專利名稱：：載流子流產(chǎn)生電子器件及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及包括用于產(chǎn)生載流子流發(fā)生器的電子器件。本發(fā)明還涉及用于產(chǎn)生載流子流的方法。
背景技術(shù)：
：存在著許多電子器件利用載流子流的產(chǎn)生，例如電子或空穴，以改變材料的性能。例如在熔絲或反熔絲的情況下，這種性能的改變可以是永久性的或者可以是可逆的。利用可逆的性能改變的器件的示例包括顯示設(shè)備，其中電子流可以用于激發(fā)含磷物質(zhì)從基態(tài)到電子激發(fā)態(tài)。這種電子器件的其他示例包括基于場發(fā)射器的器件和相變存儲器。相變存儲器典型地包括例如硫族化合物(chalcogenide)的材料或半導(dǎo)體材料，可以在不同的固態(tài)如低電阻結(jié)晶態(tài)和高電阻非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在低電阻結(jié)晶態(tài)中材料的原子或分子采用高度有序的取向，在高電阻非晶態(tài)中材料的原子或分子隨機排序。典型地，通過相變材料暴露于電流造成由于其固有電阻使該材料加熱，實現(xiàn)熱致相變?？梢酝ㄟ^熔化該材料并讓其冷卻下來觸發(fā)相變，典型地，造成材料采取非晶態(tài)，或者通過加熱非晶態(tài)至結(jié)晶激活溫度以上但在熔點以下，從非晶態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)從而觸發(fā)相變。有關(guān)這種載流子流產(chǎn)生電子器件例如相變存儲器的一個問題是電子流的截面積通常受到用于制造該器件的光刻工藝的可以達(dá)到的最小尺寸的控制。這限制了可以實現(xiàn)的分辨率。具體地，在相變存儲器中，必須實現(xiàn)某一電流密度，從而觸發(fā)相變材料中的相變。這意味著在圍繞相變材料的電極的上方存在相對巨大的電勢差，導(dǎo)致相對高功率消耗。在現(xiàn)有
技術(shù)領(lǐng)域：
已經(jīng)認(rèn)識到這個問題。例如，在US專利申請NO.US2004/0197947A1公開了一種相變存儲器單元，其中使用了具有負(fù)微分電阻(NDR)的材料。這種材料當(dāng)暴露于足夠的電勢差時，顯示出一種絲狀傳導(dǎo)溝道(filamentaryconductionchannel)。該絲狀傳導(dǎo)允許加熱亞光刻尺寸的相變材料的一個區(qū)域。然而，基于NDR材料的器件的眾所周知的缺點是，采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝不易生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種包括載流子流發(fā)生器的電子器件，例如電子流，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造。本發(fā)明還旨在提供一種用于產(chǎn)生載流子流的方法，使得可以實現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的器件。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一個電子器件，包括用于產(chǎn)生載流子流的發(fā)生器以及控制器，該發(fā)生器包括具有發(fā)射極區(qū)、集電極區(qū)和基極區(qū)的雙極晶體管，并且該基極區(qū)在發(fā)射極區(qū)和集電極區(qū)之間取向(oriented)，而控制器用于控制雙極晶體管暴露于超過其開路基極擊穿電壓(BV·)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流。本發(fā)明基于以下認(rèn)識，處于擊穿模式的雙極晶體管的已知的電流箍縮效應(yīng)(currentpinch-ineffect)，弓|起亞光亥lj規(guī)模(sub—lithographicscale)電子禾口/或空穴流的產(chǎn)生，可以在例如場發(fā)射器和相變存儲器的電子器件中得以利用。這還基于對以下公開文獻(xiàn)的認(rèn)識由Panko等人在IEEE44*AnnualInternationalReliabilityPhysicsSymposium,SanJose,USA,2006,H512-515Mljf^W"Time-To-FailExtractionModelforthe'Mixed-Mode'ReliabilityofHigh-PerformanceSiGeBipolarTransistors，，中，雙極晶體管可以在其擊穿狀態(tài)下長時間操作，在擊穿條件下對其性能沒有不利影響。因此，用于改變材料例如相變材料的物理狀態(tài)的亞光刻規(guī)模電子流源可以采用常規(guī)光刻制造工藝提供。