящий адгезив может быть использован для связывания КНД-пластины 400 с несущей пластиной 405, если поверхностно-легированная КНД-пластина 400 не снабжена рисунком, например, если Pt и Al осаждают непосредственно на поверхностно-легированную КНД-пластину 400 в виде равномерной металлической пленки без формирования рисунка.

На стадии (d) объемную кремниевую подложку 403 КНД-пластины 400 утончают (например, посредством шлифования или полирования с использованием наждачной бумаги) и полностью удаляют селективным травлением Si (например, с использованием травителя дифторида ксенона (XeF₂)) для вскрытия слоя 402 SiO₂. На стадии (e) слой 402 SiO₂ селективно стравливают (например, погружением в BOE). Оставшаяся структура 407 представляет собой тонкий приборный слой 401 кремния с легированной стороной и предварительно осажденным металлическим контактом и электродом 404, связанным с несущей пластиной 405 адгезивом 406.

Выполняют вторую фотолитографию для задания контактных площадок второго металла, предназначенных для совмещения со слоем 404 Pt на другой стороне приборного слоя 401 кремния. Снабженный рисунком фоторезист может быть сшит для увеличения его стойкости к травлению. Структуру 407 затем травят (например, в O₂ плазме) для удаления любых остатков фоторезиста в снабженных рисунком областях. Любой вновь образовавшийся диоксид кремния в снабженных рисунком областях удаляют, например, посредством краткого погружения в буферизованный травитель для оксида (BOE).

Структуру 407 загружают в камеру металлизации (например, электронно-пучкового напыления или распыления). При достаточно низком основном давлении в камере (например, менее чем 2×10^-6 Торр) осаждают слой 408 второго металла, например, кобальта (Co) (стадия (f)). Слой 408 Co имеет толщину, которая достаточно велика (например, 15 нм) для формирования превосходного контакта со слоем 401 Si. Слой алюминия (Al) (не показан), имеющий толщину, которая достаточна для внешнего подключения или измерительного контакта (например, 100 нм), может быть осажден на слой 408 Co с подходящей скоростью (например, приблизительно 0,1 нм/с) для гарантирования превосходного качества металлической пленки. Могут быть использованы другие металлические материалы, отличающиеся от Co и Al. После осаждения слоя 408 второго металла диоды 410 и 412 на основе Co-Si-Pt p-типа готовы для любого электрического измерения или применения.

Фотолитография, описанная выше, может быть заменена на использование теневых масок во время осаждения металла. Как правило, также может быть применен любой подходящий метод литографии, включая фотолитографию, электронно-пучковую литографию и импринт-литографию. Например, электронно-пучковая литография может быть выполнена как альтернатива фотолитографии для прибора меньших размеров.

Фиг. 6 изображает графики 600 и 650, показывающие примеры характеристик плотности тока от напряжения (J-V) для различных МПМ-диодов и диода Шоттки. Графики 600 включают в себя ось 602, ось 604 и кривые 610, 612, 614 и 616. Ось 602 представляет собой плотность тока в амперах на см². Ось 604 представляет собой напряжение смещения в вольтах. Кривая 610 изображает прогнозируемую полулогарифмическую J-V кривую диода на основе иридий-кремний-иридий (Ir-Si-Ir) p-типа. Кривая 612 изображает экспериментальную полулогарифмическую J-V кривую диода на основе Co-Si-Pt p-типа. Кривая 614 изображает экспериментальную полулогарифмическую J-V кривую диода на основе хром-кремний-хром (Cr-Si-Cr) n-типа. Кривая 616 изображает теоретическую полулогарифмическую J-V кривую диода Шоттки на основе Cr-Si. Для сравнения фиг. 6 включает в себя расчетную J-V кривую 616 для стандартного диода Шоттки на основе Cr-Si и прогнозируемую J-V кривую 610 для МПМ-диода на основе Ir-Si-Ir p-типа. Экспериментальные результаты указывают на то, что МПМ-диод с низкой высотой барьера, такой как диод на основе Ni-InGaAs-Ni или диод на основе Ir-Si-Ir p-типа, потенциально может быть использован, чтобы эффективно выпрямлять излучение оптической частоты при нулевом напряжении смещения для преобразования солнечной энергии в электрическую. Дополнительно фиг. 6 включает в себя встроенный график 650, который содержит ось 652, ось 654 и кривую 656. Ось 652 представляет собой плотность тока в амперах на см². Ось 654 представляет собой напряжение смещения в вольтах. Кривая 656 изображает линейную J-V кривую диода на основе Co-Si-Pt p-типа.

