專利名稱：基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型半導體器件和納米電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管。
背景技術(shù)：
隨著硅基超大規(guī)模集成電路平面工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子器件的特征尺寸不斷縮小日益接近其物理極限。在該尺寸量級上，微電子器件的量子效應(yīng)在載流子傳輸和器件工作上將占主導地位。這種特征尺寸為納米量級且利用量子效應(yīng)工作的半導體器件一般被稱為納米量子器件。例如量子點器件，單電子器件，共振隧穿二極管等等。其中，共振隧穿二極管因其制作加工工藝較為成熟而且具有獨特的微分負阻特性，更加受到眾多研究者的青睞。將它用于高頻振蕩器、多值邏輯電路及存儲器電路等電路設(shè)計中能夠有效地減少電路中器件單元數(shù)目，并且能夠減小芯片面積。所以，共振隧穿二極管被公認為是極富發(fā)展前景的納米量子器件之一。
美國專利US6229153公布了一種采用GaAs/AlGaAs/InGaAs材料制備共振隧穿二極管的方法。但是該種方法存在著造價高，與當前主流的Si半導體平面工藝不兼容等問題，使其應(yīng)用受到極大的限制。
本發(fā)明提出一種基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管。它的制作工藝與當前主流的Si半導體平面工藝相兼容，能夠更有效的提高集成電路的集成度。采用Si/SiGe材料制作空穴型共振隧穿二極管的原理如下當在Si襯底上外延生長的SiGe應(yīng)變層的厚度小于其臨界厚度時，弛豫Si和應(yīng)變SiGe之間的能帶不連續(xù)主要出現(xiàn)在價帶，導帶近似連續(xù)。我們正是利用這種價帶的不連續(xù)性構(gòu)造空穴型共振隧穿二極管所需的雙勢壘單量子阱結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管。其特征在于采用應(yīng)變SiGe層做空穴量子阱，未摻雜的Si做空穴勢壘。其主要組成部分有高摻雜P型Si襯底，在此襯底上采用化學氣相淀積方法或分子束外延方法依次淀積上未摻雜的SiGe層、Si層、SiGe層、Si層、SiGe層及重摻雜的P型Si形成的臺面結(jié)構(gòu)，和分別在襯底上和臺面結(jié)構(gòu)上濺射金屬形成的電極。
本發(fā)明的有益效果是已有實驗證明它達到了預(yù)期目的，在室溫下能夠觀察到明顯的微分負阻現(xiàn)象。制作工藝與當前主流的Si半導體平面工藝相兼容，能夠更有效的提高集成電路的集成度。


圖1a為基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1b為圖1a.對應(yīng)能帶圖。
圖2a偏壓為0下價帶能級示意圖。
圖2b偏壓為Va下價帶能級示意圖。
圖2c偏壓為Vb下價帶能級示意圖。
圖2d為基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管的電流電壓關(guān)系曲線示意圖。
圖3為測試的基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管的電流電壓關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式
圖1a所示為基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)示意圖。采用雙勢壘單量子阱結(jié)構(gòu)，在重摻雜P型(摻雜濃度要求大于1E+19cm-3)Si襯底7上，采用化學氣相淀積法依次生長以下各層厚度為8nm-20nm的SiGe層1，其中Ge占體積比0.2-0.5％，作為第一spacer區(qū)；厚度為1nm-6nm的Si層2，做為第一勢壘區(qū)；厚度為2nm-6nm的SiGe層3，其中Ge占體積比0.2-0.5％，做為量子阱區(qū)；厚度為2nm-6nm的Si層4，做為第二勢壘區(qū)；厚度為8nm-20nm的SiGe層5，其中Ge占體積比0.2-0.5％，作為第二spacer區(qū)；厚度為1um-3um的重摻雜P型(摻雜濃度大于1E+19cm-3)Si層6做接觸層，用以制作電極引線。