雙極晶體管可以以反型模式操作，因為這個模式的電流箍縮更為顯著。在本發(fā)明中，反型模式操作包括雙極晶體管的正向偏置集電極_基極二極管和反向偏置基極_發(fā)射極二極管。本發(fā)明的電子器件典型地包括多個雙極晶體管，例如多個存儲器單元，每一個雙極晶體管配置為觸發(fā)材料性能的變化。選擇雙極晶體管的摻雜分布，使得箍縮效應(yīng)與設(shè)計在亞擊穿電壓狀態(tài)下操作的雙極晶體管相比得以增強。例如，選擇較低基極摻雜以增加基極區(qū)的電阻。由基極_集電極耗盡區(qū)中的高電場造成導(dǎo)致電流箍縮的雪崩機制?？梢酝ㄟ^增加集電極區(qū)的摻雜濃度增強這個電場，因此進(jìn)一步放大電流箍縮。在一個有利的實施例中，集電極區(qū)的摻雜分布包括橫向梯度，進(jìn)一步在具有高摻雜濃度的區(qū)域集中箍縮的產(chǎn)生。橫向摻雜分布可以在集電極區(qū)的中心周圍是對稱的，并且可以包括鐘形(bell-shaped)的濃度分布。該電子器件還包括暴露于載流子流的材料，用于觸發(fā)所述材料性能的變化。在一個優(yōu)選的實施例中，該材料是相變材料，使得該電子器件可以用作相變存儲器。該相變材料，可以是表現(xiàn)出上述相變特性的任何已知的材料，典型地位于發(fā)射極區(qū)和電極之間。該相變材料也可以形成發(fā)射極區(qū)的至少一部分。本發(fā)明還基于以下認(rèn)識發(fā)射極區(qū)中的電流箍縮開口的位置與基極電阻有關(guān)，可以通過在相對于基極區(qū)不同的位置提供多個基極端子來控制。這便于控制在內(nèi)部的基極區(qū)電阻上的電勢降的形狀，使得可以控制在發(fā)射極區(qū)中的電流箍縮區(qū)的位置。這可以用于采用單個雙極晶體管以亞光刻分辨率對多個載流子流敏感材料區(qū)尋址。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種產(chǎn)生載流子流的方法，包括提供具有發(fā)射極區(qū)、集電極區(qū)和基極區(qū)的雙極晶體管，并且該基極區(qū)在發(fā)射極區(qū)和集電極區(qū)之間取向，以及控制雙極晶體管暴露于超過其開路基極擊穿電壓(BVeTO)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流。本發(fā)明的方法使得在亞光刻尺寸觸發(fā)材料中性能的變化例如相變成為可能，而不需要復(fù)雜制造工藝實現(xiàn)這個效果。參考下面的附圖，并以非限制的示例來更加詳細(xì)闡述本發(fā)明，其中圖1示意性示出在雪崩條件下操作的雙極晶體管中的出現(xiàn)的效果；圖2示意性示出在這些條件下發(fā)生的電流箍縮效應(yīng)；圖3示出描述對正和負(fù)基極電流導(dǎo)引(basecurrentsteering)的集電極電流的圖；圖4示出本發(fā)明的電子器件的一部分的實施例；圖5示出描述基極區(qū)電阻對產(chǎn)生的載流子流的尺寸的影響的圖；圖6示出本發(fā)明的電子器件的另一實施例；以及圖7示出本發(fā)明的電子器件的又一實施例。應(yīng)該認(rèn)識到該附圖只是示意性表示并非按比例描繪。還應(yīng)該認(rèn)識到相同的參考符號用于在附圖中表示相同或類似的部分。具體實施例方式在如圖1所示的NPN雙極晶體管的一般操作模式中，由封閉圓圈表示的電子從發(fā)射極區(qū)120穿過基極層140流向集電極區(qū)160。這產(chǎn)生了基極電流IB，主要由開口圓圈表示的空穴組成，正IB>0。發(fā)射極電子流的截面積等于發(fā)射極區(qū)120的面積?，F(xiàn)今，由于改善了光刻技術(shù)這個區(qū)域相對較小。當(dāng)在其(開路基極)擊穿電壓BV■以上操作雙極晶體管時，基極電流IB變?yōu)樨?fù)，并且由于在集電極-基極耗盡區(qū)150中的碰撞電離，空穴離開基極端子。這種現(xiàn)象被稱為雪崩機制，并且是由在集電極-基極耗盡區(qū)150中的高電場造成的。對于具有非零固有基極電阻(RB)的真實雙極器件，如果晶體管100在BVeE()以上操作，電子向晶體管100的中心集中。這個效果被稱為電流箍縮，并且是負(fù)的空穴基極電流造成基極電阻RB上的電壓降的結(jié)果。當(dāng)固有基極電阻上的電壓降變得與熱電壓相當(dāng)或更大時，電流的箍縮變得很重要|IBXRB|彡VT，當(dāng)IB<0。電流箍縮使得電子流的截面積比由光刻決定的最小發(fā)射極尺寸小得多。這在圖2中表示出。晶體管的摻雜分布的優(yōu)化，例如基極區(qū)140和集電極區(qū)160的摻雜分布，允許在例如相變存儲器中有效地利用這種效應(yīng)。在針對正常模式應(yīng)用優(yōu)化的雙極晶體管中的典型的集電極摻雜濃度的范圍從l*1016/cm3至l*1018/cm3。