Фиг. 7a-c показывают примеры диаграмм 700, 710 и 720 энергетических зон, соответствующие различным J-V кривым 610, 612 и 614 различных МПМ-диодов по фиг. 6. Фиг. 7d показывает пример диаграммы 730 энергетических зон, соответствующий полулогарифмической J-V кривой 616 диода Шоттки по фиг. 6. На диаграммах 700, 710, 720 и 730 энергетических зон h⁺ и e^- представляют носители заряда, эмитированные в слой полупроводника в направлении, указанном стрелками 702, 712, 722 и 732.

Слой 714 Si для диода на основе Co-Si-Pt p-типа и слой 724 Si для диода на основе Cr-Si-Cr n-типа может быть легирован с концентрацией примесей, равной 5×10¹⁵ см^-3 или менее. Для диода на основе Co-Si-Pt p-типа толщина слоя 714 Si может быть приблизительно 30 нм, а поверхность в соприкосновении со слоем 716 Pt может быть легирована бором до состояния вырождения с оцененной концентрацией на поверхности приблизительно 1×10²⁰ см^-3. Для прибора на основе Cr-Si-Cr n-типа толщина слоя 724 Si может быть приблизительно 60 нм, а одна сторона слоя 724 Si может быть легирована фосфором до состояния вырождения с оцененной концентрацией на поверхности приблизительно 2×10²⁰ см^-3. Сопротивления контактов Rc, т.е. полные сопротивления туннелированию носителей из металла в Si, рассчитывали составляющими приблизительно 5×10^-9 Ом·см² и 2×10^-8 Ом·см² для границ раздела Pt-Si и Cr-Si соответственно.

Размер МПМ-диода определяется перекрыванием в сечении слоя полупроводника между верхним и нижним металлическими контактами диода. J-V кривые для обоих МПМ-диодов p-типа и n-типа проявляют экспоненциальный рост в зависимости от напряжения прямого смещения, при этом кривые заданы следующим уравнением:

J(V)=J₀[exp(qV/ηk_BT)-1], (1)

где J₀ - плотность тока насыщения, T - температура, q - заряд электрона, V - напряжение смещения на диоде, k_B - постоянная Больцмана, и η - фактор идеальности, который равен 1,25 для обоих приборов p-типа и n-типа. Как правило, толщины слоев кремния в приборах приводят к вольт-амперным (В-А) характеристикам, которые следуют механизму термоионной эмиссии. Вклад туннелирования, как ожидается, будет небольшим, особенно при низких напряжениях смещения. Соответствующие J₀ для диодов на основе Co-Si-Pt и на основе Cr-Si-Cr равны 8,5×10¹ A/см² и 1,3×10^-1 A/см² соответственно. Эти значения значительно выше, чем значения J₀ для диодов Шоттки на основе Co-Si и на основе Cr-Si.

Хотя МПМ-диод, описанный в настоящем раскрытии, может иметь несколько признаков, свойственных обычному диоду Шоттки, МПМ-диод включает в себя признаки, которые отличаются от таковых у обычного диода Шоттки. Например, в МПМ-диоде носители запускаются непосредственно из металлического эмиттера, где плотность электронов очень высока, и носители перемещаются сквозь полупроводник баллистически. Дополнительно, как с металлическим эмиттером, так и с коллектором, последовательное сопротивление R_S в МПМ-диоде может быть ниже, чем 10^-11 Ом·см², что может быть фактически пренебрежимо, приводя к предельной частоте выше, чем 100 ТГц.