當在Si襯底上外延生長的SiGe應(yīng)變層的厚度小于其臨界厚度時，弛豫Si和應(yīng)變SiGe之間的能帶不連續(xù)主要出現(xiàn)在價帶，導帶近似連續(xù)。而體Si禁帶比應(yīng)變SiGe的禁帶寬，所以Si層做空穴勢壘，應(yīng)變SiGe層做空穴量子阱。圖1a所示結(jié)構(gòu)對應(yīng)的能帶圖如圖1b所示。因為做為量子阱的SiGe層很薄，接近電子的德布羅意波長的量級，阱中的空穴能級根據(jù)量子效應(yīng)分裂成若干個分立能級。在圖2a中給出了偏壓為零時熱平衡狀態(tài)的情況。當偏壓增加時，陽極一側(cè)接近勢壘的地方形成一個空穴積累區(qū)，在陰極一側(cè)靠近勢壘的地方形成耗盡區(qū)。只有很少的空穴能夠隧穿通過雙勢壘。一旦偏壓達到Va值時，使陽極一側(cè)價帶中被占據(jù)的能態(tài)與量子阱中E1空能態(tài)齊平，此時發(fā)生共振隧穿，如圖2b所示。在這一點，許多的空穴能夠隧穿通過左邊勢壘進入量子阱中，并接著隧穿通過右邊勢壘進入陰極一側(cè)價帶中未被占據(jù)的能態(tài)。當偏壓進一步增加到Vb時，圖2a中左邊的價帶邊上升高過E1，能夠隧穿過勢壘的電子數(shù)劇減，如圖2c所示。谷值電流主要是源于過剩載流子的電流組分，它隨偏壓的增加而增加。聲子協(xié)助或雜質(zhì)協(xié)助隧穿對這個電流亦有貢獻。基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管電流電壓關(guān)系曲線示意圖如圖2d所示。
該基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管制備過程為1.在已準備好的重摻雜P型襯底7上氣相淀積各層薄膜；2.采用RIE干法刻蝕外延好的材料，得到臺面結(jié)構(gòu)；3.用LPCVD生長一層SiO2，作為絕緣層8；4.光刻后濕法腐蝕出電極接觸孔；5.濺射鋁膜，作為電極引線；6.光刻、腐蝕出襯底電極9和臺面電極10，并合金化。
如果我們在臺面電極10和襯底電極9之間加上電壓，測試流過該單元的電流，我們就可以得到該單元的電流電壓關(guān)系曲線。本基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管樣品電流電壓關(guān)系曲線如圖3所示，其曲線形狀與圖2d所示電流電壓關(guān)系曲線相似。
權(quán)利要求
1.一種基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管，其特征在于用應(yīng)變SiGe層做空穴量子阱，用Si做空穴勢壘，形成空穴的雙勢壘單量子阱結(jié)構(gòu)，用高摻雜P型Si作襯底，在此襯底上采用化學氣相淀積方法或分子束外延等方法依次淀積上未摻雜的SiGe層、Si層、SiGe層、Si層、SiGe層及重摻雜的P型Si形成的臺面結(jié)構(gòu)，并分別在襯底上和臺面結(jié)構(gòu)濺射金屬形成電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于新型半導體器件和納米電子器件領(lǐng)域的一種基于Si/SiGe的空穴型共振隧穿二極管。采用應(yīng)變SiGe層做空穴量子阱，用Si做空穴勢壘，形成空穴的雙勢壘單量子阱結(jié)構(gòu)。用高摻雜P型Si作襯底，在此樹底上采用化學氣相淀積方法或分子束外延等方法依次淀積上未摻雜的SiGe層、Si層、SiGe層、Si層、SiGe層及重摻雜的P型Si形成的臺面結(jié)構(gòu)，并分別在襯底上和臺面結(jié)構(gòu)上形成的電極。實驗證明在室溫下對樣品進行電流電壓特性測試能夠觀察到明顯的微分負阻現(xiàn)象。制作工藝與當前主流的Si半導體平面工藝相兼容，能夠更有效地提高集成電路的集成度。
文檔編號H01L29/88GK1564325SQ20041000624
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
發(fā)明者陳培毅, 熊晨榮, 鄧寧, 王燕, 王民生 申請人:清華大學