例如，針對電流箍縮模式操作優(yōu)化的雙極晶體管，其集電極的摻雜濃度在這個范圍的高端或者甚至超過這個范圍，例如1*1018/Cm3-l*1019/Cm3。為了在發(fā)射極區(qū)的小部分中促使對載流子流的限制，集電極摻雜分布可表現(xiàn)出橫向梯度。該梯度可以具有不對稱或?qū)ΨQ的形狀。圖3示出了采用基極電流導(dǎo)引的晶體管的輸出特性。作為集電極發(fā)射極電壓VCE<BV■的函數(shù)的電流曲線IC是針對正基極電流的“正常”集電極電流，并且在標(biāo)準(zhǔn)電路中使用。然而，如圖3的右側(cè)面板中所示，針對VCE>BV■造成的負(fù)基極電流導(dǎo)引，可以獲得相同的集電極電流水平。在這些條件下，晶體管以箍縮模式操作。這個模式的特點是負(fù)基極電流IB，盡管集電極電流IC保持在相同的幅度。圖3說明了對于各種負(fù)基極電流IB在箍縮條件下集電極電流的測量結(jié)果。應(yīng)該理解由箍縮效應(yīng)產(chǎn)生的箍縮電子流可以用于需要集中電子束以改變物質(zhì)的狀態(tài)的任何電子器件。本發(fā)明的理念尤其適合相變存儲器的應(yīng)用。圖4示出本發(fā)明的電子器件一部分的示例，其中在雙極晶體管100上添加相變材料410的層。在圖4中，相變材料410位于發(fā)射極區(qū)120的頂部并且被電極420覆蓋?？商鎿Q的，相變材料410可以整合在發(fā)射極區(qū)120中。發(fā)射極區(qū)120的寬度取決于已知光刻工藝，并且不需要任何附加的、非常規(guī)的技術(shù)步驟來產(chǎn)生亞光刻工藝尺寸的電子流。通過在雪崩狀態(tài)操作雙極晶體管100，產(chǎn)生電流箍縮，并且發(fā)射極中的電子集中到器件的中心，如圖4中區(qū)域415所說明的那樣。結(jié)果，在發(fā)射極區(qū)120中的電流密度開始大幅增加，不是通過增加總發(fā)射極電流而是通過減小有效的發(fā)射極區(qū)域，如區(qū)域125所示。在圖4中，針對正向偏置操作的晶體管來說明該效應(yīng)，即具有正向偏置的發(fā)射極_基極結(jié)和反向偏置的基極-集電極結(jié)的晶體管。然而，反型操作的晶體管，即具有反向偏置的發(fā)射極-基極結(jié)和正向偏置的基極-集電極結(jié)，更加有效。圖4中的雙極晶體管通過控制器(未示出)操作，該控制器設(shè)計為使雙極晶體管在其正常操作時電壓超過其開路基極擊穿電壓BV■，使得發(fā)射極區(qū)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流125。應(yīng)該理解這樣的控制器可以以任何適合的方式來設(shè)計，并且可以是常規(guī)控制器，適于使雙極晶體管的電壓超過其擊穿電壓而不是低于其擊穿電壓。應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是本發(fā)明的電子器件在其他應(yīng)用領(lǐng)域同樣可行。例如，雙極晶體管100的各個區(qū)域的順序可以反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生一個在該晶體管的頂部具有集電極區(qū)160的雙極晶體管。當(dāng)采用雙極晶體管100作為場發(fā)射器時，這種取向非常有利。正如前面提到的，當(dāng)基極區(qū)140的固有電阻145上的電壓降對內(nèi)部基極_發(fā)射極電壓足夠高而超過外加電壓時，產(chǎn)生電流箍縮。這增強了雙極晶體管100中心的內(nèi)部基極-發(fā)射極結(jié)正向偏置。因此，固有基極電阻的值是雙極晶體管100中的一個重要參數(shù)，并且應(yīng)當(dāng)高到足以產(chǎn)生一個足夠高的基極區(qū)140上的電壓降。此外，在基極-集電極耗盡區(qū)150中的空穴產(chǎn)生的碰撞電離造成基極區(qū)140上的電壓降。通過在集電極-基極耗盡區(qū)150中的高電場觸發(fā)雪崩機制。因此，高集電極摻雜有利于增強箍縮效應(yīng)。應(yīng)當(dāng)重申的是集電極摻雜分布可以包括進(jìn)一步增強箍縮效應(yīng)的梯度。圖5示出描述箍縮效應(yīng)的固有基極電阻的影響的模擬分析結(jié)果的圖。y軸表示電子束電流密度，在x軸上示出發(fā)射極中的箍縮區(qū)域。計算中采用的發(fā)射極寬度為2.0ym。各種曲線表示從lk至10kQ范圍的不同的固有基極電阻。通過在各種模擬運行中改變基極摻雜濃度實現(xiàn)不同的固有基極電阻。圖5示出了對于增大的固有基極電阻，箍縮流125變得更加集中在發(fā)射極區(qū)120的中心。固有基極電阻的范圍選擇在lk至10kQ之間，因為這個范圍包括固有基極電阻的實際值。然而，更高的值也是可能的。應(yīng)該理解固有基極電阻取決于基極摻雜級別和基極層的厚度的組合，并且當(dāng)試圖實現(xiàn)所需的固有基極電阻時必須考慮這兩個變量。