Из-за высокой плотности тока, истинный максимально допустимый уровень предельной частоты МПМ-диода не был полностью охарактеризован до того, как "выгорал" электрический контакт к переходу диода. На основании показанных на фиг. 6 J-V кривых, которые показывают, что токи МПМ-диодов не проявляют заметного отклонения от экспоненциальных возрастающих кривых, верхний предел последовательных сопротивлений может быть оценен как 5×10^-9 Ом·см² и 3×10^-8 Ом·см² для диодов на основе Co-Si-Pt и Cr-Si-Cr соответственно, что соразмерно уровню шума при измерении.

Поскольку слой кремния полностью обеднен, емкость МПМ-диода может быть оценена по следующему уравнению:

C=εA/d, (2)

где ε - диэлектрическая постоянная, A - размер прибора, и d -толщина слоя кремния. Соответствующие емкости у приборов на основе Co-Si-Pt и Cr-Si-Cr, нормированные на 1 см², равны 3,5×10^-7 Ф и 1,8×10^-7 Ф соответственно. Предельные частоты могут быть оценены по следующему уравнению:

F=l/(2πR_SC), (3)

и оцениваются равными 1×10¹⁴ Гц и 3,7×10¹³ Гц для диодов на основе Co-Si-Pt и Cr-Si-Cr соответственно.

Таблица 1 ниже обобщает плотности тока насыщения J₀ для различных диодных приборов. Для МПМ-приборов как p-типа, так и n-типа наблюдаемая плотность тока насыщения МПМ-диода значительно выше, чем у традиционного диода Шоттки, при одинаковых токоограничивающих переходах металл-полупроводник. Наблюдаемая J₀ для диодов и p-типа, и n-типа в 100-1000 раз выше, чем значения, рассчитанные с использованием обычного механизма термоионной эмиссии, который допускает, что только определенные носители могут вносить вклад в электрический ток. Эти носители имеют вертикальные (по отношению к границе раздела перехода) составляющие своих скоростей v_⊥, которые могут обеспечивать достаточную кинетическую энергию для преодоления барьеров.

Таблица 1 Плотности тока насыщения диода Шоттки и МПМ-диодов Высота барьера, ограничивающего эмиссию (эВ) J₀ - диод Шоттки (А/см²) J₀ - МПМ-диод (А/см²) Co-Si(p) 0,45 9×10^-2 8,5×10¹ Cr-Si(n) 0,6 1×10^-3 1,3×10^-1 Cr-Si(p) 0,57 1,3×10^-3 3×10^-1

Для расчетов использовались Т=300 К и постоянная Ричардсона = 120 А/(см²К²)

Было описано несколько реализаций. Тем не менее, могут быть проделаны различные модификации без отступления от сути и объема процессов и методов, описанных здесь. Кроме того, процессы, изображенные на чертежах, не требуют показанного конкретного порядка, или последовательного порядка, для достижения желаемых результатов. В дополнение, могут быть предусмотрены другие этапы, или же этапы могут быть исключены из описанных процессов, и другие составляющие детали могут быть добавлены в описанные устройство и системы или удалены из них. Следовательно, другие варианты реализации находятся в пределах объема последующей формулы изобретения.

Изобретение относится к быстродействующим диодам. Диод содержит полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителей заряда, эмитированного в полупроводниковый слой. Диод содержит первый металлический слой, осажденный на первой стороне полупроводникового слоя, второй металлический слой, осажденный на второй стороне полупроводникового слоя, первый гетеропереход между полупроводниковым слоем и первым металлическим слоем или между полупроводниковым слоем и вторым металлическим слоем, причем полупроводниковый слой, первый металлический слой и второй металлический слой выполнены с возможностью осуществления баллистической проводимости носителя заряда из первого металлического слоя через полупроводниковый слой во второй металлический слой. Изобретение обеспечивает получение диода с высокой плотностью тока термоионной эмиссии, высокой нелинейностью и выпрямлением. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Диод, содержащий:

полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводниковый слой;

первый металлический слой, осажденный на первой стороне полупроводникового слоя; и

второй металлический слой, осажденный на второй стороне полупроводникового слоя;

первый гетеропереход между полупроводниковым слоем и первым металлическим слоем или между полупроводниковым слоем и вторым металлическим слоем, причем полупроводниковый слой, первый металлический слой и второй металлический слой выполнены с возможностью осуществления баллистической проводимости носителя заряда из первого металлического слоя через полупроводниковый слой во второй металлический слой.

2. Диод по п. 1, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в этот полупроводниковый слой, или меньше нее.

3. Диод по п. 1, при этом диод имеет предельную частоту, превышающую 100 ТГц.

4. Диод по п. 1, при этом диод имеет предельную частоту, превышающую 1000 ТГц.

5. Диод по п. 1, при этом первый металлический слой и второй металлический слой содержат одинаковый металл, а граница раздела полупроводникового слоя легирована до состояния вырождения для создания омического контакта.

6. Диод по п. 1, при этом первый металлический слой содержит первый металл, второй металлический слой содержит второй металл, а первый металл и второй металл представляют собой разные металлы.

7. Диод по п. 6, при этом граница раздела полупроводникового слоя легирована до состояния вырождения для создания омического контакта.

8. Диод по п. 1, при этом полупроводниковый слой содержит один или более из кристаллического полупроводника и поликристаллического полупроводника.

9. Диод по п. 8, при этом полупроводниковый слой содержит один или более из кремния (Si), германия (Ge), кремния-германия (SiGe), антимонида алюминия (AlSb), антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs), арсенида индия-галлия (InGaAs), нитрида галлия (GaN), фосфида индия (InP), селенида кадмия (CdSe), теллурида кадмия (CdTe), сульфида кадмия (CdS), селенида цинка (ZnSe), теллурида цинка (ZnTe), сульфида цинка (ZnS), оксида цинка (ZnO), оксида титана (TiO₂), сульфида свинца (PbS) и теллурида свинца (PbTe).

10. Диод по п. 1, при этом первый металлический слой и второй металлический слой каждый содержит по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из серебра (Ag), алюминия (Al), золота (Au), кобальта (Со), хрома (Cr), меди (Cu), гадолиния (Gd), гафния (Hf), индия (In), иридия (Ir), магния (Mg), марганца (Mn), молибдена (Mo), никеля (Ni), свинца (Pb), палладия (Pd), платины (Pt), родия (Rh), тантала (Та), титана (Ti), вольфрама (W) и цинка (Zn).

11. Диод по п. 1, при этом диод содержит диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (МПМ-диод), и при этом МПМ-диод дополнительно содержит:

второй гетеропереход между полупроводниковым слоем и одним или более из первого металлического слоя и второго металлического слоя.

12. Способ изготовления диода, содержащий:

обеспечение полупроводника, имеющего первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом полупроводник имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина сравнима со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводник;

осаждение первого металла на первой стороне полупроводника; и

осаждение второго металла на второй стороне полупроводника;

формирование первого гетероперехода между полупроводником и одним из первого металла и второго металла,

причем толщина полупроводника, первого металла и второго металла выполнена с возможностью осуществления почти баллистического переноса носителя из первого металла через полупроводник во второй металл.

13. Способ по п. 12, при этом толщина полупроводника сравнима со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводник, или меньше нее.

14. Способ по п. 12, при этом получение полупроводника содержит:

получение подложки с нанесенными слоями материалами, которая включает в себя слой, содержащий упомянутый полупроводник, и один или более других слоев, содержащих по меньшей мере один материал, который отличается от упомянутого полупроводника;

связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной с расположением первого металла между полупроводником и несущей пластиной; и

удаление упомянутых одного или более других слоев для вскрытия второй стороны полупроводника.