還要強調(diào)的是發(fā)生箍縮的區(qū)域(A)的尺寸還取決于(負(fù))基極電流的幅度。因此，高的固有基極電阻和低的基極電流可以給出與低的固有基極電阻(RB)和高的基極電流(IB)類似尺寸的箍縮區(qū)域，ARB*IB。因此，當(dāng)RB恒定時，負(fù)基極電流的增加造成箍縮區(qū)域的減小。圖6示出本發(fā)明的電子器件的一部分的另一實施例。在圖6中，基極區(qū)140與多個基極端子621-624銜接，基極端子由控制器(未示出)控制。該基極端子621-624便于控制在基極區(qū)140中的電阻分布的形狀。改變電阻分布的形狀被轉(zhuǎn)化為箍縮電流的區(qū)域610的位置的轉(zhuǎn)變，如圖4中箭頭430和圖6中的箭頭所表示。通過向基極端子621-624提供合適的偏置電壓，可以控制電流箍縮區(qū)域的位置?？刂破?未示出)可以動態(tài)地確定適合的偏置電壓。然而，優(yōu)選的是控制器包括某些形式的存儲器，例如查找表(look-uptable),其中存儲各種偏置電壓值，因為這降低了控制器的復(fù)雜性。通過劃分材料為不同的區(qū)段600，例如覆蓋或形成雙極晶體管的發(fā)射極區(qū)120的7相變材料，可以擴(kuò)展圖6的設(shè)置。這在圖7中示出。向基極端子621-624提供適合的偏置電壓，便于載流子流125的區(qū)域610位于區(qū)段700中的任何一個。因此，可以獲得其中材料性能的改變可以在亞光刻分辨率中得以控制的電子器件。這使得提供一種具有亞光刻尺寸的存儲單元的相變存儲器是可能的，其數(shù)據(jù)存儲容量顯著增加。應(yīng)該理解圖6中的基極端子621-624和圖7中的區(qū)段700的數(shù)量僅以非限制示例的方式來選擇。不同數(shù)量的基極端子和區(qū)段也在本發(fā)明的考慮內(nèi)。除了上述電子器件，本發(fā)明還提供一種方法，提供雙極晶體管100，該雙極晶體管100具有發(fā)射極區(qū)120、集電極區(qū)160和基極區(qū)140，并且基極區(qū)140在發(fā)射極區(qū)120和集電極區(qū)160之間取向，并且控制雙極晶體管100暴露于超過其開路基極擊穿電壓BVeEQ的電壓，使得發(fā)射極區(qū)120從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流。該方法包含借助于載流子流觸發(fā)材料性能的變化。優(yōu)選地，該材料為相變材料，其中載流子流包括由雙極晶體管產(chǎn)生的電子流。電子流用于改變材料的結(jié)晶相。需要注意的是上述實施例說明了而不是限制本發(fā)明，并且在本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員在不背離附屬的權(quán)利要求的范圍的情況下能夠設(shè)計出許多替換的實施例。在權(quán)利要求中，在括號內(nèi)的任何參考符號不應(yīng)解釋為限制該權(quán)利要求。詞語“包括”不排除除了在權(quán)利要求中列出的元件或步驟的存在。在元件前的詞“一”或“一個”不排除多個這種元件的存在。本發(fā)明可以借助于包括幾個不同元件的硬件實施。在該器件權(quán)利要求中列舉了數(shù)個，這些手段中的一些可以通過一個相同的硬件實現(xiàn)。重要是是某些措施在相互不同的從屬權(quán)利要求中提及，并不表示這些措施的組合不能用于獲得優(yōu)點。權(quán)利要求一種電子器件，包括用于產(chǎn)生載流子流(125)的發(fā)生器，所述發(fā)生器包括雙極晶體管(100)，具有發(fā)射極區(qū)(120)、集電極區(qū)(160)和基極區(qū)(140)，所述基極區(qū)(140)在所述發(fā)射極區(qū)(120)和所述集電極區(qū)(160)之間取向，以及控制器，用于控制雙極晶體管(100)暴露于超過其開路基極擊穿電壓(BVCEO)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)(120)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流(125)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件，還包括設(shè)置成對載流子流暴露的材料(410)，所述載流子流用于觸發(fā)所述材料性能的變化。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子器件，其中選擇所述雙極晶體管的摻雜分布，以增強從所述發(fā)射極區(qū)(120)的第一區(qū)域的載流子流的產(chǎn)生。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子器件，其中所述集電極區(qū)包括具有橫向梯度的摻雜分布。