15. Способ по п. 14, при этом:

осаждение первого металла на первой стороне полупроводника содержит формирование рисунка первой стороны полупроводника; и

связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной содержит связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной с использованием изолирующего адгезива.

16. Способ по п. 14, при этом:

осаждение первого металла на первой стороне полупроводника содержит осаждение первого металла непосредственно на первую сторону полупроводника в виде равномерной металлической пленки; и

связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной содержит связывание первой стороны полупроводника с несущей пластиной с использованием адгезива.

17. Способ по п. 12, при этом первый металл и второй металл представляют собой один и тот же металл, а способ дополнительно содержит:

легирование поверхности слоя полупроводника до состояния вырождения для создания омического контакта.

18. Способ по п. 12, при этом первый металл и второй металл представляют собой разные металлы.

19. Способ по п. 18, дополнительно содержащий:

легирование поверхности слоя полупроводника до состояния вырождения для создания омического контакта.

20. Способ по п. 12, при этом полупроводник содержит один или более из кристаллического полупроводника и поликристаллического полупроводника.

21. Способ по п. 20, при этом полупроводник содержит один или более из кремния (Si), германия (Ge), кремния-германия (SiGe), антимонида алюминия (AlSb), антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs), арсенида индия-галлия (InGaAs), нитрида галлия (GaN), фосфида индия (InP), селенида кадмия (CdSe), теллурида кадмия (CdTe), сульфида кадмия (CdS), селенида цинка (ZnSe), теллурида цинка (ZnTe), сульфида цинка (ZnS), оксида цинка (ZnO), оксида титана (TiO₂), сульфида свинца (PbS) и теллурида свинца (PbTe).

22. Способ по п. 12, при этом первый металл и второй металл каждый содержит по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из серебра (Ag), алюминия (Al), золота (Au), кобальта (Со), хрома (Cr), меди (Cu), гадолиния (Gd), гафния (Hf), индия (In), иридия (Ir), магния (Mg), марганца (Mn), молибдена (Мо), никеля (Ni), свинца (Pb), палладия (Pd), платины (Pt), родия (Rh), тантала (Та), титана (Ti), вольфрама (W) и цинка (Zn).

23. Диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл р-типа (МПМ-диод), содержащий:

слой кремния, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом поверхность первой стороны легирована бором с концентрацией на поверхности 1×10²⁰ см^-3, при этом слой кремния имеет толщину между первой стороной и второй стороной, причем упомянутая толщина слоя кремния составляет 30 нм;

слой платины, осажденный на первой стороне слоя кремния;

первую гетеропереходную границу раздела между слоем кремния и слоем платины;

слой кобальта, осажденный на второй стороне слоя кремния; и

вторую гетеропереходную границу раздела между слоем кремния и слоем кобальта.

24. Диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл n-типа (МПМ-диод), содержащий:

слой кремния, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, при этом поверхность первой стороны легирована фосфором с концентрацией на поверхности 2×10²⁰ см^-3, при этом слой кремния имеет толщину между первой стороной и второй стороной, причем упомянутая толщина слоя кремния составляет 60 нм;

первый слой хрома, осажденный на первой стороне слоя кремния;

первую гетеропереходную границу раздела между первым слоем хрома и слоем кремния;

второй слой хрома, осажденный на второй стороне слоя кремния; и

вторую гетеропереходную границу раздела между вторым слоем хрома и слоем кремния.

25. Способ использования диода, содержащий:

получение диода (i) с полупроводниковым слоем с толщиной, сравнимой со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводник, (ii) с первым металлом на первой стороне полупроводникового слоя, и (iii) со вторым металлом на второй стороне полупроводникового слоя, причем диод содержит первый гетеропереход между полупроводниковым слоем и одним из первого металла и второго металла;

эмитирование носителя заряда в полупроводниковый слой диода; и

осуществление баллистического переноса носителя заряда через полупроводниковый слой из первого металла во второй металл, причем толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителя заряда, эмитированного в полупроводниковый слой, или меньше нее.