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的電子器件，其中所述發(fā)生器設(shè)置成用作場發(fā)射ο6.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的電子器件，還包括電極(420)，其中所述材料(410)包括在所述電極(410)和所述基極區(qū)(140)之間取向的相變材料。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子器件，其中所述材料在所述電極和所述發(fā)射極區(qū)(120)之間取向。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子器件，其中所述材料形成所述發(fā)射極區(qū)(120)的至少一部分。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電子器件，其中所述基極區(qū)(140)包括多個不同位置的基極端子，用于控制所述發(fā)射極區(qū)表面區(qū)域中第一區(qū)域的位置。10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的電子器件，其中所述雙極晶體管(100)連接成以反型模式操作。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電子器件，包括多個雙極晶體管(100)，每一個晶體管設(shè)置成引起相應(yīng)的材料部分(410)的性能變化。12.一種用于產(chǎn)生載流子流的方法，包括提供雙極晶體管(100)，所述雙極晶體管(100)具有發(fā)射極區(qū)(120)、集電極區(qū)(160)和基極區(qū)(140)，所述基極區(qū)(140)在所述發(fā)射極區(qū)(120)和所述集電極區(qū)(160)之間取向；以及控制雙極晶體管(100)暴露于超過其開路基極擊穿電壓(BV。ro)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)(120)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括提供材料(410)，所述材料(410)設(shè)置成接收載流子流；以及利用載流子流觸發(fā)所述材料性能的變化。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述材料(410)是相變材料，并且其中觸發(fā)性能變化包括改變所述材料(410)的結(jié)晶相。15.根據(jù)權(quán)利要求12-14所述的方法，其中所述雙極晶體管(100)的所述基極區(qū)(140)包括多個不同位置的基極端子，所述方法還包括通過將預(yù)定數(shù)目的所述基極端子連接到控制信號，控制所述發(fā)射極區(qū)表面區(qū)域中第一區(qū)域的位置。16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項所述的方法，還包括以反型模式操作所述雙極晶體管(100)。全文摘要本發(fā)明公開了一種包括用于產(chǎn)生載流子流(125)的發(fā)生器的電子器件。該發(fā)生器包括雙極晶體管(100)和控制器，該雙極晶體管(100)具有發(fā)射極區(qū)(120)、集電極區(qū)(160)和基極區(qū)(140)，并且基極區(qū)(140)在發(fā)射極區(qū)(120)和集電極區(qū)(160)之間取向，該控制器用于控制雙極晶體管(100)暴露于超過其開路基極擊穿電壓(BVCEO)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)(120)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流(125)。該電子器件還包括設(shè)置成接收載流子流的材料(410)，載流子流用于觸發(fā)所述材料性能的變化，發(fā)射極區(qū)(120)設(shè)置在基極區(qū)(140)和材料(410)之間。在操作中，該雙極晶體管(100)受到超過其開路基極擊穿電壓(BVCEO)的電壓，使得發(fā)射極區(qū)(120)從比發(fā)射極區(qū)的表面區(qū)域更小的第一區(qū)域產(chǎn)生載流子流，例如電子。因此，可以利用具有亞光刻尺寸的電子流，而不要求復(fù)雜的光刻工藝步驟。本發(fā)明尤其適合用于相變存儲器。文檔編號G11C16/02GK101868828SQ200880117163公開日2010年10月20日申請日期2008年11月12日優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日發(fā)明者托尼·范胡克,楊·W·斯洛特布曼,雷德弗里德勒·A·M·胡爾克斯申請人:Nxp股份有限公司